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我国西北变“暖湿”?

2019-10-22 11:29:58 来源:红岸南槎门户网站

1.一个激动人心的“好消息”?

我国西北大部分地区位于非季风区,降雨量少,气候干燥。自古以来,许多诗歌都描写了边疆壮丽、辽阔、荒凉和孤独的景色。然而,最近西北地区的湿度和变暖已经成为一个热门话题:朋友间流传的聊天截图让人热血沸腾,“今年出现了关键的气候点…”,“新疆的植被正以每年150公里的速度运行”,“降水已经穿过秦岭,如果能维持10年,黄河就会变得清澈…”。一些媒体也给出了标题“真正的大事:中国西北寒冷干旱的气候正在变暖变湿”。

作者认为,在这一波交流中有许多松散而似是而非的术语,需要认真讨论。其中,公众和媒体对科学语言的陌生和解释可能是误解的真正原因。虽然许多科学论文都提到了中国西北地区的“暖湿”,但“暖湿”的核心是“转化”,这代表了一定时期的趋势。向“暖湿”的转变只表明向“暖湿”的发展。至于什么时候可以达到“暖湿”,文献没有明确说明。事实上,气候的两个极端状态——干旱和潮湿——相距数千英里。从甲到乙走几步并不一定意味着乙能到达。一方面,距离仍然很远,另一方面,变化可能会重复。最重要的是,全球变暖的背景可能会使甲乙双方的距离变得更远。

2.“暖湿”在中国西北是一个古老的话题。

我以为有一项新的研究。仔细看看我说的是一个老话题。2002年和2003年,中国科学院寒旱研究所石亚峰院士和沈勇平研究员提出了西北气候由“冷干”向“暖湿”转变的研究。具体表现在:1)西北部分地区降水量增加;2)冰川融水径流增加(如新疆乌鲁木齐河1号);3)一些湖泊的上升面积增加(如博斯腾湖);4)部分河流洪水增加;5)减少沙尘暴;6)一些地区的植被景观变绿。至于媒体提到的植被景观变绿,在石亚峰先生2002年的《资源与环境》(Resources and Environment)一文中,也提到“气候变迁期间降水量增加的地区,呈现出植被茂盛的景象。我们可以看到,这些地区的初级生产力草地在旅途中是翠绿的”。石亚峰还注意到,卫星数据中的ndvi数据显示,“20世纪90年代,中国西北地区植被覆盖度普遍下降,土地荒漠化严重,但在西天山、伊犁河流域、北疆、青海南部等地区,植被覆盖度明显增加”。

图1,“西边没人离开阳关”,阳关外戈壁地貌。

在给出降水量增加、某些地区植被改善、湖泊上升等变化后。石亚峰院士提出以下问题:“中国西北地区的降水有明显的增长趋势,但在平衡蒸发增长后,西北地区的气候是否确实出现了由冷到干再暖再湿的迹象,仍需具体深入探讨。”因此,对于某些地区降水量的增加是否意味着西北地区正在从“冷干”变为“暖湿”还没有明确的结论。

此外,石亚峰院士在文章中还评论道:“亚洲大陆远离西北深处海洋水汽来源的地理位置,以及长期演化形成的沙漠和戈壁的极度干旱的下垫面,严格限制了当地水汽向空气的供应,从而降低了降水增加的速度。此外,长期过度开采地下水造成的生态环境恶化、植被破坏和土壤水分减少也增加了气候变化的难度。因此,西北地区的气候变化有其局限性,其作用不应过分夸大。”

虽然目前还没有明确的结论,但是西北地区“暖湿”的想法仍然让很多人兴奋不已,并向中央政府提出建议,在西北地区气候改善的同时,进一步加快发展的步伐和强度。后来,中央向中国科学院提交了这一建议,科学院咨询了叶杜正院士。叶先生和其他科学家参加了讨论,并分析了这一领域的数据。最后得出的结论是:虽然近20年来该地区降水量明显增加,但增加的绝对值并不大,这并不意味着该地区水资源承载能力发生了质的变化。这种理解成为业界的共识。

3.如何判断该地区的干湿状况?

