全球及干湿变化趋势的空间格局

Dai等[2]最近的研究指出:自从20世纪70年代以来, 全球陆地上干旱区的面积增加了一倍多, 而引起这种现象的主要原因是20世纪80年代中期以后的增暖.相关研究[10]也证明了增暖背景下中国干旱和半干旱区域的范围正在向东南方向扩展.

众所周知, 除少数地区外, 增暖属于全球性的.然而, 近半个世纪降水的变化趋势在全球的分布却具有很大的不确定性[34], 那么由温度升高和降水的异常共同作用下的全球干湿变化的时空分布格局是什么?区域间干湿变化的差异如何?这些问题目前尚不清楚, 特别是大陆尺度干湿变化的比较.下面将针对这些问题展开分析, 着重研究各大陆干湿变化的特征及其差异.

图1为利用MK方法所计算的1951～2002年全球年降水 (下文中的降水均指年降水) 和年地表湿润指数变化趋势 (下文中的地表湿润指数均指年地表湿润指数) 的空间分布.为了突出降水和地表湿润指数的年代际变化趋势, 首先对降水和地表湿润指数的原始序列进行5年的滑动平均, 其次利用MK方法对滑动序列进行趋势分析.分析图1 (a) 可以发现, 美洲大陆 (包括北美大陆和南美大陆) 绝大多数地区的降水量在近50年都是增加的趋势, 仅有美国的阿拉斯加、加拿大西部和南美大陆的西北部等小部分地区降水为减少趋势.

然而在欧亚大陆和非洲大陆的大部分地区降水却为明显减少趋势, 表现出与北美大陆完全不同的趋势特征.如果把欧亚大陆以60ºE (正好位于欧洲和亚洲的分界线处) 为界分成东西两部分, 那么以西大部分地区近52年降水为增加趋势, 这包括整个欧洲地区和非洲大陆北部撒哈拉沙漠地区, 而降水为减少趋势的地区主要位于地中海沿岸;在60ºE以东, 大部分地区降水的变化趋势检验值为负, 说明降水变化的趋势主要以减少为主.而且从整个欧亚和非洲大陆的总体特征来看, 降水趋势为增加的地区大致集中在25º～30ºN和50ºN纬度带上, 形成两个沿纬带分布的狭窄带状区域.

其中位于25º～30ºN的降水增加带在60ºE以西主要位于25ºN附近, 而在60º～80ºE之间, 这个降水增加带北移至25º～35ºN之间;在80º～100ºE之间, 降水增加区域的南界北移至30ºN且范围扩大, 北界扩展到45ºN, 这个区域正好位于我国的西北西部.

所以, 我国西北西部降水近20多年的增加趋势[35]并不是一个孤立的局地特征, 而是一个大尺度变化的现象;在100ºE以东地区, 降水为增加趋势的区域又南撤到32.5ºN (长江沿线) 以南, 在中国东部形成了一个南部降水增加而北部降水减少的空间格局, 另外大尺度降水增加位置在这个地区的变动可能与青藏高原的大地形作用有关.100ºE以东的中高纬度地区, 除蒙古国的北部以及俄罗斯中部的局部地区有小范围的降水增加外, 35ºN以北地区降水总量以减少趋势为主, 其中俄罗斯的远东地区、我国华北及西北的东部为降水显著减少的地区.非洲大陆20ºN以南地区是全球降水量减少最显著且范围最大的地区, 仅在赤道附近有小部分地区降水量为增加趋势.在澳洲大陆, 东、西部为相反趋势, 其中中西部降水有增加的趋势, 而东部为减少趋势.

与图1 (a) 比较可知, 地表湿润指数近52年变化趋势的空间分布与降水的空间分布格局基本一致, 但变湿 (MK的检验值为正) 、变干 (MK检验值为负) 的范围在某些地区存在较大差异.差异最显著为北、南美大陆和澳洲大陆.在北美大陆上, 50ºN以南降水增加的地区占90%以上, 而图1 (b) 显示有超过40%的地区为变干, 即在北美大陆大约有30%的地区尽管降水量为增加趋势但在年际尺度上却是变干趋势 (地表湿润指数为减小趋势) ;在南美大陆, 大约有20%的地区有类似的特征;澳洲大陆这种现象同样存在, 大约有40%的地区尽管降水为增加趋势但却表现出干化趋势.

