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全球变暖背景下温度升高使大气中可含水量升高,进而使蒸发增加,对全球干湿变化产生很大影响。本文围绕一个综合考虑了温度变化和降水变化的PDSI干旱指数,且研究表明PDSI指数与土壤湿度有很好的相关性(Dai et al.,2004),在土壤湿度观测不足情况下,可作为土壤湿度的代用资料。本文基于PDSI指数评估了中国区域过去50年在增暖背景下的干湿变化,考察增暖对中国区域干湿变化的影响。讨论了PDSI变化与全球大尺度海温变化模态的关系,考察热带海温对全球干湿的强迫作用。最后,使用CMIP5的22个模式预估了21世纪PDSI和土壤湿度变化,讨论各区域干湿变化的影响因子,主要结论如下:
一.基于PDSI指数评估的1958-2005年中国地区干湿变化
基于中国地区753站观测的温度和降水资料,计算了校正的PDSI指数,与原始PDSI指数对比,改进了原始PDSI指数反映的极端干湿频率过高的问题,频率分布表明校正的PDSI指数反映的中国区域干湿频率可能较合理。校正的PDSI指数表明1958-2005年中国区域整体有明显变干趋势,1990年后干旱趋势尤其明显,中等干旱和极端干旱面积均显著增加,湿润面积无明显变化。PDSI趋势分布表明,华北、东北地区明显变干,西北西部地区明显变湿。考察温度变化对PDSI指数的影响,结果表明中国地区的温度升高使中等干旱及极端干旱面积大幅增加,加剧了降水减少引起的干旱,抵消了降水增加带来的部分变湿,使中国地区处于干旱化状态。此外,与Dai(2004)中国区域PDSI指数对比发现,在除西北西部外的地区外有很好对应,表明本文计算的PDSI指数在中国区域有较好的适用性。
二.评估热带海温对全球PDSI变率的强迫作用
揭示了1950-2000年全球PDSI变化与全球SST耦合相关的三个CCA模态,其中CCA第一模态为全球变暖相关模态,第二模态为年际、年代际变化的ENSO相关模态,第三模态主要为年代际变化的AMO相关模态,表明全球PDSI变化与大尺度海温变化密切相关。为了考察热带海温对全球干湿强迫作用,对比了CAM3大气环流模式的全球海温强迫(GOGA试验)和仅用热带海温强迫的(TOGA试验),表明仅用热带海温强迫(TOGA试验)能较好的模拟出全球海温试验(GOGA试验)中CCA中全球变暖和ENSO相关模态,表明热带海温的重要强迫作用;而对AMO相关模态的模拟较差,表明热带外海温对AMO模态也有较强的强迫作用。此外,仅用热带海温强迫也可以模拟出全球大部分地区的PDSI变化趋势及全球平均的干湿趋势,表明热带海温对全球干湿变化的重要强迫作用。
三.CMIP5多模式预估的21世纪全球干湿变化
基于CMIP5的22个模式的RCP45及RCP85试验的预估结果表明,各个模式预估的全球陆地平均PDSI和土壤湿度均有一致的明显减小趋势,全球陆地平均干湿面积均会增加,表明未来全球干湿变化可能均会增强。全球陆地平均温度、降水、蒸发也都有明显增加趋势,冬季降水增加趋势明显超过夏季,而夏季蒸发的增加量超过夏季降水增加量,使夏季相对较干。各模式预估的北半球中高纬地区、非洲中部地区冬季降水一致明显增加,而预估的夏季降水一致增加的地区及幅度小于冬季,地中海、中美洲、非洲南部地区冬季和夏季降水均一致减少。由于全球温度的普遍增加,模式预估的冬季和夏季降水增加地区的蒸发都一致增加,但夏季北半球中高纬地区蒸发的增加尤为明显。各模式预估的夏季全球大部分地区土壤湿度和PDSI均一致的减小,表明未来夏季的明显干旱化趋势。而预估的冬季中高纬度部分地区土壤湿度则有一致的明显变湿。PDSI由于有约一年的变化周期,冬夏变化基本一致。
分析各区域干湿变化主要驱动因子:蒸发、降水的变化表明,由于温度的大幅增加,蒸发对区域干湿影响越发重要,部分区域蒸发的影响甚至超过降水。冬季北半球中高纬、非洲南部地区PDSI及土壤湿度主要因降水增加而变湿,东亚、南亚、萨赫勒地区则由于蒸发增加而变干。而夏季北半球中高纬地区、东非、西藏地区则主要受到增长的蒸发控制而变干,北美、南非等地区则因降水减少变干,地中海、中美洲、亚马逊等地区则因全年的降水均减少而一直变干。此外,在澳洲地区、非洲大部分地区及南美地区,各模式的预估结果有较大的不确定性。总体上看,除高纬的部分地区,预估的PDSI与土壤湿度有较一致的变化,表明用简单模式建立的PDSI指数与土壤湿度间确有较好的对应关系。此外,分析温度变化对PDSI指数影响表明,温度升高使全球大部分地区PDSI指数减小,全球总体呈干旱趋势,表明未来温度升高可能引起蒸发增加使全球变干。