我國西北地區(qū)干濕變化特征及其未來預(yù)估

李學(xué)武 張京朋 趙天保 李福原 趙廷寧

1 國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院，北京 100714

2 北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083

3 河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 210098

4 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100

5 中國科學(xué)院大氣物理研究所東亞區(qū)域氣候—環(huán)境重點實驗室，北京 100029

1 引言

我國西北地區(qū)深居亞歐大陸腹地，遠離海洋，地形地貌復(fù)雜，同時受到青藏高原大地形的阻擋，水汽難以抵達，使得該區(qū)域降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，是氣候和生態(tài)系統(tǒng)的過渡地帶，對氣候變化極其敏感（張強等,2000），是近百年來增溫最顯著的區(qū)域之一（Huang et al.,2017a）。其氣候變化不僅持續(xù)影響著該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境、水資源安全及自然災(zāi)害風(fēng)險，還直接關(guān)乎國家西部大開發(fā)、黃河流域生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展大計。因此，長期以來西北地區(qū)的氣候變化一直是國內(nèi)外科學(xué)界關(guān)注的焦點問題。

降水是制約我國西北地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的重要氣候因素。眾多研究表明，自19 世紀(jì)末以來西北地區(qū)一直呈現(xiàn)出波動性的暖干化趨勢（王宗太,1991;翟盤茂等,1999;謝金南和周嘉陵,2001;王紹武和董光榮,2002），即使在20 世紀(jì)50～80 年代該區(qū)域的降水仍然呈減少趨勢（陳隆勛等,1991），直接或間接造成西北地區(qū)冰川加速消融、植被和綠洲持續(xù)退化、濕地和湖泊面積顯著減小甚至消失（秦大河等,2002）。然而，21 世紀(jì)初有研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)氣候可能正在發(fā)生從暖干向暖濕轉(zhuǎn)型（施雅風(fēng)等,2002,2003），并且西北西部目前已經(jīng)轉(zhuǎn)為暖濕化（宋連春和張存杰,2003;張存杰等,2003），這可能是由于大氣環(huán)流異常導(dǎo)致的（Li et al.,2016a）。對西北地區(qū)降水的未來預(yù)估顯示，在RCP2.6 和 RCP4.5 情景下，西北西部降水呈增加趨勢，尤其青藏高原和天山山脈降水增幅最大，而西北東部降水呈下降趨勢（Wang and Chen,2014;馮蜀青等,2019）。但也有研究指出，西北東部的降水具有較大的不確定性，需要進一步的研究（李明等,2021）。

土壤濕度反映了地表水文過程，是衡量干濕變化的重要指標(biāo)。不少學(xué)者的研究表明，我國西北西部土壤濕度呈現(xiàn)增加的趨勢，而西北東部則是減少的（馬柱國和符淙斌,2006;李明星等,2011），并且降水對土壤濕度的影響為正，而溫度對土壤濕度的影響為負，降水對土壤濕度的正效應(yīng)大于溫度對土壤濕度的負效應(yīng)（Wang et al.,2018）。但也有研究表明，20 世紀(jì)80 年代以來西北西部土壤濕度呈現(xiàn)減小趨勢（王磊等,2008;張蕾等,2016），而這種趨勢未來將會更加明顯（劉珂和姜大膀,2015）。造成這種結(jié)果差異的原因可能是在于西北地區(qū)土壤濕度觀測站點稀少，與基于遙感數(shù)據(jù)和模型反演的土壤濕度數(shù)據(jù)的研究結(jié)果存在較大的偏差。

徑流是西北地區(qū)水資源的重要組成部分，占到了水資源總量的85%以上（陳亞寧等,2014），是該地區(qū)氣候變化的晴雨表。研究表明，1960 年以來，西北地區(qū)西部河川徑流增加，特別是在疏勒河、黑河和阿克蘇河等流域的地表徑流量增加明顯（Li et al.,2016b；He et al.,2019），而西北東部徑流逐漸減少（Qin et al.,2016）。與歷史時期不同，西北地區(qū)徑流未來將會呈上升趨勢，大部分地區(qū)的徑流量增幅將超過10%（Wang et al.,2012;Guo and Shen,2016），尤其是黃河流域上游地區(qū)，在高排放情境下，徑流增加的區(qū)域超過了70%（Zhang et al.,2017）。