在欧亚大陆, 相对于图1 (a) 上50ºN纬度带附近的降水增加区域, 图1 (b) 上的变湿范围明显缩小说明这个多雨带上同样存在降水增多却变干的区域;25ºN带降水 (图1 (a) ) 的增加趋势和地表湿润指数 (图1 (b) ) 增大趋势的范围在图1 (a) 和 (b) 上变化不大, 但强度却有明显差异, 图1 (b) 上变湿的强度明显大于图1 (a) 上降水增加的强度, 这可能与这个纬度带上温度的降低有关 (欧亚大陆的几个降温中心均分布在这个纬度带上) .对于非洲大陆, 降水和地表湿润指数变化趋势的范围基本一致, 但强度明显不同, 特别是在Sahel及东非地区, 地表湿润指数减小趋势的显著性程度和范围明显大于降水减少趋势的显著性程度和范围, 而在南部非洲, 地表湿润指数的范围和强度却弱于降水减少的强度.

为了客观地了解干湿变化的时空结构, 进一步利用地表湿润指数的变化分析了全球环境干湿变化趋势的空间分布结构及区域特征.

从图1 (b) 可以看出, 在20世纪的后半叶, 欧亚大陆、非洲大陆具有明显的大范围变干趋势 (图中阴影部分) , 而撒哈拉沙漠、中东、中国西北西部及江南地区、欧亚大陆的西北部、俄罗斯中部部分地区、北美大陆大部区域和南美中南部地区为变湿趋势.

所以在全球几乎一致增暖的背景下, 干湿变化的时空分布却显著不同.如果按东西半球来看, 东半球为变干趋势, 而西半球为变湿趋势.除印度半岛和中南半岛外, 欧亚大陆发生干旱化的地区主要位于35ºN以北地区, 而中国大陆东部 (100ºE以东) 地区, 这个分界线稍偏南1°, 其中干旱化趋势显著的地区主要位于俄罗斯远东地区、我国华北及西北东部、蒙古的南部地区, 这些地区也正是全球增暖比较明显的地区.

值得注意的是, 从非洲大陆的撒哈拉地区、地中海东部的中东地区到中国西北西部这些显著变湿地区均位于极端干旱的地区.在美洲大陆, 尽管存在有干旱化倾向的区域, 但强度弱且范围小, 主要以变湿趋势为主.南美大陆除西北地区外, 其余地区为变湿趋势.澳洲大陆中南部和西南部为变湿趋势, 其余地区为变干趋势.

与Dai等[2]的研究结果比较 (图2) , 发现两者干旱化的中心均一致, 但范围却有差异, 图1 (b) 的干旱化范围明显小于图2中干旱化的范围, 特别是在非洲大陆的北部、中亚、欧洲的西北部和南美大陆;图1 (b) 中所给出的变湿范围明显大于图2的范围, 其中位于欧亚大陆25º～35ºN之间的变湿带在图2上并不存在.这可能与两者所采用的干旱指标不同有关.Palmer干旱指数和地表湿润指数中潜在蒸发力的计算都采用了Thornthwaite[32]的方案, 但在Palmer干旱指数里考虑了土壤湿度变化的影响.

从物理过程上来讲, Palmer干旱指数更加完善, 但由于全球观测土壤湿度数据的缺乏其取值还存在很大的不确定性.地表湿润指数的优点是计算简便, 且考虑了温度变化对地表干湿变化的作用.虽然两种指标在表征干湿变化时某些地区存在差异, 但他们的分析结果都说明了温度变化对全球环境干湿变化分布格局的重要影响.

各大陆干湿过程的年代际趋势变化

上述分析说明, 在增暖背景下, 全球干湿变化的空间分布格局具有明显的区域差异.为了更清楚的表征各大陆干湿变化的年代际趋势特征并深刻认识各大陆之间的差异, 把全球分为欧亚大陆、非洲大陆、北美大陆、南美大陆和澳洲大陆5个子区域来分别研究并进行对比分析.具体的作法是:先计算各大陆的区域平均地表湿润指数, 然后对其进行5年的滑动平均, 得到一个滑动平均的5个大陆的地表湿润指数序列, 对这5个序列进行分析和比较以理解各大陆干湿变化的年代际趋势特征及其区域差异.

