西北地区气候暖湿化增强东扩...及其形成机制与重要环境影响_张强.pdf

第 41 卷 第 3 期2023 年 6 月Vol.41 No.3June，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响张强1，杨金虎2，马鹏里2，岳平1，于海鹏3，杨泽粟4，王朋岭5，段欣妤2，刘晓云1，朱飙2，张红丽6，卢国阳2，王有恒2，刘卫平2，林婧婧2，刘丽伟2，闫昕旸1（1.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室，甘肃 兰州 730020；2.兰州区域气候中心，甘肃 兰州 730020；3.中国科学院西北生态环境资源研究院，寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃 兰州 730000；4.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都 610225；5.国家气候中心，北京 100081；6.天水师范学院资源与环境工程学院，甘肃 天水 741001）摘要：西北地区地处欧亚大陆腹地，水汽来源匮乏，干旱是其主要气候特征。近年来随着区域降水的不断增加，中国西北暖湿化问题引起国际及国内相关领域科学家和社会各界的广泛关注。为了揭示中国西北气候暖湿化增强东扩特征与形成机制及其重要环境效应，科学回应社会关切，研究团队利用多源融合数据，从多尺度、多维度对中国西北暖湿化问题开展全面深入研究，发现了西北湿化趋势具有显著的非线性增强特征，且湿化正在向东扩展，本世纪内西北仍维持暖湿趋势，明确了西北陆面蒸散对气候变暖具有特殊的负反馈机制，揭示了西北湿化趋势受多因子综合驱动机制；评估了西北暖湿化对区域生态环境、水资源、农业生产和粮食安全的重要影响及其互馈效应；提出了应对西北暖湿化的技术对策，形成了“西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响”系列研究成果。基于研究的重大决策咨询报告为新时代西部大开发和黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略发挥了重要决策支撑，成果也受到国际学界广泛关注，并入选2022年度“中国生态环境十大科技进展”。关键词：暖湿化；增强东扩；形成机制；环境影响；西北地区文章编号：1006-7639（2023）03-0351-08 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0351中图分类号：P467 文献标志码：A引 言中国西北地区地处欧亚大陆腹地，远离海洋，水汽来源匮乏，加之青藏高原大地形的热力和动力作用，使得干旱成为该地区的主要气候特点，水资源短缺始终是制约区域经济社会发展的主导因素。为此，党和国家领导人非常关心西北地区气候变化，高度重视由气候变化引发的生态环境和水资源问题，多次就祁连山生态环境保护与修复、甘肃民勤沙漠化防治与治理、黄河流域生态环境保护与高质量发展等问题做出重要指示和批示。研究发现自20世纪80年代中期开始西北地区西部降水开始由减少转为增多（宋连春和张存杰，2003），与此同时内陆河径流量在逐渐增加（丁永建张 强，杨金虎，马鹏里，等.西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响 J.干旱气象，2023，41（3）：351-358，ZHANG Qiang，YANG Jinhu，MA Pengli，et al.The enhancement and eastward expansion of climate warming and humidification，formation mechanism and important environmental impacts in Northwest ChinaJ.Journal of Arid Meteorology，2023，41（3）：351-358，DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-03-0351收稿日期：2023-06-09；改回日期：2023-06-19基金项目：国家自然科学基金项目（42230611，41975016）、中国气象局创新发展专项项目（CXFZ2022J04）及甘肃省自然科学基金项目（21JR7RA706，20JR10RA447）共同资助作者简介：张强（1965），男，甘肃靖远人，研究员，博士生导师，主要从事干旱气象、陆-气相互作用及区域气候变化等研究工作。E-mail:。通信作者：杨金虎（1974），男，甘肃会宁人，研究员，主要从事干旱气候变化及影响评估研究工作。E-mail:。41 卷干旱气象等，2000；胡汝骥等，2002a），湖泊水位趋于上升（胡汝骥等，2002b），植被覆盖有所改善（马明国等，2002），洪水灾害不断加重（姜逢清等，2002；吴素芬和张国威，2003）。施雅风先生等（2002；2003）提出西北地区气候可能正在发生“从暖干向暖湿的转型”推断，但当时由于变湿范围较小、变湿幅度较弱，相关研究尚不够深入，其论断并未引起社会各界广泛重视。