中亚地处欧亚大陆腹地，位于世界上最大的干旱半干旱带的核心区，同时又是我国天气系统的上游关键区。作为极端干旱区的中亚，平均年降水量小于100mm，生态系统脆弱，因干旱所引发的水资源短缺、生态环境恶化及跨境河流争端等问题愈发突出，因此，中亚的气候干湿变化对全球变暖的响应成为当前气候变化领域的热点问题，同时对我国灾害性天气的发生发展和区域气候变化也有十分重要的指示意义。
以往研究在讨论中亚气候干湿变化问题时发现中亚地区过去温度上升迅速、水循环加速，降水和径流量增加显著，但也有研究指出中亚的湖泊面积、冰川面积和陆地水储量下降明显，与降水增加所表现出的变湿趋势表现出不一致性。这种差异从何而来？这是因为对于湿润地区，降水的量级远大于蒸散发，一般将降水作为衡量气候干湿变化的指标；而对于极端干旱的中亚地区，降水大多被蒸散发所平衡，降水难以全面表征干湿变化。即与降水增加所伴随的蒸散发量加强是湖泊面积、范围和数量下降的主要原因。为了综合考虑了降水和实际蒸散发对水循环的影响，本研究利用降水和蒸散发之差（P-E）衡量干湿变化。P-E在大气水分收支中与水汽辐合相平衡，在地表水分收支中与陆地产水量相平衡，是大气水分平衡和地表水分平衡的桥梁，故本研究以P-E为指标从大气水分平衡和地表水分平衡两方面对中亚干湿变化进行量化归因。
图1. 1982-2019年中亚（左）P、（中）E和（右）P-E的经向平均（a）、（b）、（c）气候态（单位：mm 6 mon-1）和（d）、（e）、（f）长期趋势（单位：mm 6 mon-1 38 years-1）。
基于过去40年降水和蒸散发的气候态值，本研究发现4-9月P-E小于0，这表明地表水分收支为负值，故定义为干季（暖季）；10-3月P-E大于0，则定义为湿季（冷季）。图1表明，中亚地区过去近四十年降水和蒸散发都呈增加趋势，但干季蒸散发的增加强于降水，而湿季降水的增加强于蒸散发，从而形成了干季变干（P-E降低）、湿季变湿（P-E增加）的特征。从时间变化看，湿季降水、蒸散发、P-E在1982-2000年间为下降趋势，2001-2019年间为上升趋势；干季P-E则相反，转折点均出现在2000年前后，这表明“干季变干、湿季变湿”的特征是P-E在20世纪末年代际突变所导致的。本研究通过前后两时段的对比进一步对中亚年代际干湿变化进行量化归因。
图2. (a、c、e)湿季和(b、d、f)干季(a、b)再循环率、(c、d)内部降水(单位:mm 6mon-1)和(e、f)外部降水(单位:mm 6mon-1)在1982-2000年和2001-2019年的空间差异分布。虚线区域表示在0.1水平下差异显著。
将Budyko模型和潜在蒸散发的Penman-Monteith算法相结合对地表水分平衡进行量化归因。影响P-E的因子有降水、饱和水汽压差（VPD）、风速、2m温度和地表净辐射，后四项决定潜在蒸散发量。分析2001-2019年与1982-2000年的差异发现，在湿季，降水增加对P-E起正贡献，同时VPD的减弱和净辐射的减弱使蒸散发减小，从而使湿季变湿；在干季，虽然降水也在增加，但导致蒸散发增长率强于降水增长率，对P-E起负贡献，同时净辐射的增加和风速的减小使蒸散发加强，从而使干季变干。
利用Dynamic precipitation recycling model（DRM）降水再循环模型对大气水分平衡进行量化归因。这里将外来水汽平流输送导致的降水称为外部降水，本地蒸散发所引起的降水称为内部降水，内部降水占总降水的比例称为再循环率。研究发现，中亚地区的水汽主要来源于中亚本地、欧亚大陆、大西洋、印度洋、北非和西亚。从1982-2000年间到2001–2019年间（图2），湿季再循环率基本维持在24%，净流入水分量增加72.85 kg m-1s-1，外部降水增长11.93 mm/6month，内部降水仅增加5.96 mm/6month，说明湿季变湿是外来流入水汽量增加起主导贡献，欧亚大陆中西部的外部水汽输送增加最为显著；而在干季，再循环率由52.77%增加至57.46%，净流入水分流量减少74.41 kg m-1s-1，内部降水增加16.10 mm/6month，而外部降水仅增加3.18 mm/6month，表明干季变干是由于来自欧亚大陆中西部的外部水汽输送减少和当地蒸散发增加所引起的。
图3. 2001-2019年和1982-2000年(a)干季和(c)湿季海温的差异（已去除全球平均海温的趋势，探讨海温的年代际变化）。(b) 1982-2019年湿季红框内平均海温与200 hPa位势高度的9年低通滤波回归系数。(d)同(b)，但为干季。
湿季变湿、干季变干的年代际变化与北大西洋海温异常有密切关系。20世纪末北大西洋海温由负位相转为正位相，所激发的年代际尺度纬向行星波造成湿季中亚上空为高压和低压交界，有利于西边界和北边界的水汽净流入；干季中亚上空表现为低压，有利于南边界水汽流入，但同时增强了西边界和北边界的水汽流出，从而造成净水汽通量减少（图3）。
图4. 中亚气候干湿年代际变化的形成机制
本研究的特色在于综合考虑降水和蒸散发的共同作用，将地表水分平衡和大气水分平衡两方面相结合探究了中亚近四十年的干湿变化格局，从大气-地表水循环全过程量化了干湿变化成因，指出北大西洋年代际位相转换对中亚干湿变化起重要调控作用，为探究旱区干湿变化提供了新视角（图4），为厘清中亚气候变化规律，制定极端干旱区水资源管理和防灾减灾政策提供了参考。
该研究由中国科学院西北生态环境资源研究院与兰州大学、中国科学院大气物理研究所、中国气象局兰州干旱气象研究所等单位共同合作完成，发表在2022年3月的Journal of Climate期刊上。中国科学院西北生态环境资源研究院于海鹏研究员为论文通讯作者，兰州大学大气科学学院研究生任钰为第一作者。
【论文信息】
Ren, Y., H. Yu, C. Liu, Y. He, J. Huang, L. Zhang, H. Hu, Q. Zhang, S. Chen, X. Liu, M. Zhang, Y. Wei, Y. Yang, W. Fan, & J. Zhou, 2021: Attribution of Dry and Wet Climatic Changes over Central Asia. Journal of Climate, 35,1399-1421. doi: 10.1175/JCLI-D-21-0329.1
原文链接：https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/35/5/JCLI-D-21-0329.1.xml