图3给出了5个子区域年地表湿润指数的距平变化和年降水与年地表湿润指数的线性趋势, 其中左系列图为经5年滑动平均后相对1961～1990年的多年平均值的距平;右系列图为未平滑的降水和地表湿润指数的线性趋势.

可以看出:北美 (图3 (a) ) 从1976年开始转为一个相对湿的时期, 这个湿期持续了12年, 之后又出现了一个弱的干期, 持续时间较短, 为5年, 随后又转为一个弱的湿期并持续至今, 其中降水与地表湿润指数的线性倾向均为增加趋势 (图3 (a) ) , 即该区域降水1951～2002年间为增加趋势, 地表变湿与北美大陆不同, 南美大陆区域平均年降水和年地表湿润指数的线性倾向符号相异, 降水变化的线性倾向为正, 但地表湿润指数的线性倾向却为负, 即降水为增加趋势而地表却是变干趋势.

从图3 (c) 可以看出, 南美大陆的干湿变化在分析时段呈现明显的年代际振荡, 周期大约在30年左右, 如果以此周期推断, 南美当前的干旱时段将在近期结束并有可能转入一个相对湿润的时段, 但温度变化可能会增加这种转折性变化的不确定性, 使得其发生转变的时间延迟.欧亚大陆 (3 (e) ) 从20世纪70年代中后期转为一个干旱时段, 从1974开始的28年间, 仅有4年地表湿润指数为弱的正距平, 其余年份均为负距平, 说明该地区总体平均多数年份处于干旱时段, 该地区年降水和年地表湿润指数的区域平均线性倾向均为负, 以明显的降水减少和地表变干趋势为主要特征;

在1951～2002年间, 欧亚大陆经历一个由湿向干的转化过程, 其转折点发生在1974年.非洲大陆 (图3 (g) ) 近半个世纪具有明显的由湿向干转换的特征.1979年以前, 非洲大陆处于一个相对较湿的时期, 从1979年开始转为一个严重的干旱时段, 澳洲大陆与南美大陆的干湿变化特征类似, 在1951～2002年时段, 是一个明显的干湿周期振荡过程, 周期大约为30年左右.

概括而言, 在分析时段1951～2002年, 全球除北美大陆外, 其余各大陆都处于干旱化的阶段, 尤以非洲大陆的干旱化最为剧烈.北美大陆的干湿变化呈现出与其它大陆明显不同的特征, 为变湿趋势.在南美大陆和澳洲大陆, 尽管降水变化是增加趋势, 但地表湿润指数却表现出干化 (地表湿润指数为减小趋势) 特征.

为了更清楚地了解各大陆的干湿变化趋势及变率, 对1951～2002年5个大陆的降水、地表湿润指数和气温的线性趋势及降水与地表湿润指数的相对变率 (线性趋势与1961～1990年30年平均值的比值) 进行了分析, 计算结果列于表1.

可以看出:非洲大陆和欧亚大陆降水变化的线性趋势均为减小, 其中非洲大陆尤其显著, 降水减少的相对变率达到-11%;欧亚大陆为-2%;北美大陆、南美大陆和澳洲大陆降水均为增加趋势, 相对变率分别为5%, 3%和13%, 但地表湿润指数在各大陆上却表现出迥然相异的特征, 南美大陆和澳洲大陆区域平均降水和地表湿润指数的线性趋势完全相反, 即降水为增加趋势, 而地表湿润指数却是减小的, 也就是说, 降水量尽管是增加趋势, 但这两个地区却是干化的趋势, 其中澳洲大陆变率的变化最大, 相对变率从降水的13%变到地表湿润指数的-9%, 南美大陆也从2%变到-1%.在欧亚大陆和非洲大陆, 尽管两者的变率符号一致, 但强度却不同, 非洲大陆从降水的相对变率-11%到地表湿润指数的-16%, 强度增加了5%, 欧亚大陆也增加了2%.

