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中國西北在變暖變濕嗎?中科院做出了回應

發布時間:2019-09-30 16:56:48 來源:中科院之聲 責任編輯:caobo

中國西北在變暖變濕嗎?中科院也回應了。

9月29日,中國科學院官方微信號“中科院之聲”就此前熱傳的“中國西北變暖變濕”發表了文章,指出天氣是短期的,而氣候是長期的,某一兩次的天氣過程并不意味著長期趨勢的扭轉,需要多考察幾年。

文章承認,西北部分地區出現了短期降水過程,也有植被的改善,但干濕狀況不僅要看降水,還要看蒸發。西北大部分區域降水量遠低于潛在蒸發量,而且在全球變暖的影響下,西北區域溫度的增幅遠超全球平均,由此帶來的潛在蒸發量增加巨大,遠超降水增幅,會導致這些區域干旱化更為嚴重。

而植被能夠恢復,部分是因為雪線衰退導致融水增加,還有部分是因為國家的治理工程改善了生態,這些應該繼續堅持,但對西北的干濕狀況不可盲目樂觀。

1. 一個令人振奮的“好消息”?

我國西北地區大多處于非季風區,降雨較少,氣候干旱,自古以來有不少詩歌描寫了邊塞雄偉壯闊又荒涼寂寞的景象。然而最近,西北地區變濕變暖成了個熱點話題:朋友圈里流傳的一張聊天截圖讓人熱血沸騰,“氣候臨界點在今年出現了……”、“新疆的植被,以一年一百五十公里的速度在狂奔”、“降水過了秦嶺了,如果能保持10年,黃河就會變清了……”。

一些媒體也給出了大標題“真正的大事:寒冷干旱的中國西北正在變暖變濕”。

在筆者看來,這一波傳播里有不少不嚴謹、似是而非的用語,需要認真討論。其中公眾和媒體對于科學語言的陌生和解讀,可能是引起誤解的真正原因。盡管不少科學論文里有提到西北“暖濕化”,但“暖濕化”的核心是“化”,代表了在某一個時間段的趨勢,向“暖濕”轉化只表示向“暖濕”有了發展,至于什么時候可以達到“暖濕”,文獻里并未明確說明。

事實上氣候的兩個極端狀態,A干旱和B濕潤,兩個狀態之間有著萬里之遙,從A向B的方向邁出幾步,并不表明一定可以到達B點,一方面距離尚遠,另一方面變化可能會有反復。最重要的是,全球變暖的大背景可能讓A和B之間的距離變得更遙遠。

2. 西北變“暖濕”是個老話題

本以為是出現了新的研究,仔細一看原來說的是個老話題,西北氣候由”冷干”向“暖濕”轉型的研究在2002、2003年時已經由當時中科院寒旱所施雅風院士和沈永平研究員等提出過,體現在:1)西北部分地區降水增加;2)冰川融水徑流增加(例如新疆烏魯木齊河1號);3)部分湖面上升面積增大(例如博斯騰湖);4)部分河流洪水增加;5)沙塵暴減少;6)部分區域植被地貌變綠。

至于媒體里提到的植被地貌變綠等,在施雅風先生2002年《資源環境》的文章里也已經提到,施雅風也注意到衛星資料的NDVI數據顯示“90年代西北在植被覆蓋普遍減小,土地沙化和荒漠化嚴重,但是在天山西部、伊犁河流域、新疆北部、青海南部等地區有植被覆蓋明顯增加的趨勢”。

圖1.“西出陽關無故人”,陽關以外的戈壁地貌。

在給出降水增多、部分地區植被改善、湖泊上升等變化之后,施雅風院士筆鋒一轉提出了問題:“西北部降水量增長趨勢明顯,但在與蒸發增長平衡后,西北氣候是否已確實出現由冷干向暖濕轉變跡象,仍需具體深入探討。”因此關于部分地區降水增多是否意味著西北正由“冷干”向“暖濕”轉換,尚未有明確結論。

另外,施雅風院士也在文章里給出了評論:“西北深處亞洲大陸內部遠離海洋水汽源的地理位置和經長期演變所形成的沙漠和戈壁廣布的極端干旱下墊面,嚴格限制了為空中補充本地水汽,從而將降低降水增加率,再加上較長時間過度的地下水開發、植被破壞、土壤水分減少所導致的生態環境惡化,也增加了氣候轉型的困難程度,故西北氣候轉型有其局限性,不宜過分夸大其作用。”

盡管還沒有明確的結論,但是西北變“暖濕”的想法還是讓很多人異常興奮,并給中央寫建議,認為應該趁著西北氣候好轉,進一步加快開發的步伐和力度。

盡管近20年這個地區降水增加趨勢明顯,但其增加絕對值并不大,并不能說明這個地區的水資源承載能力發

后來中央把此建議交予中國科學院,中國科學院就此征詢葉篤正院士的意見,葉先生和其他科學家共同參與了討論,并對這個地區的數據進行了分析,最后的結論是:這個認識后來基本就成了業內共識。

3. 地區的干濕狀況如何判斷?

