全球干旱／半干旱區(qū)年代尺度干濕變化研究的進(jìn)展及思考

符淙斌 馬柱國(guó)

摘要 干旱／半干旱區(qū)氣候變化研究一直是廣泛關(guān)注的前沿科學(xué)問題，尤其是氣候干濕變化規(guī)律及未來的發(fā)展趨勢(shì)。過去大量的研究揭示了全球不同干旱／半干旱區(qū)的干濕變化事實(shí)和機(jī)理，取得了一系列重要進(jìn)展，IPCC第6次評(píng)估報(bào)告明確指出未來全球干旱化將加劇，但也存在諸多問題沒有得到一致的認(rèn)識(shí)。本文將對(duì)全球變暖背景下有關(guān)干旱／半干旱區(qū)年代尺度干濕變化，特別是年代尺度干旱研究進(jìn)行梳理，系統(tǒng)評(píng)述當(dāng)前相關(guān)研究的現(xiàn)狀并提出干旱／半干旱區(qū)研究所面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題。

關(guān)鍵詞干旱／半干旱區(qū);年代尺度干濕變化;人類活動(dòng)影響

占全球陸地面積40％以上的干旱半／干旱區(qū)養(yǎng)育著世界上38％的人口，是降水變率最大的地區(qū)，也是生態(tài)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)最脆弱的地區(qū)之一（Narisma et al.，2007;Schlaepfer et al.，2017）。過去100多年，全球的降水突變事件多發(fā)生在干旱／半干旱區(qū)，由此引起的土地沙漠化、水資源短缺和生態(tài)系統(tǒng)退化已嚴(yán)重地威脅著人類的生存環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約10％～20％干旱／半干旱地區(qū)的土地發(fā)生了嚴(yán)重退化（Reynolds et al.，2007）。IPCC第6次報(bào)告已經(jīng)明確給出了全球增暖背景下干旱將加劇的結(jié)論（Douville et al.，2021;Ranasinghe et al.，2021）。20世紀(jì)60年代以后，北非持續(xù)干旱導(dǎo)致這個(gè)地區(qū)出現(xiàn)大范圍的饑荒，100多萬人被餓死，40％～50％的牲畜死亡，數(shù)以千萬計(jì)的人淪為難民（Nicholson et al.，1998），1.5～1.85億人受到饑餓的威脅，聯(lián)合國(guó)稱之為“非洲近代史上最大的人類災(zāi)難”，而且這種形勢(shì)有可能繼續(xù)加劇（Nicholson，2000，2001;Nicholson and Grist，2001;Shanahan et al.，2009;Dai，2011）。我國(guó)北方半干旱區(qū)持續(xù)30 a的干旱化引起的環(huán)境惡化及水資源短缺已嚴(yán)重制約了區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展，是氣候變化影響的重災(zāi)區(qū)（符淙斌和安芷生，2002;馬柱國(guó)等，2003;馬柱國(guó)和邵麗娟，2006;符淙斌和馬柱國(guó)，2008）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)90年代以來中國(guó)每年因干旱造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 000億元以上（符淙斌和安芷生，2002）。針對(duì)干旱／半干旱地區(qū)所面臨的嚴(yán)峻生存環(huán)境問題，聯(lián)合國(guó)早在1992年就發(fā)布了應(yīng)對(duì)沙漠化的國(guó)際公約CCD（the Convention to Combat Desertification），并把2006年定為國(guó)際沙漠和沙漠化年，相應(yīng)開展了一系列干旱／半干旱區(qū)的發(fā)展范例DDP（Drylands Development Paradigm），旨在幫助人們應(yīng)對(duì)因干旱所造成的環(huán)境危機(jī)（Reynolds et al.，2007）。占有國(guó)土面積42％的中國(guó)干旱／半干旱區(qū)，集中了全國(guó)95％的貧困人口，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中卻占有重要位置，其氣候和生態(tài)問題一直是政府和科學(xué)工作者長(zhǎng)期關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。