一个地方的干湿状况取决于许多因素。最重要的参数是降水量和蒸发量。简而言之,如果降雨量超过了潜在的蒸发量,这个地方的气候是潮湿的,而这个地方的气候则以干旱为特征。因此,衡量一个地区的干湿变化不仅仅是基于降水量,而是要综合考虑降水量和蒸发量的综合作用,评估干旱指数的变化。常见干旱指数包括标准化降水指数(spi)、标准化降水蒸散指数(spei)、自适应帕尔默指数(scpdsi)、dsi等。

图2。敦煌气象局大型蒸发器(e-601b蒸发器)。干旱敦煌的年潜在蒸发量约为2500毫米

西北地区(主要是新疆、甘肃西部和内蒙古西部)是世界上最干旱的地区之一。它离四大洋很远:南部被青藏高原与印度洋隔开,东部被黄土高原、蒙古高原和河西走廊与太平洋隔开,西部被欧洲大陆、乌拉尔山和帕米尔高原与大西洋隔开,北部被阿尔泰山和天山与北冰洋隔开。这些地区的降雨量很少,大多数地区的年降雨量不到100毫米,有些地区甚至不到50毫米。然而,该地区阳光和太阳辐射在我国最强,蒸发能力非常大,潜在蒸发能力超过2000毫米,这意味着即使长江流域有年降水量(1000-1200毫米),也不足以应对这里的强蒸发,因此干旱和缺水是西北地区最重要的特征。

图3。干湿指数(单位:mm ),由潜在蒸发和沉淀之间的差异表示。如果蒸发大于降水,气候的特征就是干旱。相反,如果蒸发少于降水,气候是潮湿的。中国西北部是一个极度干旱的地区,蒸发比降水大得多。俗话说,“春风不到玉门关”,西北的水汽主要来自西风带。

由于降水和潜在蒸发之间的差异是一个数量级,西北变得“潮湿”基本上是一个错误的命题。只要降水量远小于潜在蒸发量,降水量的任何增加仅意味着极端干旱的缓解,并不意味着西北地区变得“温暖潮湿”。要做一个简单的估计,西北地区的干湿状况需要定性的改变,年降水量需要达到至少500毫米,目前还没有研究能够支持这样大的变化。

值得注意的是,在调查干旱/湿润变化的过程中,每个干旱指数的特征是不同的。核心是如何调查由温度、太阳辐射、风速和水文变化引起的蒸发变化。有些干旱指标不考虑温度变化,有些干旱指标不考虑水文过程,有些参数取决于地表模型的模拟性能。在计算潜在蒸发量时,也有不同的计算方案,这将影响干湿趋势变化的判断。

4.西北的干湿变化如何?

如果我们只看降水量的变化,中国西北绝大部分地区的降水量自1980年代中期以来确实有所增加。魏和王(2013)分析了中国西北地区47个气象观测站的年平均降水量。结果表明,1960-1986年平均年降水量为110毫米,1987-2009年增加到134毫米,增幅为20%,降水量确实有所增加。

在此期间,中国西北地区的气温也上升了。气温上升不仅高于全球平均水平,而且高于中国东部。1960-76年的平均气温约为7.33度,而1997-2009年的平均气温达到8.69度,上升了1.36度。特别是在2000年以后,增长率达到了每十年0.6度,远远超过了全球平均每十年0.177度的增长率。

变暖导致潜在蒸发的变化。这47个站的平均潜在蒸发量在90年代中期之前为675毫米,但在90年代中期之后增加到720毫米以上,增加了约45毫米,远远超过降水量(24毫米)。

图4 .1960-2013年西北地区47个站年平均降水量变化序列。自20世纪80年代中期以来,降雨量显著增加。这张照片来自魏和王(2013)。

图5 .1960-2013年西北地区47个站年平均气温变化序列,有明显变暖趋势。这张照片来自魏和王(2013)。

图6。1960-2013年西北地区47个站年平均潜在蒸发量的变化序列,90年代中期急剧增加。这张照片来自魏和王(2013)。

综合考虑降水量和蒸发量后,可以计算出反映干湿变化的干旱指数。图7显示了20世纪90年代末前后两个气候干旱指数(spei)之间的差异,从而确定了这一时期的干湿变化。红色表示干旱的可持续发展,干旱指数的分析不支持西北地区更湿润的发展。

图7 .1997年前后干旱指数的变化。红点表示干旱的可持续发展。这张照片来自魏和王(2013)

气象学家马朱郭利用另外两个干旱指数(scpdsi和swi)分析了中国北方地区的干旱变化,结果表明西北地区在2000年后具有干旱特征。

最近,一组气象学家黄建平教授在《大气科学进展》上发表了一篇文章,总结了中国半干旱地区的变化,指出1994年至2008年间,中国半干旱地区比1948年至1962年增加了33%,这主要是由于半湿润和湿润地区的干燥。

值得注意的是,关于西北地区干湿变化趋势的研究很多。各种研究结论之间的差异不小,甚至完全相反。差异主要集中在三个问题上,这三个问题都是研究中的“凹点”:

1)趋势分析需要注意计算趋势的时间段。目前,在对西北地区干湿变化的研究中,如果从20世纪60年代及之前的数据开始,则大多得到“暖湿”的趋势,而如果主要讨论过去30年的变化,则主要得到“干旱”的趋势。趋势分析必须与研究时间段相对应,否则不可比较。