一個地方的干濕狀況取決于多個因子,最主要的參數是降水量和蒸發量,簡單來說,如果降水量超過潛在蒸發量,則這個地方氣候濕潤,反之該地氣候特征為干旱。因此衡量一個地區的干濕變化,并不簡單基于降水,而是要綜合考慮降水和蒸發的共同作用,考核干旱指數的變化情況。常用的干旱指數包括標準化降水指數(SPI)、標準化降水蒸散發指數(SPEI)、自適應帕默爾指數(scPDSI)、DSI等。

圖2. 敦煌氣象局大型蒸發器(E-601B型蒸發器),干旱的敦煌年潛在蒸發量約為2500毫米。

西北地區(以新疆、甘肅西部、內蒙古西部為主體)是全球最干旱的區域之一,距離四大洋都非常遙遠:南邊與印度洋隔著西藏高原,東邊與太平洋隔著黃土高原、蒙古高原和河西走廊,西邊與大西洋隔著歐洲大陸、烏拉爾山和帕米爾高原,北邊與北冰洋隔著阿爾泰山脈和天山山脈。這些地方降水稀少,絕大多數地區年降水不足100毫米,部分地區年降水甚至不足50毫米。

然而這一區域是我國日照和太陽輻射最強的區域,蒸發量非常大,潛在蒸發量可以超過2000毫米。

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圖3. 用潛在蒸發量與降水量之差表示的干濕指數(單位:mm),如果某地蒸發量大于降水量,則氣候特征為干旱,反之,如果蒸發量小于降水量,則這個地方氣候濕潤。西北地區蒸發量遠大于降水量,是極端干旱的區域。所謂“春風不度玉門關”,西北的水汽來源主要來自于西風帶。

只要降水量還遠遠小于潛在蒸發量,任何降水的增加只是意味著極端干旱狀況的些許緩解,并不能說明西北變得“暖濕”起來。

由于降水與潛在蒸發差了一個數量級,因此西北變“濕”基本上是個偽命題,做一個簡單的估計,

有一點值得注意,在考察干旱/濕潤化變化中,各個干旱指數特征有所差別,其核心是如何考察溫度、太陽輻射、風速和水文變化等導致的蒸發的變化,有些干旱指數不考慮溫度變化,有些干旱指數不考慮水文過程,有些參數依賴于陸面模式的模擬性能,在計算潛在蒸發時,也有不同的計算方案,這些都會影響對于干濕趨勢變化的判斷。

4. 西北地區干濕變化情況怎么樣?

如果僅僅考察降水變化,在上世紀80年代中期之后,西北絕大多數地區降水確實有所增加

,Wei and Wang (2013)分析西北47個氣象觀測站年平均降水量,結果表明,在1960-1986之間的平均年降水量為110mm,而1987-2009之間增加到134mm,增幅達到20%,降水確實有所增加。

在此期間,西北的溫度也隨之增加,溫度增幅不僅比全球平均高,而且也高于中國東部區域,1960-76的平均溫度約為7.33度,而1997-2009平均溫度達到8.69度,增加了1.36度,尤其是2000年之后的增速達到每十年約0.6度,增幅遠超全球平均數值的每十年約0.177度。

蒸發的變化

增溫帶來潛在,這47個站的平均潛在蒸發在90年代中期以前約為675mm,而在90年代中后期之后增加到720mm以上,增加約45mm,(24mm)。

圖4. 1960-2013年期間西北47個測站年平均降水量變化序列,80年代中期之后降水比之前有大幅增加,圖片來自于Wei and Wang (2013)。

圖5. 1960-2013年期間西北47個測站年平均溫度變化序列,增溫趨勢明顯,圖片來自于Wei and Wang (2013)。

圖6. 1960-2013年期間西北47個測站年平均潛在蒸發的變化序列,90年代中期有突變增加, 圖片來自于Wei and Wang (2013)。

綜合考慮降水和蒸發之后,可以計算反應干濕變化的干旱指數,圖7是把90年代末前后的兩個氣候態干旱指數(SPEI)做差,從而確定這段時間的干濕變化情況。紅色表示干旱化持續發展,干旱指數的分析并不支持西北向更濕發展。

圖7. 1997年前后干旱指數SPEI的變化,紅色圓點表示干旱化持續發展,圖片來自于Wei and Wang (2013)

氣象學家馬柱國研究員采用其他兩種干旱指數(scPDSI和SWI)分析了我國北方干旱化的變化情況,結果均顯示西北地區在2000年以后有變干的特征。

最近氣象學家黃建平教授團隊在《大氣科學進展》發表文章綜述了中國半干旱區的變化,指出:1994年至2008年間,中國的半干旱地區比1948年至1962年間增長了33%,這主要是由半濕潤、濕潤區轉干而來。

值得注意的是,關于西北區域干濕趨勢變化的研究不少,各個研究之間結論差別還不小,甚至完全相反,其中的差異主要集中于三個問題,這些都是研究中的“坑”:

