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气候系统内部变率加剧近30年中亚农业干旱

  农业干旱是指由于降水不足和蒸发过度而导致的土壤水分亏损,在生长季会影响作物生产和生态系统功能。2021年春末夏初,中亚大部分地区遭受了严重的农业干旱,对农业和畜牧业造成了严重影响,这引发了人们对农业干旱的成因及其未来可能变化问题的高度关注。2021年的中亚极端农业干旱并非一次偶然事件,在过去30年中,受当地温度持续升高和降水减少的影响,中亚土壤湿度在生长季初期显著降低,农业干旱加剧,令该地区面临严峻的生态环境挑战。理解中亚农业干旱长期变化的成因,是可靠预测其未来变化的先决条件。

  近日,中国科学院大气物理研究所LASG国家重点实验室周天军研究员课题组在《自然-地球科学》发表题为“气候系统内部变率加剧中亚农业干旱”的研究论文,指出人为外强迫和太平洋年代际振荡(IPO)主导的气候系统内部变率通过调控温度和降水的变化,共同导致过去30年中亚南部地区农业干旱在生长季初期(4-6月)变强;在RCP8.5情景下(一种高温室气体排放情景,在该情景下,由于人口增多、技术革新率不高和能源结构调整缓慢,导致长时期的高能源需求及高温室气体排放),IPO内部变率能够调节未来几十年农业干旱变化的幅度,但难以逆转人类活动导致的农业干旱长期增强趋势。

  土壤湿度是表征农业干旱的直接指标,其变化由温度和降水变化共同决定;温度和降水的长期变化受人为外强迫(包括人为温室气体和气溶胶排放、土地利用造成的下垫面变化等)和气候系统内部变率的共同影响。该研究工作利用多套大样本的气候模式集合模拟试验,有效分离了人为外强迫和气候系统内部变率在生长季初期对中亚南部土壤湿度长期变化的影响。研究发现,在温室气体排放引起的辐射强迫主导下,过去半个世纪以来中亚地区快速升温,土壤水分蒸发蒸腾加强,土壤湿度降低。同时,中亚南部生长季初期土壤湿度的变化还受到IPO的调控。IPO是太平洋海温的一种20-30年准周期的年代际振荡现象,当其处于正位相时,热带中东太平洋海温偏暖、副热带西太平洋海温偏冷;反之亦然。观测中,IPO在1990年代后经历了位相的由正转负,造成春季降水减少,这加剧了随后生长季初期土壤湿度的降低。

  “综合观测数据、气候模拟数据分析和物理机制理解,我们定量估算了人为外强迫和IPO对1990年代以来中亚南部土壤湿度变化的贡献,发现二者对历史变化的贡献彼此相当,气候系统内部变率加剧了人为因子引起的近30年中亚农业干旱的增强趋势”,论文第一作者、中国科学院大气物理研究所博士后江洁进一步指出。

  该研究工作在揭示土壤湿度历史变化的物理机制基础上,针对中亚农业干旱的未来变化问题,讨论了人为外强迫和IPO的影响。在RCP8.5情景下,受温室气体排放引起的增温影响,中亚南部农业干旱未来将进一步加剧。此外,IPO在未来仍是影响中亚南部农业干旱的关键内部变率模态。计算表明,在2021-2040年间,如果IPO位相经历2个历史标准差强度的由正转负,则人为活动引起的土壤湿度的变干趋势将增强75%;反之,若IPO位相经历2个历史标准差强度的由负转正,则人为活动引起的土壤湿度的变干趋势将被缓解60%。

  气候预估本质是考察气候系统对辐射强迫的响应问题,因此传统上多关注世纪尺度的长期变化态势。但是应对气候变化的科学决策需要进一步给出近期、中期和长期的几十年平均的气候状况,这就需要考虑IPO等气候系统固有的几十年尺度的内部变率的影响。本文针对农业干旱预估问题提供了一种定量估算内部变率影响的有效方案。“IPO无法逆转RCP8.5情景下人为活动导致的土壤湿度长期下降趋势,但其位相转变引起的降水变化能够在一定程度上调节土壤湿度降低的幅度。因此,对IPO未来位相转变的准确预测对于中亚农业干旱近期年代际预估具有重要意义,而这也是目前气候预测研究领域的难点之一”,论文通讯作者周天军研究员强调。

  “我们此前的研究发现,在不同气候预估情景下,伴随着大气中水汽的增多,中亚地区春季降水将显著增多。然而,降水的增加并不就一定意味着干旱的减轻,因为还需要考虑蒸散发的影响。同时考虑降水和蒸散发的干旱指数表明21世纪中亚地区气象干旱会更加严重,”江洁博士补充说。“在这项研究工作中,我们分析发现在人为外强迫影响下,尽管未来春季降水增多,但由于温度升高导致的蒸发蒸腾的加强,由土壤湿度所表征的农业干旱依然将加剧。”

  周天军研究员最后指出:“中亚是丝绸之路沿线的气候敏感区,农业在该地区的国民经济发展中占据重要地位,农业干旱的加剧势必对社会经济发展造成严重影响。除农业干旱以外,还有越来越多的研究证据表明,若不采取切实有效的温室气体减排措施,未来中亚地区还将面临愈发严峻的气象干旱和水文干旱的影响。多种类型干旱的共同影响,意味着有必要从全球治理的角度针对该地区制定系统的风险管理计划,以有效应对气候变化的影响。”

  该研究受国家自然科学基金“青藏高原地球系统基础科学中心项目”(41988101)、中国科学院“丝路环境”战略先导项目(XDA20060102)和中国博士后基金项目(2022M713093)共同资助。

  参考文献:

  Jiang, J. & Zhou, T.* Agricultural drought over water-scarce Central Asia aggravated by internal climate variability. Nature Geoscience (2023). Doi: 10.1038/s41561-022-01111-0

  链接:

  https://www.nature.com/articles/s41561-022-01111-0

图1 1992-2020年4-6月中亚南部土壤湿度变化趋势(单位:%/十年),黑色为不同土壤湿度产品平均结果,紫色为外强迫作用结果,橙色为外强迫和IPO位相转换共同作用结果

图2 不同模式模拟和预估的4-6月中亚南部土壤湿度变化,所示结果为相对于当前气候态(1995-2014年)异常值(单位:%)

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