然而近年来随着西北地区降水不断增加（刘维成等，2017；马鹏里等，2020），西北气候暖湿化问题引起了国际及国内相关领域科学家和社会各界的广泛关注，众多媒体频繁报道，观点众说纷纭，甚至出现了认识误区和认知错误的混乱局面，一度出现所谓“西北由于暖湿化可能变成江南或重回汉唐”的非科学观点。为了科学回应社会对西北暖湿化的关切，为政府决策提供科学依据，研究团队基于多源融合数据，从多尺度、多维度对西北暖湿化问题开展深入研究（张强等，2018；杨金虎等，2019；Zhang et al.，2019a；Zhang et al.，2019b；Yang et al.，2019；Zhang et al.，2021；Yang et al.，2021；Ren et al.，2021；张强等，2021；Zhang et al.，2022；Yan et al.，2022a；Yan et al.，2022b；杨金虎等，2022；张强等，2023），形成了“西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响”系列研究成果，该成果入选“2022年度中国生态环境十大科技进展”。1重要科学认识（1）西北湿化趋势具有显著的非线性增强特征相比本世纪初，目前西北地区的变湿幅度已比较明显，2000年前降水增加速率仅为3.5 mm （10 a）-1，之后增速加快为10.2 mm （10 a）-1图1（a）。事实上，不仅降水表现出这样的变化特点，综合考虑降水与温度的干燥度指数也表现出类似特征 图1（b）。因此，近40多a来西北地区的变湿趋势呈现出显著的（P0.05）非线性增强特征。（2）西北湿化正在向东扩展从1961年以来的长期趋势看，西北地区降水呈西增东减的变化特征，但西增东减的分界线呈现出动态变化，尽管 19712000 年较 19611990 年气候态时段分界线有所西退，但1971年以来分界线呈逐气候态时段东伸，特别是最近一个气候态时段西北全境一致变湿（图2），因此，西北湿化趋势呈现出明显的东扩特征。（3）西北陆面蒸散对气候变暖具有特殊的负反馈机制分析发现蒸散的增温倾向率随降水量增加存在明显的转换特征，在降水较多的气候区蒸散的增温倾向率为正，而降水较少的气候区蒸散的增温倾向率为负（图3），且这种转换正好发生在降水量为300 mm左右的夏季风影响过渡区。也就是说西北干旱半干旱区陆面蒸散随着气候变暖呈现特殊的负反馈特征。（4）21世纪西北仍维持暖湿趋势预计在中等排放情景下未来西北区域继续呈现一致的暖湿化趋势，增温速率为0.32 （10 a）-1，同过去 60 a的 0.34 （10 a）-1增温速率基本相当图 4（a）；降水继续增加，不过降水增加速率为3.0 mm （10 a）-1，明显小于过去60 a的7.7 mm （10 a）-1图4（b）。尽管如此，即使到21世纪末，变湿很难改变西北地区干旱半干旱的气候格局，但变暖使得西北整体从中温带过渡到暖温带并非没有可能。图119612018年西北地区降水（a）和干燥度指数（b）变化（Zhang et al.，2022）Fig.1Changes of precipitation and aridity index from 1961 to 2018 in Northwest China（Zhang et al.，2022）352第 3 期张强等：西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响（5）西北湿化趋势受多因子综合驱动研究发现西北地区当前的气候湿化趋势受多因子综合驱动。首先，从多时间尺度变化看，目前降水周期正处在准10 a、准20 a及准60 a的年代际和多年代际时间尺度的上升叠加通道 图5（a）；其次，从大气环流的协同作用方式看，近20 a来西风和季风环流发生了两个重要的年代际调整，一是西风和东亚季风环流由反向转换为同向，二是东亚夏季风和南亚夏季风环流由同向转换为反向 图5（b），在西风和季风的环流协同作用下，高空急流北移东扩、南亚高压增强东扩、西太平洋副热带高压增强西伸，最终导致西北降水增加；第三，从降水形成的物理机制看，大气垂直上升运动增强导致降水效率提高 图5（c）；第四，从陆-气相互作用机制来看，气候变暖使得受水分约束的西北地区陆面蒸散降低，进而抑制了水分损失 图5（d）。（6）西北暖湿化的多方面影响分析发现当前的气候湿化对西北气候格局基本没有影响，本世纪内也不可能改变干旱缺水的气候环境 图6（a）。不过，暖湿化使得西北大部生态植被明显向好 图6（b），水循环机制改善，玛纳斯河、叶尔羌河、黑河以及疏勒河等内陆河径流增加图6（c），青海湖、哈拉湖、鄂陵湖、扎陵湖等湖泊面积增大 图6（d），祁连山等高山积雪增多 图6（e），极端降水事件增加 图6（f），农业适宜种植区扩大，作物生长发育季延长、产量增加。尽管暖湿化为西北地区生态、水资源和农业带来了很多机遇，但同图319822011年西北地区地表蒸散的增温倾向率随降水的变化（Zhang et al.，2019b）Fig.3The change of warming tendency rate of surface evapotranspiration as precipitation in Northwest China from 1982 to 2011（Zhang et al.，2019b）图219612020年西北地区降水空间变化趋势（Zhang et al.