北美大陆降水和地表湿润指数的相对变率基本相等.从温度的线性趋势来看, 5个大陆区域平均均为升温趋势, 对照降水和地表湿润指数的相对变化, 不难看出气温的升高削弱了区域湿化的强度, 改变了干湿变化的结构 (如南美和澳洲大陆) , 加强了干旱化的强度 (欧亚大陆和非洲大陆)

归纳以上结果发现, 除北美大陆外, 降水和地表湿润指数的相对变率具有明显的差异, 而这种差异正说明了气温变化对各大陆区域平均干湿强度变化的影响, 因此, 在当前增暖背景下对全球和区域环境干湿变化的检测必须考虑气温变化的作用.

全球干湿变化与大尺度背景的相关分析

20世纪50年代, Namias[36]就发现, 观测的北太平洋海表温度与大气环流异常对天气和气候变化有重要的作用;大量的研究指出海温变化与全球和区域气候变化关系密切[24,26,37,38].近年来, 关于海洋上几大涛动, 如PDO, NAO和SO等与气候变化的关系引起了广泛的关注.符淙斌等[27]发现冬季NAOI与中国东部旱涝指数有很好的滞后相关;Sahel地区区域气候变化与大尺度气候背景关系的研究也取得了很大的进展[23,39,40], 结果表明大尺度海洋的强迫是20世纪后半叶Sahel地区少雨的主要原因[41].

这些研究主要关注的是大尺度海温变化对气候各分量影响的分别研究, 如对降水和温度变化的影响, 涉及的干湿变化问题也主要体现在降水的异常变化, 而对引起气候变化的综合效应, 如环境干湿变化与大尺度气候背景的关系却研究甚少.针对这个问题, 这一节将对各大陆干湿变化的年代际变化和大尺度气候背景场PDO, NAO和SO的联系进行相关分析, 以期对全球环境的干湿变化与三大涛动的相互关系有一个清楚的认识.

在分析各大陆干湿变化与三大涛动的关系之前, 对三大涛动的基本特征作一个简单的介绍. (1) PDO:是一个类似于El Niño振荡结构的物理过程, 但它的位置位于中北太平洋和北美.在POD的暖位相, 中北太平洋海表面温度异常偏低, 而北美西海岸沿岸温度异常偏高, 冷位相则反之[42].它与ENSO的区别就在于异常持续的时间不等, PDO持续时间在20～30年左右, 而ENSO大约为6～18个月, 另外ENSO发生在热带太平洋, 而PDO在中北太平洋, 还有ENSO的机理相对比较清楚, 而PDO的形成机理尚不明晰[29,42,43]. (2) NAO:是中北美及欧洲乃至北亚冬季气候变率的一种主要模态, 它是指北大西洋地区的气压变化存在一种南北向翘翘板现象, 即格林兰地区气压升高时, 北大西洋副热带地区气压将降低, 反之亦然.

它直接同大气半永久性活动中心冰岛低压和亚速尔高压的活动有关.即当亚速尔地区气压偏高时, 冰岛地区气压偏低, 反之亦然. (3) SO:是存在于东南赤道太平洋和澳大利亚及印度尼西亚之间气压的振荡现象.当El Niño发生时, 东太平洋气压下降而西太平洋气压上升, 气压梯度减小导致低纬度向东的信风减弱.

.三大涛动是影响全球气候变化的关键过程, 它们之间既有区别又有联系.相关分析表明, PDOI与SOI呈显著的反相关, 相关系数为-0.739, 可通过0.001信度检验;NAOI与SOI的负相关也通过了95%的信度检验;PDOI与NAOI为正相关, 但不能通过95%的信度检验.说明PDO与SO有密切的相关关系而这种关系的机理可能与中纬度海温异常引起的信风变化改变了赤道地区海洋的温跃层结构, 从而进一步影响了ENSO活动的年代际尺度变化[44].

图4给出了5年滑动平均三个涛动指数序列与全球地表湿润指数5年滑动平均同期相关的分布.分析图4 (a) 发现, PDOI与地表湿润指数在年代际尺度上相关系数的空间分布结构与地表湿润指数变化趋势的分布结构 (图1 (b) ) 非常相似.

