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中国西北变暖湿了没?中科院:不可盲目乐观
发布日期:2019-10-03 19:25   来源:未知   阅读:

  9月29日,中国科学院官方微信号“中科院之声”就此前热传的“中国西北变暖变湿”发表了文章,指出天气是短期的,而气候是长期的,某一两次的天气过程并不意味着长期趋势的扭转,需要多考察几年。

  文章承认,西北部分地区出现了短期降水过程,也有植被的改善,但干湿状况不仅要看降水,还要看蒸发。西北大部分区域降水量远低于潜在蒸发量,而且在全球变暖的影响下,西北区域温度的增幅远超全球平均,由此带来的潜在蒸发量增加巨大,远超降水增幅,会导致这些区域干旱化更为严重。

  而植被能够恢复,部分是因为雪线衰退导致融水增加,还有部分是因为国家的治理工程改善了生态,这些应该继续坚持,但对西北的干湿状况不可盲目乐观。

  我国西北地区大多处于非季风区,降雨较少,气候干旱,自古以来有不少诗歌描写了边塞雄伟壮阔又荒凉寂寞的景象。然而最近,西北地区变湿变暖成了个热点话题:朋友圈里流传的一张聊天截图让人热血沸腾,“气候临界点在今年出现了……”、“新疆的植被,以一年一百五十公里的速度在狂奔”、“降水过了秦岭了,如果能保持10年,黄河就会变清了……”。

  在笔者看来,这一波传播里有不少不严谨、似是而非的用语,需要认真讨论。其中公众和媒体对于科学语言的陌生和解读,可能是引起误解的真正原因。尽管不少科学论文里有提到西北“暖湿化”,但“暖湿化”的核心是“化”,代表了在某一个时间段的趋势,向“暖湿”转化只表示向“暖湿”有了发展,至于什么时候可以达到“暖湿”,文献里并未明确说明。

  事实上气候的两个极端状态,A干旱和B湿润,两个状态之间有着万里之遥,从A向B的方向迈出几步,并不表明一定可以到达B点,一方面距离尚远,另一方面变化可能会有反复。最重要的是,全球变暖的大背景可能让A和B之间的距离变得更遥远。

  本以为是出现了新的研究,仔细一看原来说的是个老话题,西北气候由”冷干”向“暖湿”转型的研究在2002、2003年时已经由当时中科院寒旱所施雅风院士和沈永平研究员等提出过,体现在:1)西北部分地区降水增加;2)冰川融水径流增加(例如新疆乌鲁木齐河1号);3)部分湖面上升面积增大(例如博斯腾湖);4)部分河流洪水增加;5)沙尘暴减少;6)部分区域植被地貌变绿。

  至于媒体里提到的植被地貌变绿等,在施雅风先生2002年《资源环境》的文章里也已经提到“气候转型降水量增多地区,已显现出植被繁茂生长的景象,我们在旅行中可以看到这些地区初级生产力草地一片葱绿”,施雅风也注意到卫星资料的NDVI数据显示“90年代西北在植被覆盖普遍减小,土地沙化和荒漠化严重,但是在天山西部、伊犁河流域、新疆北部、青海南部等地区有植被覆盖明显增加的趋势”。

  在给出降水增多、部分地区植被改善、湖泊上升等变化之后,施雅风院士笔锋一转提出了问题:“西北部降水量增长趋势明显,但在与蒸发增长平衡后,西北气候是否已确实出现由冷干向暖湿转变迹象,仍需具体深入探讨。”因此关于部分地区降水增多是否意味着西北正由“冷干”向“暖湿”转换,尚未有明确结论。

  另外,施雅风院士也在文章里给出了评论:“西北深处亚洲大陆内部远离海洋水汽源的地理位置和经长期演变所形成的沙漠和戈壁广布的极端干旱下垫面,严格限制了为空中补充本地水汽,从而将降低降水增加率,再加上较长时间过度的地下水开发、植被破坏、土壤水分减少所导致的生态环境恶化,也增加了气候转型的困难程度,故西北气候转型有其局限性,不宜过分夸大其作用。”

  尽管还没有明确的结论,但是西北变“暖湿”的想法还是让很多人异常兴奋,并给中央写建议,认为应该趁着西北气候好转,进一步加快开发的步伐和力度。

  后来中央把此建议交予中国科学院,中国科学院就此征询叶笃正院士的意见,叶先生和其他科学家共同参与了讨论,并对这个地区的数据进行了分析,最后的结论是:尽管近20年这个地区降水增加趋势明显,但其增加绝对值并不大,并不能说明这个地区的水资源承载能力发生质的变化。这个认识后来基本就成了业内共识。