基于以上分析，本文將重點(diǎn)對(duì)全球干旱／半干旱區(qū)氣候干濕年代尺度長(zhǎng)期變化研究進(jìn)行梳理，目的是系統(tǒng)的總結(jié)和評(píng)述干旱／半干旱區(qū)年代尺度干濕變化研究的重要進(jìn)展，并進(jìn)一步探討當(dāng)前相關(guān)研究所存在的問題和未來研究方向。

1 干旱／半干旱區(qū)年代尺度干濕變化的事實(shí)

20世紀(jì)80年代以來，有關(guān)干旱／半干旱區(qū)年代尺度氣候變化的事實(shí)研究引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注，并開展了大量富有成效的研究（Delworth and Manabe 1993;符淙斌和黃燕，1996;王紹武和朱錦紅，1999;李崇銀等，2002;黃榮輝等，2006;馬柱國(guó)和符淙斌，2006，2007;Fu et al.，2008;Sheffield et al.，2012;Trenberth et al.，2014;Feng and Zhang，2015;Huang et al.，2016;Milly and Dunne，2016;Greve et al.2014，2019;Berg and McColl，2021;McKinnon et al.，2021），這些研究主要著眼于干旱／半干旱區(qū)的年代際尺度干濕變化，包括年代際周期變化和長(zhǎng)期趨勢(shì)。已有的研究發(fā)現(xiàn)，在全球一致增暖的背景下，干濕變化卻存在著顯著的區(qū)域差異，大陸尺度的干濕變化各不相同：非洲20世紀(jì)持續(xù)30多年的干旱化和北美半干旱區(qū)的顯著變濕趨勢(shì)等都是這種區(qū)域差異的主要表現(xiàn)（馬柱國(guó)等，2006，2007；符淙斌和馬柱國(guó)，2008）。在中國(guó)，北方氣候呈現(xiàn)“西濕東干”的蹺蹺板特征，即東部降水減小而西北西部降水呈增加趨勢(shì)，形成了明顯的區(qū)域差異。