，2022）（黑色粗实线为降水西增东减分界线；红色圆点为减少趋势，绿色圆点为增加趋势；填色为地形高度，单位：m）（a）19611990年，（b）19712000年，（c）19812010年，（d）19912020年Fig.2The spatial change trend of precipitation in Northwest China from 1961 to 2020（Zhang et al.，2022）（The thick black line is the dividing line between precipitation increasing in the west and decreasing in the east；the red dots for decreasing trend，and the green dots for increasing trend；the color shaded for terrain height，Unit：m）（a）1961-1990，（b）1971-2000，（c）1981-2010，（d）1991-202035341 卷干旱气象样产生了众多不利影响，比如气候变暖使得农田蒸发量加剧，水分利用效率降低，农业生产不稳定性增加，部分高寒物种灭绝，冰川和积雪融化加快，固体水资源锐减，地表径流的稳定性降低，同时暖湿化也使得干热风、极端强降水等各种气象灾害的风险增大。总体看利大于弊。（7）应对西北暖湿化的技术对策通过客观认识和综合评估当前暖湿化及其影图419612100年西北地区温度（a）与降水（b）的年际变化（Zhang et al.，2022）Fig.4Inter-annual change of temperature（a）and precipitation（b）in Northwest China from 1961 to 2100（Zhang et al.，2022）图5变湿综合指数的多时间尺度变化（a）、环流指数与变湿综合指数的年代际变化（b）、垂直速度与水汽净通量及标准化降水指数的年际变化（c）和降水与温度影响蒸散的机制示意图（d）（Zhang et al.，2019b；Zhang et al.，2021；Zhang et al.，2022）Fig.5Multi-time scale changes of humidification composite index（a），the decadal change of circulation index and humidification composite index（b），the inter-annual change of vertical velocity and net water vapor flux，standard precipitation index（c）and the schematic diagram of influence mechanism of precipitation and temperature on surface evapotranspiration（d）（Zhang et al.，2019b；Zhang et al.，2021；Zhang et al.，2022）354第 3 期张强等：西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响响，提出了应对暖湿化的对策措施，并建议要树立西北仍会长期干旱缺水的基本认识，社会经济发展必须遵循这一基本规律，需要继续加强节水、高效用水与调水；抓住气候暖湿化机遇，加强生态环境保护，构筑西部生态安全屏障；根据西北地区气候暖湿化空间格局及其动态变化特征，从趋利避害角度，及时调整和优化农业产业结构和布局，最大限度利用水分和热量资源；加紧提升极端天气气候事件的监测、预报、预警能力，预防天气气候极端化带来的影响；加强对冰川和积雪资源的保护，积极应对西北气候暖湿化带来的水资源风险；要认识到增暖背景下降水波动加大的形势，做好应对异常气候的准备；针对未来西北地区气候湿化可能减缓趋势，未雨绸缪，及早增强对气候变化的适应能力及对生态和水资源安全风险的防范能力。2主要学术影响（1）成果获得众多权威国际期刊认可研究成果已在 Journal of Geophysical Research，Journal of Climate，Climate Dynamics，Journal of Me图6西北地区两时段湿润度指数等值线（a）、19822015年NDVI变化趋势 b，红色为减少趋势，绿色为增加趋势；单位：（10 a）-1（填色为地形高度，单位：m）及标准化的内陆河径流量（c）与湖泊面积（d）、祁连山积雪（e）、极端降水事件（f）年际变化（Zhang et al.，2021；张强等，2023）Fig.6The isolines of moisture index for two periods（a），the NDVI change trend from 1982 to 2015（b，the red dots for decreasing trend，and the green dots for increasing trend；Unit：（10 a）-1）（the color shaded for terrain height，Unit：m）and inter-annual change of standardized inland river runoff（c）and lake area（d），snow cover of the Qilian Mountain（e）and extreme precipitation event（f）in Northwest China（Zhang et al.