  一个地方的干湿状况取决于多个因子,最主要的参数是降水量和蒸发量,简单来说,如果降水量超过潜在蒸发量,则这个地方气候湿润,反之该地气候特征为干旱。因此衡量一个地区的干湿变化,并不简单基于降水,而是要综合考虑降水和蒸发的共同作用,考核干旱指数的变化情况。常用的干旱指数包括标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散发指数(SPEI)、自适应帕默尔指数(scPDSI)、DSI等。

  图2. 敦煌气象局大型蒸发器(E-601B型蒸发器),干旱的敦煌年潜在蒸发量约为2500毫米。

  西北地区(以新疆、甘肃西部、内蒙古西部为主体)是全球最干旱的区域之一,距离四大洋都非常遥远:南边与印度洋隔着西藏高原,东边与太平洋隔着黄土高原、蒙古高原和河西走廊,西边与大西洋隔着欧洲大陆、乌拉尔山和帕米尔高原,北边与北冰洋隔着阿尔泰山脉和天山山脉。这些地方降水稀少,绝大多数地区年降水不足100毫米,部分地区年降水甚至不足50毫米。

  然而这一区域是我国日照和太阳辐射最强的区域,蒸发量非常大,潜在蒸发量可以超过2000毫米。这意味着即使有长江流域的年降水量(1000-1200毫米),也不足以应对这里强大的蒸发量,因此干旱和水资源紧缺是西北地区的最重要特征。

  图3. 用潜在蒸发量与降水量之差表示的干湿指数(单位:mm),如果某地蒸发量大于降水量,则气候特征为干旱,反之,如果蒸发量小于降水量,则这个地方气候湿润。西北地区蒸发量远大于降水量,是极端干旱的区域。所谓“春风不度玉门关”,西北的水汽来源主要来自于西风带。

  由于降水与潜在蒸发差了一个数量级,因此西北变“湿”基本上是个伪命题,只要降水量还远远小于潜在蒸发量,任何降水的增加只是意味着极端干旱状况的些许缓解,并不能说明西北变得“暖湿”起来。做一个简单的估计,西北地区干湿状况要发生质的变化,年降水量需要达到至少500mm以上,目前没有任何一个研究可以支持这样大幅度的变化。

  有一点值得注意,在考察干旱/湿润化变化中,各个干旱指数特征有所差别,其核心是如何考察温度、太阳辐射、风速和水文变化等导致的蒸发的变化,有些干旱指数不考虑温度变化,有些干旱指数不考虑水文过程,有些参数依赖于陆面模式的模拟性能,在计算潜在蒸发时,也有不同的计算方案,这些都会影响对于干湿趋势变化的判断。

  如果仅仅考察降水变化,在上世纪80年代中期之后,西北绝大多数地区降水确实有所增加,Wei and Wang (2013)分析西北47个气象观测站年平均降水量,结果表明,在1960-1986之间的平均年降水量为110mm,而1987-2009之间增加到134mm,增幅达到20%,降水确实有所增加。

  在此期间,西北的温度也随之增加,温度增幅不仅比全球平均高,而且也高于中国东部区域,1960-76的平均温度约为7.33度,而1997-2009平均温度达到8.69度,增加了1.36度,尤其是2000年之后的增速达到每十年约0.6度,增幅远超全球平均数值的每十年约0.177度。

  增温带来潜在蒸发的变化,这47个站的平均潜在蒸发在90年代中期以前约为675mm,而在90年代中后期之后增加到720mm以上,增加约45mm,增幅远超过了降水的增幅(24mm)。

  图4. 1960-2013年期间西北47个测站年平均降水量变化序列,80年代中期之后降水比之前有大幅增加,图片来自于Wei and Wang (2013)。

  综合考虑降水和蒸发之后,可以计算反应干湿变化的干旱指数,图7是把90年代末前后的两个气候态干旱指数(SPEI)做差,从而确定这段时间的干湿变化情况。红色表示干旱化持续发展,干旱指数的分析并不支持西北向更湿发展。

  图7. 1997年前后干旱指数SPEI的变化,红色圆点表示干旱化持续发展,图片来自于Wei and Wang (2013)

  气象学家马柱国研究员采用其他两种干旱指数(scPDSI和SWI)分析了我国北方干旱化的变化情况,结果均显示西北地区在2000年以后有变干的特征。

  最近气象学家黄建平教授团队在《大气科学进展》发表文章综述了中国半干旱区的变化,指出:1994年至2008年间,中国的半干旱地区比1948年至1962年间增长了33%,这主要是由半湿润、湿润区转干而来。