干旱指數(shù)也常被用來研究區(qū)域氣候干濕變化。目前，標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)和帕爾默干旱強度指數(shù)已被廣泛應(yīng)用于干旱的監(jiān)測研究。大量研究表明，近50 年西北地區(qū)東部趨向干旱化，而西北西部呈濕潤化趨勢（Huang et al.,2017b;Wang et al.,2017;Yang et al.,2017;胡子瑛等,2018），其中冬季濕潤化趨勢更加顯著（胡子瑛等,2018）；并且西北地區(qū)這種干濕變化主要是受到大西洋濤動、北大西洋濤動和太平洋年代記振蕩等大尺度環(huán)流因子的影響（Wang et al.,2017;李明等,2021）。然而，由于不同干旱指標(biāo)考慮的因素不同，結(jié)果也存在一定的差異。Wei and Wang（2013）基于3 種干旱指數(shù)研究了西北地區(qū)的干濕變化，發(fā)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)的結(jié)果與前人研究一致，而基于標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)和自校準(zhǔn)帕爾默干旱強度指數(shù)的結(jié)果顯示，西北西部地區(qū)向更干的趨勢發(fā)展，同時指出蒸發(fā)的增加抵消了降水的增加，區(qū)域趨向暖干化。此外，基于CMIP6 多模式自校準(zhǔn)帕爾默干旱強度指數(shù)的預(yù)估結(jié)果顯示，西北地區(qū)在21 世紀(jì)呈現(xiàn)出逐漸變濕的趨勢（Chen et al.,2023），但變濕幅度的不確定性較大。

綜上所述，盡管目前仍存在爭議，但大量的研究認為近半個世紀(jì)我國西北地區(qū)呈現(xiàn)氣候暖濕化趨勢，而隨著全球持續(xù)增暖，目前西北地區(qū)這種暖濕化趨勢是否加??？未來又如何變化？目前仍備受關(guān)注。鑒于此，本研究試圖基于以上4 個重要的干濕變量（降水量、土壤濕度、徑流量和干旱指數(shù)），針對先前研究提出的西北氣候暖濕化轉(zhuǎn)型的觀點，利用更長和更全面的資料，系統(tǒng)分析西北地區(qū)暖濕化的時空演變特征；并利用最新發(fā)布的CMIP6 多模式對未來干濕變化進行預(yù)估分析，進而為西北地區(qū)應(yīng)對氣候變化提供參考依據(jù)。

2 資料和方法

2.1 研究區(qū)域

我國西北地區(qū)地域遼闊，位于（31.5°N～48.5°N，73.3°E～111.5°E），包括新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、青海省、甘肅省和陜西省（圖1），面積約為310.87×104km2，占中國陸地面積的32.38%。除陜西南部為溫帶季風(fēng)氣候之外，其他地區(qū)全年降水較少，氣候干旱，形成典型的大陸性干旱半干旱氣候。本研究為了更詳細地了解西北地區(qū)的干濕變化特征，依據(jù)常見的西北區(qū)域分區(qū)的方法，以100°E 為界（Huang et al.,2017b），將西北地區(qū)劃分為西北西部和西北東部。