与图1 (b) 比较发现与PDOI指数成正相关的地区对应变湿趋势, 负相关区与干旱化趋势相对应.在图4 (b) 上, SOI与地表湿润指数的相关系数的全球空间分布格局与图4 (a) 基本一致, 这是由PDOI与SOI密切的关系所决定的只是相关系数的符号相反, 说明在年代际尺度上PDO和SO对全球干湿环境变化的影响具有同等重要的作用, 显著相关的区域 (阴影部分) 也基本与图4 (a) 相同, 其中在欧亚大陆、北美大陆和非洲大陆, SOI与年地表湿润指数的相关最为显著.在图4 (c) 上, 尽管NAOI与年地表湿润指数的相关系数空间分布与图4 (a) 和 (b) 的空间分布基本一致, 但差别在于它的显著相关区非常零散, 缺乏大范围显著相关的区域.说明在年代际尺度上NAO与年地表湿润指数的相关关系弱于PDO和SO两个涛动.

为了说明在不同时间尺度上各大陆区域平均地表干湿状况和三个涛动的联系, 对五个大陆的地表湿润指数进行区域平均, 然后对各个区域的地表湿润指数分别进行5和9年的滑动平均, 再依次计算各大陆地表湿润指数区域平均序列未滑动平均、5年滑动平均和9年滑动平均和所对应三个涛动指数的同期相关, 其相关系数列于表2, N1, N2和N3分别代表未滑动平均、5及9年滑动平均.可以看出:无论年际、年代际还是更长时间尺度, 非洲大陆、北美大陆地表湿润指数与PDOI的相关系数均达到99%以上的信度, 而欧亚大陆未滑动平均的地表湿润指数与PDOI的相关并不显著, 但5及9年滑动平均地表湿润指数序列与PDOI的相关系数均能达到99%以上的信度水平, 说明在5年以上时间尺度欧亚大陆的地表湿润指数与PDOI有密切的关系.

然而, 在南美大陆和澳洲大陆, N1, N2和N3三个序列都与PDOI无显著相关.对于SOI, 显著相关的两个大陆分别是非洲大陆和澳洲大陆, 无论N1, N2还是N3, 其相关系数都能通过99%的显著性检验, 而北美大陆、南美大陆和欧亚大陆的N1与SOI的相关系数都未能通过显著性检验 (未达到95%的信度水平) , 但经过5和9年平滑后的序列N2, N3与SOI的相关系数均能达到99%以上的信度水平, 说明三个大陆5年以上时间尺度的环境干湿变化和SO的变化密切相关.

对于NAOI, 除欧亚大陆和非洲大陆外, 其余三个大陆的N1, N2和N3与NAOI均不存在显著的相关关系, 而欧亚大陆在N2和N3尺度上与NAOI可达到95%的信度水平非洲大陆仅在N3尺度上可达到99%的显著相关, 说明NAO与全球大部分地区10年以下尺度的干湿环境变化同期相关关系不大, 相对于其它大陆, 受NAO影响最显著的地区仅是欧亚大陆和非洲大陆, 但主要集中在5年以上时间尺度的变化.

对于北美大陆更长时间尺度的干湿变化与PDO和北大西洋大尺度背景的关系, McCabe等[26]的研究指出, 北美大陆几十年尺度干旱频率变化的时空分布方差来自于PDO和大西洋数十年际振动 (Atlantic Multidecada Oscillation, 简称AMO) 的贡献, 但NAOI中缺乏对环境变化影响的年代际信号.从以上分析还可以看出PDO和SO在各种时间尺度上都与非洲大陆的干湿变化有密切关系.Giannini等[21]的数值模拟研究指出Sahel近期的干旱化趋势与非洲周围偏暖的海水密切相关, 特别是在所有热带海域, 海温的变化都对Sahel有着重要贡献.那么, 与非洲大陆相距遥远的中北太平洋如何影响非洲大陆的气候变化, 其相互联系的物理过程和作用机理尚不清楚, 有待于进一步深入的研究.