關(guān)于全球尺度干濕變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)，盡管已開展了大量的研究，但就干濕變化趨勢(shì)的研究仍然存在兩種截然不同的觀點(diǎn)，一是認(rèn)為在全球增暖背景下，全球干旱／半干旱區(qū)的干旱將加劇，體現(xiàn)在全球干旱半干旱區(qū)在擴(kuò)張，干旱強(qiáng)度在加強(qiáng)，干的地方更干，濕的地方更濕（dry gets drier，and wet gets wetter，簡(jiǎn)稱DDWW;Held and Soden，2006;Chou et al.，2009;Feng and Fu，2015），而另一種觀點(diǎn)卻認(rèn)為全球增暖背景下，干濕過程并沒有明顯的變化趨勢(shì)，干旱過程并未加強(qiáng)（Greve et al.，2014，2019;Milly and Dunne，2016;Berg and McColl，2021）。前者認(rèn)為，在全球增暖背景下，全球和區(qū)域尺度上干旱／半干旱區(qū)的干旱在加劇，如Dai et al.（2004）的研究認(rèn)為增暖使得1950—2002年全球干旱的面積擴(kuò)大了1倍;符淙斌和安芷生（2002）最早指出，干旱化表現(xiàn)最為劇烈的地區(qū)是半干旱區(qū)，而不是干旱區(qū)的腹地。馬柱國(guó)和符淙斌（2005）進(jìn)一步從觀測(cè)資料中發(fā)現(xiàn)，從1951—2000年中國(guó)半干旱區(qū)向東南方向擴(kuò)展了100～300 km，且半干旱區(qū)的干旱化趨勢(shì)最為強(qiáng)烈（馬柱國(guó)和符淙斌，2001;Ma and Fu，2006），進(jìn)一步的研究也相繼揭示了全球和區(qū)域尺度干旱／半干旱區(qū)擴(kuò)張的特征（李明星馬住國(guó)，2012;Feng and Fu，2013;Huang et al.，2016;Li et al.，2020）。IPCC第6次報(bào)告明確指出，伴隨著全球變暖，未來全球干旱化將加?。―ouville et al.，2021），且存在著明顯的區(qū)域差異（Ranasinghe et al.，2021）。然而，一些研究卻有不同的觀點(diǎn)，如Greve et al.（2014，2019）和Greve and Seneviratne（2015）認(rèn)為，DDWW的觀點(diǎn)主要來自海洋數(shù)據(jù)的分析和假設(shè)（Held and Soden，2006;Durack et al.，2012），但在陸地上此結(jié)論并不適用。他們的結(jié)果指出，全球陸地僅有10.8％的旱區(qū)（指干旱區(qū)和半干旱區(qū)的總和）與之吻合，9.5％陸地區(qū)域與DDWW相反。分析圖1發(fā)現(xiàn)很難從降水（P）、潛在蒸散發(fā)（PET）和干旱指數(shù)（SWI=P／PET）趨勢(shì)上看出DDWW的存在。建立在基本的物理原理基礎(chǔ)上并考慮到有效能量、濕度和風(fēng)速變化的研究發(fā)現(xiàn)，1951—2010年全球的干旱幾乎沒有變化（Sheffield et al.，2012）;Milly and Dunne（2016）利用氣候模式產(chǎn)品分析認(rèn)為，全球歷史和未來干旱趨勢(shì)的強(qiáng)度沒有以前研究所指出的那么強(qiáng)，且范圍也沒有那么廣（Dai et al.，2011;Cook et al.，2014;Fu and Feng，2014;McCabe and Wolock，2015），其原因是以前的工作過高地估計(jì)了潛在蒸散發(fā)（Potential EvapoTranspiration，PET）的作用。實(shí)際上，無論是支持或者反對(duì)干旱加強(qiáng)的觀點(diǎn)，其本質(zhì)還局限在氣候干濕變化的范疇。那么到底在全球增暖背景下，全球的干旱是否呈增強(qiáng)趨勢(shì)還需要從水文的收支平衡的角度進(jìn)行綜合分析。

一個(gè)值得注意的事實(shí)是，在某些干旱／半干旱區(qū)，氣候干濕的長(zhǎng)期變化并非單一的線性趨勢(shì)，如20世紀(jì)50年代開始的北非干旱化，持續(xù)時(shí)間達(dá)35 a以上，但在20世紀(jì)80年代中期轉(zhuǎn)為降水增加趨勢(shì)，發(fā)生了顯著的轉(zhuǎn)折性變化（Giannini et al.，2003），對(duì)應(yīng)這個(gè)地區(qū)的植被覆蓋狀況也趨于好轉(zhuǎn)（Hickler et al.，2005）。與此類似，在中國(guó)的北方地區(qū)，2000年以后同樣發(fā)生了明顯的干濕轉(zhuǎn)折性變化。研究發(fā)現(xiàn)，2000年以后，中國(guó)北方過去的“西濕東干”轉(zhuǎn)換為“東濕西干”的空間格局，即華北降水由減少轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)，而西北西部轉(zhuǎn)為減少趨勢(shì)（馬柱國(guó)等，2018）。同樣的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象在其他區(qū)域也有發(fā)生（Ellis and Marston，2020）。這些現(xiàn)象說明，增暖背景下降水的長(zhǎng)期變化應(yīng)是年代際振蕩和長(zhǎng)期趨勢(shì)的疊加，未來這些轉(zhuǎn)折性變化的預(yù)測(cè)應(yīng)該是研究氣候干濕長(zhǎng)期變化的重點(diǎn)。