2)干旱指数的不一致性,各种研究之间的不一致性,以及很大一部分来自参考干旱指数,其核心是是否考虑了温度升高引起的蒸发变化。由于每个指标都基于不同的参数,并有其适用的区域和气候特征,是否适用于西北干旱地区实际上是一个值得深入探讨的科学问题。

3)西北地区台站数量稀少,部分数据缺乏其他数据的验证和检验,数据的代表性和可用性也值得深入探讨,这也将影响最终结论。

5.植被变化≠气候状态变化

影响西北地区植被覆盖变化的因素很多。例如,中国实施退耕还林还草计划已经有20年了。自然生态系统的人工保护是许多地方发生绿色变化的主要原因。此外,投资100多亿元的新疆塔里木河综合治理工程,对塔里木河的河流健康和生态安全发挥了重要作用。一些植被恢复来自于治理工程的效果。全球变暖导致更多的冰雪融化,一些水资源的增加不是由于降水和环境的改善,而是由于冰冻圈的减少。

沙漠和戈壁不是贫瘠的地方。只要有降水,就会有绿色和活力。除了短期绿化,还将考察植物的存活时间和可持续性,以及整个季节的变化和长期的变化。

作者特别咨询了一个研究北方干旱的行业“丹尼尔”和“丹尼尔”,并描述了一些调查的经验:

2012年,他参加了中国科学院对天山南北水资源的调查。以前在该地区钻的井有一半以上不能抽水,这表明降水的增加并没有引起这里水资源格局的质的变化。在河套地区的几次视察中,当地水利部门在座谈会上强调,河套地区的缺水情况仍然比较严重。

因此,短期植被变化并不代表中国西北地区气候的改善。事实上,中国西北地区的降水日数并没有显著增加。降水量的增加主要是由于较强的单一降水。在气候变暖的背景下,极端降水的概率增加了。极端降水不会对一个地区的长期气候产生积极影响,但会造成一些气候灾害。

图8。2019年7月,经过两次降雨,敦煌沙漠里长出了整形的幼苗。

近年来,中国西北许多地区的降雨量确实增加了。以敦煌为例。敦煌年平均降水量39.8毫米,夏季降水量22.5毫米,7月降水量10.7毫米,2019年7月6日和16日发生两次暴雨。敦煌降雨量分别达到19.1毫米和22.6毫米,两次暴雨总量超过敦煌年平均降雨量。降水后,敦煌戈壁沙漠出现白色盐花,大量的草由此诞生。这确实是一个可喜的变化。然而,天气和气候有本质的区别。天气指的是一个短期的过程,而气候是一个长期的平均值。因此,某一年的天气过程并不意味着长期趋势的逆转,需要更多年的调查。

6.未来的变化

虽然气候模型预测中国西北地区未来的降水量将会增加,但模型之间的一致性较差,这表明目前的气候模型对该地区的预测仍然存在不确定性。多模型合成的降水增长率不超过30%,远远不足以在干湿条件下产生质的变化。

图9。多模式对比计划给出的高排放条件下全球降水量的增加(rcp8.5)表明,西北地区不是全球降水量发生显著变化的地区,模型之间的一致性较差,这表明当前的气候模型对该地区的预测仍然存在不确定性。多模式综合下降水量的增加不超过30%,不能从根本上改变该地区极端干旱的气候状态。图片来自气专委第五次评估报告(2013年)

7.总结与思考

虽然中国西北部分地区存在短期降水过程和植被改善,但该地区的干湿状况取决于降水和蒸发的综合作用。中国西北大部分地区的降水量远低于潜在蒸发量,有些地区甚至相差一个数量级。目前降水量的增加不能从质量上改变这个地区的干旱状况。中国西北地区“湿度”的变化基本上是一个错误的命题。

在全球变暖的影响下,西北地区的气温上升远远超过全球平均水平,而东部地区的气温上升则导致潜在蒸发量大幅增加,这在大多数地区远远超过降水量的增加,导致这些地区更加严重的干旱。

天气和气候有本质的区别。天气指的是一个短期的过程,而气候是一个长期的平均值。因此,某一两个天气过程并不意味着长期趋势的逆转,而是需要更多年的调查。

中国北方大部分地区已经退耕还林还草20年了。生态已经得到显著改善,应该继续下去。西北地区是我国极度干旱的地区。随着经济发展,水资源和生态压力将继续存在。我们不应该盲目乐观。

节水技术的发展、水资源的合理利用和生态保护将是西北地区可持续发展的基本保证。

总编辑:顾万全文字编辑:宋彦林专题地图来源:视觉中国图片编辑:朱琳

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