  值得注意的是,关于西北区域干湿趋势变化的研究不少,各个研究之间结论差别还不小,甚至完全相反,其中的差异主要集中于三个问题,这些都是研究中的“坑”:

  1)趋势的分析需要注意计算趋势的时间段,目前在对西北干湿变化的研究中,如果数据起始点在上世纪六十年代及以前,则大多得到“暖湿化”的趋势,而如果主要讨论过去30年的变化,则主要得到“干旱化”的趋势,趋势分析一定要与研究的时间段对应起来,不然不具有可比性。

  2)干旱指数的不一致,各个研究之间的不一致,还有很大一部分来自于所参考的干旱化指数,其中的核心为是否考虑到了温度增加引起的蒸发变化,由于各个指数基于不同的参数,有各自适用的区域和气候特点,是否适用于西北干旱区,其实是个很值得深入讨论的科学问题。

  3)西北区域站点稀疏,部分数据缺乏其他数据的印证和检验,数据的代表性和可用性也值得深入讨论,这也会影响最终的结论。

  西北地区植被覆盖的变化有多个影响因子,例如,我国实施退耕还林还草已经有20年,对自然生态系统的人为保护作用是很多地方变绿的主要原因。另外,新疆塔里木河综合治理工程,投资超过100多亿,对于塔里木河的河流健康和生态安全起到了重要作用,部分植被的恢复来源于治理工程的效果。全球变暖带来冰雪消融加剧,部分水资源的增加,并不是来自于降水和环境的改善,而是冰冻圈衰退的结果。

  沙漠和戈壁并非不毛之地,只要有降水,就会有绿色和生机,除了考察短期的绿色之外,还要考察植物存活的时间与持续性,考察整个季节的变化,以及较长时间的变化。

  笔者专门咨询了研究北方干旱化的一位业内“大牛”,“大牛”讲述了一些考察的经历:

  2012年参加中科院天山南北水资源考察,那个地区以前打的井有一半以上抽不上水,说明降水的增加并没有使这里的水资源格局发生质的变化。在河套地区的几次考察中,当地的水利部门在座谈会上强调,河套地区的缺水状况还是比较严峻。

  因此,短期的植被变化并不代表着西北地区气候改善。事实上西北地区降水日数并未显著增多,降水量增多很大程度是因为单场降水变得更强。在气候变暖背景下,出现极端降水的概率加大。极端降水对一个地区长期的气候并不会产生正面的影响,反而会造成一些气候灾害。

  西北地区近几年确实不少地区出现降水增强,以敦煌为例,敦煌年平均降水量为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日下了两场暴雨,敦煌市的降雨量分别达到19.1mm和22.6mm,两场降水总量即超过敦煌市年平均降水量。在降水之后,敦煌戈壁滩里泛起了白白的盐花,并且生出无数的小草,确实是让人可喜的变化。然而天气和气候有着本质的差别,天气指的是短期的过程,而气候是较长时间的平均,因此某一年的天气过程并不意味着长期趋势的扭转,需要多考察几年。

  尽管气候模式预测未来西北降水量会有所增加,但是模式间的一致性较差,说明目前气候模式对这一区域的预估还存在不确定性,多模式合成的降水增幅不超过30%,远不足以产生干湿状况的质变。

  图9.多模式比较计划给出的在高排放情形下(RCP8.5)全球降水的增幅,西北区域并不是全球降水变化显著的区域,模式间的一致性较差,说明目前气候模式对这一区域的预估还存在不确定性,多模式合成的降水增幅不超过30%,并不能从根本上改变这一区域极端干旱的气候状态。图片来自于IPCC AR5(2013)

  尽管西北部分地区出现了短期降水过程和植被改善,但是一个区域的干湿状况取决于降水与蒸发的共同作用。西北大部分区域降水量远低于潜在蒸发量,部分区域甚至相差一个数量级,目前的降水增加并不能从质上改变这一区域干旱的状况,西北变“湿”基本上是一个伪命题。

  在全球变暖的影响下,西北区域温度的增幅远超全球平均和东部区域,由此带来的潜在蒸发量增加巨大,在大部分区域远超降水增幅,导致这些区域干旱化更为严重。

  天气与气候有着本质的差别,天气指的是短期的过程,而气候是较长时间的平均,因此某一两次的天气过程并不意味着长期趋势的扭转,需要多考察几年。

  我国北方大部分区域进行退耕还林还草坚持20年,生态得到显著的改善,应继续坚持。西北区域属于我国极端干旱区域,随着经济发展,水资源和生态压力将持续存在,不可盲目乐观。

  发展节水技术、合理利用水资源、保护生态将是西北地区可持续发展的基本保障。