2 干旱／半干區(qū)氣候干濕變化的機(jī)制研究

在干旱／半干旱區(qū)，生態(tài)系統(tǒng)和水資源對(duì)氣候變化，尤其是降水的變化極其敏感。因此，干旱／半干旱地區(qū)氣候變化研究的核心問題是降水的異常變化，對(duì)其變化特征、形成機(jī)理進(jìn)行研究和對(duì)未來的預(yù)測(cè)一直是科學(xué)界和政府部門所關(guān)注的問題。近年來，中國(guó)政府提出了“一帶一路”倡議，對(duì)其沿途的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。然而，“絲綢之路”沿途國(guó)家發(fā)展的主要制約因素是有限的水資源，這些國(guó)家大多數(shù)地處干旱／半干旱區(qū)，水資源短缺嚴(yán)重地影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)干濕變化的長(zhǎng)期趨勢(shì)是滿足這些重大需求的前提，而預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)是厘清其形成的機(jī)制。

氣候干濕變化的主導(dǎo)因素有降水、氣溫、風(fēng)速等多個(gè)要素，是氣候變化過程的一個(gè)主要特征，其形成原因是氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和包含人類活動(dòng)影響的外部強(qiáng)迫，溫室氣體、土地利用／土地覆蓋、人類用水等人類活動(dòng)的介入使得干濕變化的形成過程變得尤為復(fù)雜。為了聚焦問題，這里僅從氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和對(duì)區(qū)域尺度氣候干濕變化有顯著影響的土地利用／覆蓋變化兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)述。

2.1 大尺度土地利用／覆蓋變化對(duì)氣候干濕變化的影響

近100年來，人類活動(dòng)已成為氣候變化的重要驅(qū)動(dòng)力。早在20世紀(jì)70年代，Charney et al.（1975）就提出了地表反照率和干旱之間的生物物理正反饋機(jī)制，這為開展大尺度土地利用／覆蓋變化與氣候變化的相互作用研究奠定了基礎(chǔ)，也促進(jìn)了地表覆蓋變化影響氣候變化的理論發(fā)展（Sud and Fennessy，1982;Laval and Picon，1986;Xue and Shukla，1993;Zeng et al.，1999a;符淙斌和袁慧玲，2001;Wittig et al.，2007）。Charney et al.（1975）理論的核心是認(rèn)為人類活動(dòng)對(duì)地表覆蓋的改變引起了非洲的干旱，而干旱進(jìn)一步加劇了土地荒漠化和生態(tài)系統(tǒng)的退化，隨之又加強(qiáng)了干旱，形成了一個(gè)正反饋機(jī)制。因而，一些研究把20世紀(jì)北非Sahel地區(qū)的持續(xù)干旱歸結(jié)為人類活動(dòng)對(duì)土地利用的改變（Zeng et al.，1999;Nicholson，2000;Zeng and Yoon，2009）。北美（Cook et al.，2009）和中國(guó)北方（符淙斌和袁慧玲，2001）地表過程變化在年代尺度干濕變化形成中起著重要作用。Charney et al.（1975）理論的最大貢獻(xiàn)在于把由人類活動(dòng)引起的土地利用／覆蓋變化與氣候變化聯(lián)系起來，然而，該理論及其隨后的一系列研究結(jié)果都是建立在理想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，即模式的驅(qū)動(dòng)參數(shù)被過分夸大，與實(shí)際情況并不相符，當(dāng)應(yīng)用實(shí)際的地表覆蓋數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)，并不能產(chǎn)生上述結(jié)果（Taylor et al.，2002;Wang et al.，2004）。最近的一系列研究從模式模擬和觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析兩個(gè)方面揭示了植被和大氣相互作用對(duì)干濕變化的影響。如Smith et al.（2023）的工作指出：赤道森林的砍伐能導(dǎo)致大尺度（>50 km）的降水減少，降水減少的最大值出現(xiàn)在200 km處;大尺度的植樹造林能夠使得局地蒸散發(fā)增加而引起有效水資源和流量的減少，但大氣水分再循環(huán)的增加彌補(bǔ)了這種不利影響。造林對(duì)降水的影響具有明顯的區(qū)域差異，有些地區(qū)減小，有些地方增加（Hoek van Dijke et al.，2022）;大規(guī)模的森林恢復(fù)或者植樹造林將增加全球降水（Tuninenburg et al.，2022）;Zhang et al.（2021）利用耦合了陸面模型的氣候模式模擬說明，黃土高原的植被增加引起了降水的顯著增加。然而，在干旱／半干旱區(qū)，植被恢復(fù)可能會(huì)導(dǎo)致有效水資源量的減少，加劇干旱／半干旱區(qū)水資源的供需矛盾（Sun et al.，2015;Lv et al.，2019;Hoek van Dijke et al.，2022）。