，2021；Zhang et al.，2023）35541 卷干旱气象teorological Research，Science China：Earth Sciences及科学通报 等国际高影响期刊上发表高水平论文20多篇。（2）成果受到国际学界的广泛关注与肯定成果已被 Environment Science and Technology，Journal of Hydrology，Science of the Total Environment，Journal of Environmental Management，Agricultural and Forest Meteorology，Scientific Reports，Ecological Indicators，Hydrological Processes，Climate Dynamics，Climatic Change，Remote Sensing，Frontiers in Earth Science，Advances in Water Resources，Journal of Agricultural Meteorology 等国际 TOP 期刊多次发文引用。TOP 期刊 Scientific Reports 发文称“Zhang 等的成果对西北干旱区的暖湿化问题给予了全面解答”（Dong et al.，2022）；丁一汇院士等在Frontiers in Climate发文正面评价了暖湿化研究成果（Ding et al.，2022）；韩国Sejong University校长、著名水文气象学家DegHyo Bae教授指出，目前数值模式在对21世纪蒸散变化的数值模拟研究中，由于没有考虑Zhang等提出的蒸散对气候变暖的响应机制，导致模拟结果比历史实况要明显偏小（Thanh and Deg-Hyo，2022）；国际期刊Frontiers in Plant Science刊文援引并积极评价Zhang等关于气候变暖影响蒸散的机制来引证其论文的研究结论（Shen et al.，2020）；环境科学顶级期刊Science of Total Environment发文认为 Zhang 等提出的气温不仅直接提高实际蒸散量，还通过蒸发使土壤水分流失间接影响蒸散，这一蒸散对变暖响应机制有助于理解土壤和植被水分过程对气候变化的响应特征（Liu et al.，2022）；气候变化领域高影响力期刊Climatic Change也积极评价了该成果（Piao et al.，2021）。3服务国家发展作用（1）成果有力服务国家和地方重大决策成果共形成了 科学看待西北地区气候暖湿化现象 决策者摘要 气候暖湿化背景下黄河上游地区生态气候风险凸显，亟需增强区域气候变化风险综合防范能力 甘肃省气候暖湿特征及对策建议 甘肃省气候暖湿化背景下极端气候事件的影响及建议 全球气候系统变暖加速 亟需提升我省极端天气气候事件风险防范能力 气候变化对甘肃农业生态影响及对策建议 等7份重大科学咨询报告，这些报告先后呈送国家“两办”、甘肃省委、省政府及中国气象局，其中1份被国家“两办”采用，1份被“中办”采用。决策咨询报告中对农业的影响建议已被 土壤观察网 报道的“一个生态农庄面临的挑战”中所描述的最新发生的农业生产事实所印证。研究为新时代西部大开发和黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略发挥了重要决策支撑。（2）成果科学回应社会关切，正确引导社会舆论研究成果被 人民日报、中央电视台等国内主流媒体采访报道，专题报道被点击数高达百万次以上。研究团队首席科学家张强研究员多次应邀到科学大讲堂、高等院校、党政事业单位做关于西北暖湿化的科学报告，受众达数万人次。4结 语“西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响”成果围绕西北气候暖湿化的特征、形成机理以及对环境的影响开展了比较系统的研究，基于成果形成的科学咨询报告已经服务于国家发展战略。但目前对气候暖湿化的认识应该只是冰山一角，仍有很多问题亟需进一步厘清：第一，从大气、水文及生态等多学科相互作用角度对气候暖湿化驱动机制的认识不透；第二，对气候暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征认识不清；第三，对陆-气耦合与大气环流对气候暖湿化的协同作用机制认识不够；第四，气候暖湿化背景下区域气候与水文、生态耦合影响认识不深；第五，水资源对气候暖湿化的响应特征认识不明；第六，气候暖湿化对水资源安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险认识不足；第七，“双碳”目标下西北地区未来气候趋势、影响及适应的认识不实。针对以上众多问题，今后仍需开展深入研究，进而为新时代西部大开发和黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略的有效实施继续发挥重要的科技支撑作用。参考文献：丁永建，叶佰生，刘时银，2000.祁连山中部地区40 a来气候变化及其对径流的影响 J.冰川冻土，22（3）：193-198.