如果數據起始點在上世紀六十年代及以前,則大多得到“暖濕化”的趨勢,而如果主要討論過去30年的變化,則主要得到“干旱化”的趨勢

1)趨勢的分析需要注意計算趨勢的時間段,目前在對西北干濕變化的研究中,,趨勢分析一定要與研究的時間段對應起來,不然不具有可比性。

其中的核心為是否考慮到了溫度增加引起的蒸發變化

2)干旱指數的不一致,各個研究之間的不一致,還有很大一部分來自于所參考的干旱化指數,,由于各個指數基于不同的參數,有各自適用的區域和氣候特點,是否適用于西北干旱區,其實是個很值得深入討論的科學問題。

3)西北區域站點稀疏,部分數據缺乏其他數據的印證和檢驗,數據的代表性和可用性也值得深入討論,這也會影響最終的結論。

5. 植被變化≠氣候狀態變化

部分植被的恢復來源于治理工程的效果。全球變暖帶來冰雪消融加劇,部分水資源的增加,并不是來自于降水和環境的改善,而是冰凍圈衰退的結果。

西北地區植被覆蓋的變化有多個影響因子,例如,我國實施退耕還林還草已經有20年,對自然生態系統的人為保護作用是很多地方變綠的主要原因。另外,新疆塔里木河綜合治理工程,投資超過100多億,對于塔里木河的河流健康和生態安全起到了重要作用,

沙漠和戈壁并非不毛之地,只要有降水,就會有綠色和生機,除了考察短期的綠色之外,還要考察植物存活的時間與持續性,考察整個季節的變化,以及較長時間的變化。

筆者專門咨詢了研究北方干旱化的一位業內“大牛”,“大牛”講述了一些考察的經歷:

2012年參加中科院天山南北水資源考察,那個地區以前打的井有一半以上抽不上水,說明降水的增加并沒有使這里的水資源格局發生質的變化。在河套地區的幾次考察中,當地的水利部門在座談會上強調,河套地區的缺水狀況還是比較嚴峻。

因此,短期的植被變化并不代表著西北地區氣候改善。事實上西北地區降水日數并未顯著增多,降水量增多很大程度是因為單場降水變得更強。在氣候變暖背景下,出現極端降水的概率加大。極端降水對一個地區長期的氣候并不會產生正面的影響,反而會造成一些氣候災害。

圖8. 2019年7月,兩場雨之后,敦煌的沙漠里長出沙蓬的幼苗。

西北地區近幾年確實不少地區出現降水增強,以敦煌為例,敦煌年平均降水量為39.8毫米、夏季降水量22.5毫米、7月降水量10.7毫米,在2019年7月6日和7月16日下了兩場暴雨,敦煌市的降雨量分別達到19.1mm和22.6mm,兩場降水總量即超過敦煌市年平均降水量。在降水之后,敦煌戈壁灘里泛起了白白的鹽花,并且生出無數的小草,確實是讓人可喜的變化。然而天氣和氣候有著本質的差別,天氣指的是短期的過程,而氣候是較長時間的平均,因此某一年的天氣過程并不意味著長期趨勢的扭轉,需要多考察幾年。

6. 未來的變化

盡管氣候模式預測未來西北降水量會有所增加,但是模式間的一致性較差,說明目前氣候模式對這一區域的預估還存在不確定性,多模式合成的降水增幅不超過30%,遠不足以產生干濕狀況的質變。

圖9.多模式比較計劃給出的在高排放情形下(RCP8.5)全球降水的增幅,西北區域并不是全球降水變化顯著的區域,模式間的一致性較差,說明目前氣候模式對這一區域的預估還存在不確定性,多模式合成的降水增幅不超過30%,并不能從根本上改變這一區域極端干旱的氣候狀態。圖片來自于IPCC AR5(2013)

7. 總結與思考

盡管西北部分地區出現了短期降水過程和植被改善,但是一個區域的干濕狀況取決于降水與蒸發的共同作用。西北大部分區域降水量遠低于潛在蒸發量,部分區域甚至相差一個數量級,目前的降水增加并不能從質上改變這一區域干旱的狀況,西北變“濕”基本上是一個偽命題。

在全球變暖的影響下,西北區域溫度的增幅遠超全球平均和東部區域,由此帶來的潛在蒸發量增加巨大,在大部分區域遠超降水增幅,導致這些區域干旱化更為嚴重。

天氣與氣候有著本質的差別,天氣指的是短期的過程,而氣候是較長時間的平均,因此某一兩次的天氣過程并不意味著長期趨勢的扭轉,需要多考察幾年。

我國北方大部分區域進行退耕還林還草堅持20年,生態得到顯著的改善,應繼續堅持。西北區域屬于我國極端干旱區域,隨著經濟發展,水資源和生態壓力將持續存在,不可盲目樂觀。

發展節水技術、合理利用水資源、保護生態將是西北地區可持續發展的基本保障。

(來源:中國科學院大氣物理研究所 魏科)

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