一般來講，土地利用／覆蓋變化對(duì)區(qū)域氣候變化的影響包括兩個(gè)方面：1）土地利用／覆蓋變化所引起的地表生態(tài)系統(tǒng)和大氣間能量、動(dòng)量和水分通量的改變，是地表的生物物理過程;2）土地利用／覆蓋變化改變了地表對(duì)碳的吸收，是地表的生物化學(xué)過程。但現(xiàn)有地球系統(tǒng)模式主要考慮地表的生物物理過程，地球生物化學(xué)過程考慮嚴(yán)重不足。同時(shí)，由于缺乏大范圍的陸地表面過程觀測(cè)數(shù)據(jù)，地表基本過程的特征還不甚清楚，陸面模式中關(guān)鍵參數(shù)的厘定存在著很大的不確定性，模擬的結(jié)果缺乏驗(yàn)證，無法量化其影響的大小。盡管存在上述問題，但不可否認(rèn)由土地利用／覆蓋變化引起的地表過程變化對(duì)干旱／半干旱地區(qū)年代尺度氣候變化的重要作用。近年來，全球陸面同化數(shù)據(jù)的建立、衛(wèi)星遙感信息的應(yīng)用和全球陸面實(shí)驗(yàn)觀測(cè)協(xié)同網(wǎng)絡(luò)（CEOP，Coordinated Energy and Water Cycle Observation Project）為解決上述問題提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，而高分辨率區(qū)域模式與全球氣候模式嵌套已成為研究土地利用／覆蓋變化和氣候變化相互作用機(jī)制的有效工具，這將是全球氣候變化研究的必然趨勢(shì)。

2.2 海溫對(duì)干濕長(zhǎng)期變化的影響

過去，關(guān)于海溫變化對(duì)干旱／半干旱區(qū)氣候變化影響的研究主要集中在北非、北美西部和東亞北部三個(gè)區(qū)域。過去30年，北非Sahel的干旱化是全球氣候變化研究的焦點(diǎn)問題之一。大量的研究表明，熱帶大西洋和熱帶印度洋的異常變暖對(duì)Sahel的干旱化起到?jīng)Q定性的作用（Bader and Latif，2003;Giannini et al.，2003;Hagos and Cook，2008）。Delworth and Manabe（1993）和Lu and Delworth（2005）則強(qiáng)調(diào)了全球海洋對(duì)北非干旱化的重要性。不同區(qū)域海洋影響北非氣候變化的時(shí)間尺度不同，太平洋通過ENSO過程影響了北非氣候的年際變化，而Sahel氣候的年代際特征與大西洋和印度洋的海溫變化有關(guān)（Giannini et al.，2003，2005）。北美的年代尺度干旱起因于太平洋和大西洋海溫的異常變化（Manabe et al.，2004;Pegion and Kumar，2010;Vizy and Cook，2010）;中國(guó)北方近期的干旱化與太平洋年代際振蕩（PDO）有關(guān)（Ma，2007）;其他一些研究也證明大西洋的多年代際振蕩（AMO）對(duì)美國(guó)西部及墨西哥的持續(xù)干旱有重要的影響;多模式集成的結(jié)果也指出全球海溫變化在近百年年代際干旱形成中的重要作用（Findell and Delworth，2010）。然而，盡管在實(shí)際海溫的驅(qū)動(dòng)下數(shù)值模擬能夠較好再現(xiàn)Sahel、北美和東亞年代尺度干旱的時(shí)間變化和持續(xù)性特征，但多數(shù)模式還不能準(zhǔn)確描述降水的變幅，模式模擬的比實(shí)際觀測(cè)的變幅要小。雖然在實(shí)際海溫的驅(qū)動(dòng)下模式能模擬近百年多數(shù)的年代尺度干旱，但卻無法解釋20世紀(jì)30年代沙塵暴事件（Cook et al.，2009），即使以海洋強(qiáng)迫為主要驅(qū)動(dòng)因子的模式里，對(duì)陸氣相互之間的反饋也是敏感的（Giannini et al.，2008）。看來，過去100年，全球海溫變化在年代尺度干旱形成過程中起著關(guān)鍵作用，決定了干旱的年際和年代際變化特征;而地表過程和大氣的反饋過程加強(qiáng)了氣候變化的振幅。但由于全球模式的粗分辨率特點(diǎn)，不能客觀表征不同區(qū)域下墊面的非均勻狀況，我們難以從全球模式的模擬結(jié)果中提取區(qū)域尺度地氣相互作用的可靠信號(hào)。

