Observed and Projected Changes in Drought Risks over South Asia under Global Warming Scenarios

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近年来,由于气候变化,南亚面临着严重的干旱,影响了供水、农业生产并影响20多亿人的生活。一般来说,南亚干旱主要是由异常的夏季季风(6-9月)造成的。通常情况下该季风伴随的降水占年总降雨量的80%,是该地区数百万人口的生命线。该地区夏季季风降水的年际变化与大尺度大气和海洋的变化有关,特别是厄尔尼诺南方涛动(ENSO)、太平洋十年振荡(PDO)和印度洋偶极子(IOD)。夏季季风降水的减弱可能导致气象干旱,如果持续时间长,可能导致向水文干旱和农业干旱蔓延。无论是过去还是未来,南亚的干旱风险一直在变化。但是,目前还不清楚重大干旱的发生频率和严重程度是如何影响南亚的水资源、农业活动和社会经济增长的。重大干旱对整个南亚生产生活的各个方面都带来了严峻的挑战,并且在未来气候变暖的情况下,人们对其特征和驱动因素知之甚少,还有待进一步探索。此外,在不同的再分析资料中,对重大干旱特征的解析可能存在很大的不确定性,然而这些资料在南亚还没有得到深入的评估。本研究使用CRU TS,NCEP-2,ERA-5,MERRA-2再分析资料以及来自CMIP6的预测资料,结合两种共同的社会经济途径(SSPs:SSP2-4.5和SSP5-8.5)和升温水平(1.5℃和2℃),采用不同的统计指标、距平分析、贝叶斯动态线性(BDL)模型、气候指数、游程检验和多变量重现期等方法,首先对过去和未来气候变化下南亚及其子区域内不断扩大的干旱灾害风险进行综合分析。在此基础上,以南亚的巴基斯坦为代表,对再分析产品的性能进行评估;详细分析了巴基斯坦季节性干旱特征的变化及其潜在驱动因素;评估了近期南亚干旱事件变化与大气环流和人类活动之间的关系;分析了在1.5℃和2℃升温水平下,南亚及其子区域内干旱风险增加的变化。主要研究结论如下:1)再分析产品能够反演巴基斯坦南部的历史干旱指数和干旱面积,相对高估了西部的干旱严重程度。在干旱和半干旱地区,根据CRU TS和MERRA-2计算的1984-1998年和2000-2010年期间的月尺度干旱面积和频率呈显著增长趋势。在南部地区用CRU TS和MERRA-2反演的气候变量和干旱特征最佳,而西南部和西部则为ERA-5。纳什效率系数(NSE)介于-2到1之间,在大部分地区,SPEI的NSE(–1.0)小于SPI的NSE(0.5),特别是在巴基斯坦南部。除NCEP-2外,CRU TS、MERRA-2和ERA-5在月尺度上表现出较强的正线性关系(相关系数0.84)。2)大部分干旱和半干旱地区在两个种植季节的干旱程度明显增加。虽然温度在定义干热季节的干旱方面发挥了重要作用,但受西风带影响的地区,降雨作用很大。大气环流模态分析表明,风速、气温、相对湿度和位势高度异常的大尺度变化可能是该地区干旱的驱动因素。Ni(?)o3.4海表面温度和多元ENSO指数是巴基斯坦季节性干旱的最主要影响因素。3)在冬季,南亚西南部和东北部有明显变干的趋势。干旱持续时间呈偶极模式。然而,与北部地区相比,南亚西南部地区的干旱持续时间延长。值得注意的是,南亚干旱和半干旱地区在面积、频率和严重程度方面显示出干旱加剧。干旱变异性和气候异常之间的关系随时间而波动。南亚干旱变异性与IOD和ENSO密切相关,但与青藏高原热强迫的关联较小。相对于北部的干旱事件主要受SST的影响,西南部则受偶极模式指数(DMI)影响。4)在升温1.5℃条件下,50年一遇干旱(二元分析框架下)发生的频率在南亚大部分地区会翻一番。同时,相比于升温1.5℃,在升温2℃条件下,面临极端干旱的面积会增加20%。与现在气候相比,发生严重干旱的频率预计也会增加,分别为1.5℃下的40%-75%和2℃下60%-90%。在南亚R2和R4区(如巴基斯坦南部和印度)其暴露度增幅最大,其次是R1区(如阿富汗西南部)。此外,大约75%的南亚人口(65%的GDP),在1.5℃升温条件下可能遭受更大的干旱风险,如果再增加0.5℃则风险将进一步增加。与全球升温2℃比较,升温1.5℃可以显著降低干旱风险对南亚大部分地区的影响。未来地表温度和相对湿度的预测结果进一步表明,南亚亚热带和干旱地区降水量减少将导致干旱增加、气温升高。南亚大陆处于强烈的反气旋控制下,伴随下沉运动和降水减少。因此,遥相关变化给南亚大部分地区的干旱预测带来更大的挑战。本研究使用最新发布的CMIP6的GCMs集合平均值、年人口和GDP数据,这些数据在以往的研究中被广泛应用,但由于全球人口和GDP预测的分辨率较低且包含不确定性,使得研究常常忽略动态的社会经济影响,这可能导致结论偏差。未来的研究应该关注动态特征,这将提高我们对气候变暖中社会经济暴露度的理解。未来研究中需要深入研究的要点,还包括气候敏感性分析、人类活动影响及其它们在区域干旱变异性中所起的潜在驱动作用。
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