胡汝骥，马虹，樊自立，等，2002a.新疆水资源对气候变化的响应 J.自然资源学报，17（1）：22-27.胡汝骥，马虹，樊自立，等，2002b.近期新疆湖泊变化所示的气候趋势 J.干旱区资源与环境，16（1）：20-27.姜逢清，朱诚，穆桂金，等，2002.当代新疆洪旱灾害扩大356第 3 期张强等：西北地区气候暖湿化增强东扩特征及其形成机制与重要环境影响化：人类活动影响分析 J.地理学报，57（1）：57-66.刘维成，张强，傅朝，2017.近55年来中国西北地区降水变化特征及影响因素分析 J.高原气象，36（6）：1 533-1 545.马明国，角媛梅，程国栋，等，2002.利用NOAA-CHAIN监测近10 a来中国西北土地覆盖的变化 J.冰川冻土，24（1）：68-72.马鹏里，杨金虎，卢国阳，等，2020.西北地区东部气候的转折性变化 J.高原气象，39（4）：840-850.宋连春，张存杰，2003.20 世纪西北地区降水量变化特征J.冰川冻土，25（2）：143-148.施雅风，沈永平，胡汝骥，2002.西北气候由暖干向暖湿转型的信号影响和前景初步探讨 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Province，Key Open Laboratory of Arid Climate Change and Reducing Disaster，CMA，Lanzhou 730020，China；2.Lanzhou Regional Climate Center，Lanzhou 730020，China；3.Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，CAS，Key Laboratory of Land Surface Process and Climate Change in Cold and Arid Regions，Lanzhou 730000，China；4.College of Atmospheric Sciences，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；5.National Climate Center，Beijing 100081，China；6.College of Resources and Evironmental Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui 741001，Gansu，China）Abstract：The northwest region of China is located in the hinterland of Eurasia,in which the source of water vapor is scarce,and drought is its main climatic feature.In recent years,with the continuous increase of regional precipitation,the warming and wetting in Northwest China has attracted great attention from all walks of life.In order to scientifically respond to social concerns,the team used multi-source data to conduct in-depth research on the phenomenon of warming and wetting in Northwest China from multi-scale and multi-dimensional perspectives,and found that the trend of wetting in Northwest China had significant and nonlinear enhancement characteristics.It is recognized that the wetting in Northwest China is expanding eastward,and the land surface evapotranspiration there has a special negative feedback mechanism on climate warming.It is estimated that the warming and wetting trend will still maintain in Northwest China in this century,and the wetting trend is driven by multi-factor comprehensive driving mechanism.The multi-aspect impacts of the warming and wetting in Northwest China are evaluated,and the technical countermeasures to deal with the warming and wetting