研究表明，有些地區(qū)降水的年代尺度變化與AMO有著顯著的關(guān)聯(lián)性，但另外一些地區(qū)的年代尺度干濕變化卻與PDO的關(guān)系密切（McCabe et al.，2004；馬柱國(guó)和邵麗娟，2006;Ma and Fu，2006;Ma，2007;Yang et al.，2017）。如研究發(fā)現(xiàn)，北非20世紀(jì)60年代開始的干旱化趨勢(shì)主要?dú)w因于AMO的影響（Shanahan et al.，2009），而PDO 與華北地區(qū)和北美西部的年代尺度干濕變化密切相關(guān)（Ma，2007;Yang et al.，2017，2019），即當(dāng)PDO處于暖位相時(shí)，華北地區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)持續(xù)干旱的時(shí)段，而北美西部則對(duì)應(yīng)一個(gè)持續(xù)多雨的時(shí)段。這些結(jié)果提升了我們對(duì)干旱／半干旱區(qū)的氣候干濕形成機(jī)理的認(rèn)識(shí)。然而過去把PDO或者AMO完全孤立起來研究其與干旱／半干旱區(qū)氣候變化的關(guān)系，這與實(shí)際情況不符。最近研究的突出進(jìn)展就是考慮了PDO和AMO的協(xié)同作用，即根據(jù)PDO和AMO的協(xié)同作用認(rèn)識(shí)年代際尺度氣候變化的機(jī)制（Yang et al.，2017;Zhang et al.，2018）。研究發(fā)現(xiàn)，PDO和AMO的協(xié)同作用主導(dǎo)了全球陸地降水的年代尺度變化（Yang et al.，2019），尤其是對(duì)干旱／半干旱地區(qū)年代尺度氣候變化的作用。值得注意的是，PDO 和AMO 對(duì)干旱／半干旱區(qū)的協(xié)同作用具有明顯的區(qū)域差異，如PDO對(duì)中國(guó)華北地區(qū)（馬柱國(guó)和邵麗娟，2006;馬柱國(guó)和符淙斌，2007）和北美西部半干旱地區(qū)降水的年代際變化產(chǎn)生重要的影響，AMO的作用次之;但在北非地區(qū)，AMO的影響則起著主導(dǎo)作用（Yang et al.，2019）。當(dāng)PDO的位相確定時(shí)，我國(guó)東部（100°E以東）

降水的年代際變化的分布格局基本確定，而AMO的作用對(duì)這種分布格局起著加強(qiáng)或者削弱的作用，即當(dāng)兩者同位相時(shí)，PDO的影響被削弱，兩者異位相時(shí)，PDO的影響被加強(qiáng)（Yang et al.，2017）。盡管目前對(duì)全球干旱／半干旱區(qū)年代際氣候變化的協(xié)同作用及這種協(xié)同作用的區(qū)域差異取得了新認(rèn)識(shí)，但仍然缺乏對(duì)各個(gè)分量在其在協(xié)同作用中的定量貢獻(xiàn)的估算，也缺乏對(duì)全球三大洋（太平洋、大西洋和印度洋）海溫的協(xié)同作用的分析。過去幾十年，中國(guó)東部降水呈現(xiàn)出顯著的年代尺度變化特征。2000年以前，中國(guó)東部降水的年代尺度變化表現(xiàn)出“南澇北旱”的空間分布格局，即華北地區(qū)降水偏少而長(zhǎng)江以南地區(qū)降水偏多，這種分布格局與PDO和AMO的協(xié)同作用具有密切的關(guān)系，且PDO主導(dǎo)這種格局的變化；2000年以后，PDO由暖位相轉(zhuǎn)為冷位相，而中國(guó)東部降水也由原來的“南澇北旱”轉(zhuǎn)變成“南旱北澇”，北方大部分地區(qū)的降水由減少趨勢(shì)轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)（馬柱國(guó)等，2018），其動(dòng)力學(xué)機(jī)制可解釋：當(dāng)PDO正位相時(shí)，赤道中東太平洋的暖SST異常會(huì)增加從海洋到大氣的感熱通量，加熱整個(gè)熱帶對(duì)流層，使其出現(xiàn)正的溫度異常;與此同時(shí)，北半球中緯度的對(duì)流層溫度會(huì)異常偏冷，從而改變北太平洋及周邊地區(qū)的經(jīng)向溫度梯度。具體來說，副熱帶到中緯度地區(qū)的經(jīng)向溫度梯度增大，根據(jù)熱成風(fēng)原理，該地區(qū)的西風(fēng)增強(qiáng);而熱帶和高緯度的經(jīng)向溫度梯度減弱，相應(yīng)地出現(xiàn)東風(fēng)異常。這種風(fēng)場(chǎng)異常使得北太平洋對(duì)流層上層出現(xiàn)“南負(fù)北正”的渦度切變，即北太平洋北部出現(xiàn)異常氣旋，而北太平洋南部出現(xiàn)異常反氣旋（圖2）。由此造成阿留申低壓增強(qiáng)，副高也增強(qiáng)，相對(duì)應(yīng)地，在對(duì)流層底層，北太平洋北部出現(xiàn)了一個(gè)大范圍的氣旋性風(fēng)場(chǎng)，在西北太平洋出現(xiàn)了一個(gè)反氣旋性風(fēng)場(chǎng)，長(zhǎng)江以南地區(qū)出現(xiàn)異常西南風(fēng)，華北地區(qū)則出現(xiàn)異常西北風(fēng)，這種異常風(fēng)場(chǎng)會(huì)削弱東亞夏季風(fēng)，阻止熱帶水汽和雨帶向北推進(jìn)，使得華北地區(qū)降水減少，而降水更多集中在長(zhǎng)江以南地區(qū)，中國(guó)東部出現(xiàn)“南澇北旱”；當(dāng)PDO負(fù)位相時(shí)，大氣環(huán)流的響應(yīng)則反向，中國(guó)東部出現(xiàn)“南旱北澇”（Yang et al.，2017）。大量研究證明，海溫的年代際變化對(duì)干旱／半干旱區(qū)的年代尺度氣候變化具有重要影響，尤其是年代尺度干濕變化。PDO 和AMO 的變化主導(dǎo)了全球陸地降水的年代際變化，而兩者的協(xié)同作用決定干旱半干旱地區(qū)降水的年代際變化特征及趨勢(shì)，它們對(duì)干旱／半干旱區(qū)影響

的相對(duì)貢獻(xiàn)大小具有明顯的區(qū)域差異。然而，現(xiàn)在還缺乏不同海域海溫的協(xié)同作用對(duì)氣候年代尺度變化相對(duì)貢獻(xiàn)的有關(guān)研究，這將是未來研究年代際氣候變化形成機(jī)理的前沿科學(xué)問題之一。

3 總結(jié)和討論

氣候干濕的長(zhǎng)期變化是直接影響水資源和生態(tài)系統(tǒng)格局變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因子。在當(dāng)前全球增暖不斷加劇的背景下，區(qū)域尺度氣候干濕變化已經(jīng)成為影響人類生存環(huán)境顯著變化的重要因素，加之人口增長(zhǎng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響達(dá)到了前所未有的程度。除氣候系統(tǒng)內(nèi)部的變率外，人類活動(dòng)的影響已經(jīng)成為干旱／半干旱區(qū)氣候變化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。過去的研究已充分地證明，不同區(qū)域間干濕的長(zhǎng)期變化存在著顯著差異，Sahel地區(qū)始于20世紀(jì)50年代中期的干旱化、華北20世紀(jì)70年代開始的干旱化、中國(guó)西北西部的氣候“暖濕化”和北美半干旱區(qū)2000年前的降水增加趨勢(shì)均是區(qū)域干濕變化的典型個(gè)例。過去大量的研究還揭示了氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率在區(qū)域氣候干濕變化中的重要作用。人類活動(dòng)影響干濕變化機(jī)理主要聚焦于CO2的影響，而對(duì)于區(qū)域尺度土地利用／覆蓋變化、人類用水等的影響還沒有得到令人信服的結(jié)論。加之，氣候干濕變化并不能完全代表水文、生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的干濕變化。因此，未來關(guān)于區(qū)域尺度人類活動(dòng)的影響將是干旱／半干旱氣候干濕變化的一個(gè)重點(diǎn)問題。深刻認(rèn)識(shí)人類活動(dòng)的影響是進(jìn)行干濕變化預(yù)測(cè)的前提，即干濕的長(zhǎng)期變化需要從自然和人類活動(dòng)影響兩個(gè)方進(jìn)行綜合研究（圖3）。作為全球變化最敏感的地區(qū)之一，干旱半干旱區(qū)的干濕長(zhǎng)期變化研究應(yīng)關(guān)注以下問題：

1） 人類活動(dòng)，尤其是區(qū)域尺度植被變化、農(nóng)業(yè)灌溉、城市化、人工水體對(duì)區(qū)域干濕變化的影響;

2） 區(qū)域尺度上氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率和各種人類活動(dòng)影響的相對(duì)貢獻(xiàn)，尤其是要量化各因素影響的大小;

3） 氣候干濕變化、水文干濕變化、生態(tài)系統(tǒng)干濕變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)干濕變化的相互關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)化機(jī)制及預(yù)測(cè)。

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·ARTICLE·

Progress and reflection on the study of interdecadal changes in dry and wet conditions in global arid and semiarid regions

FU Congbin1，MA Zhuguo2

1Nanjing University，Nanjing 210044，China;

2Key Laboratory of Regional Climate and Environment for Temperate East Asia，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

Abstract The investigation of climate change in arid and semiarid regions has long been a prominent scientific issue of extensive interest，particularly concerning the patterns and future trends of dry and wet climatic variations.Previous research has made significant advancements in unraveling the facts and mechanisms underlying these climatic changes across diverse arid and semiarid regions worldwide.Although the 6th IPCC evaluation report indicates a projected exacerbation of global aridity trends in the future，several contentious issues persist.This paper provides a comprehensive review of studies focusing on interdecadal changes in dry and wet conditions，particularly interdecadal drought，in arid and semiarid regions within the context of global warming.The current state of related research is systematically analyzed，and key scientific challenges faced by arid and semiarid region studies are identified.

Keywords arid／semiarid regions;interdecadal dry and wet changes;impact of human activities

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230517001

（責(zé)任編輯：張福穎）