圖1 研究區(qū)位置及海拔示意圖Fig.1 Location and elevation of the study area

2.2 數(shù)據(jù)資料

為了更加全面系統(tǒng)地了解西北地區(qū)的干濕變化特征，本文選取了降水量、土壤濕度、徑流量和干旱指數(shù)4 個干濕變量進行研究。所采用的的降水資料來源于國家氣象信息中心研發(fā)的中國地面降水0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度）格點數(shù)據(jù)集V2.0（http://data.cma.cn/[2022-06-01]），該數(shù)據(jù)集基于全國2472個國家級臺站逐月降水資料，采用薄盤樣條法，引入數(shù)字高程資料，經(jīng)過降水量開平方預(yù)處理、三次樣條插值而來。土壤濕度資料為美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）氣候預(yù)測中心（CPC）提供的全球0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度）月平均陸地表面水文格點化數(shù)據(jù)（Fan and van den Dool,2004;https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.cpcsoil.html[2022-06-01]），時間范圍為1948 年1 月至2022 年5 月，該數(shù)據(jù)集已廣泛應(yīng)用于中國區(qū)域的相關(guān)研究（樊風(fēng)等,2015）。所采用的徑流數(shù)據(jù)融合了全球徑流觀測資料和一套通過機器學(xué)習(xí)創(chuàng)建的全球多強迫再分析徑流數(shù)據(jù)（Ghiggi et al.,2019,2021），目前已廣泛應(yīng)用于水文學(xué)研究（Zhao et al.,2021），資料下載地址https://figshare.com/articles/dataset/G-RUN_ENSEMBLE/12794075[2022-06-01]。干旱指數(shù)選用的是自校準(zhǔn)帕爾默干旱指數(shù)（self-calibrating Palmer Drought Severity Index,scPDSI），與帕爾默干旱指數(shù)（Palmer Drought Severity Index,PDSI）相比，scPDSI 具有更好的空間可比較性（Dai,2011），該數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度），時間范圍為1901 年1 月至2020 年12 月。

本文利用最新發(fā)布的第六次國際耦合模式比較計劃（CMIP6）多模式輸出結(jié)果對未來干濕特征進行預(yù)估研究。相較于CMIP5 模式，CMIP6 模式具有更精細的空間分辨率、更先進的云微物理過程參數(shù)化方案以及更復(fù)雜的地球系統(tǒng)過程（Eyring et al.,2019）。在未來情景方面，CMIP6 模式采用社會經(jīng)濟情景和氣候情景相結(jié)合的新框架。雖然CMIP6 中新排放情景下的輻射強迫（SSPs）與CMIP5 的典型濃度路徑（RCPs）相似，但CO2和非CO2的排放路徑和混合排放路徑不同，新的SSPs 情景模式從2015 年開始預(yù)測，而RCPs 起始時間為2006 年。考慮模式資料的可利用性和完整性，本文主要選取了25 個CMIP6 模式的中等輻射強迫情景（SSP2-4.5）和高等輻射強迫情景（SSP5-8.5）兩種排放情景下的未來預(yù)估試驗（Riahi et al.,2017）（有關(guān)模式試驗的基本信息請參考表1，詳細信息可參考https://esgf-node.llnl.gov/.[2022-05-01]）。

表1 CMIP6 多模式資料的基本信息Table 1 Basic information of CMIP6 models

2.3 分析方法

本文選取1961～2020 年作為歷史時段進行分析，分別比較了全年、冷季（11 月至次年3 月）和暖季（5～9 月）4 個干濕變量的時空演變特征。為了匹配觀測數(shù)據(jù)和氣候模式資料的空間分辨率，使用雙線性插值法將CMIP6 多模式輸出結(jié)果統(tǒng)一插值到0.5°（緯度）×0.5°（經(jīng)度）的網(wǎng)格上。研究中所用的距平值是相對于歷史基準(zhǔn)時期（1961～1990 年）計算而來的，未來預(yù)估主要關(guān)注21 世紀(jì)中期（2031～2060 年）和末期（2071～2100 年）兩個不同時段。干濕變量的線性趨勢通過“穩(wěn)健擬合方法”確定，該方法考慮了異常值和端點值的影響（Street et al.,1988）。

3 結(jié)果分析

3.1 歷史氣候平均態(tài)

本文首先考察了近60 年我國西北地區(qū)4 個干濕變量的氣候平均態(tài)（圖2）。年降水量呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的空間分布，其中陜西南部受到季風(fēng)的影響，降水量達到了800 mm 以上，而遠離海洋的新疆塔克拉瑪干沙漠地區(qū)的降水量則不足100 mm；冷暖季節(jié)降水量的空間分布類似，但冷季降水量明顯低于暖季，說明年降水量主要來源于暖季。由于降水量直接影響著土壤濕度的多少，因此二者的空間分布格局相似，土壤濕度在陜西南部達到400 mm 以上，而在新疆南部部分地區(qū)則小于40 mm；但與降水量不同的是，土壤濕度冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異，這可能是由于冬季西北地區(qū)氣溫普遍較低，土壤含水量蒸發(fā)較小導(dǎo)致的。同樣，徑流量與降水量密切相關(guān)，二者的空間分布也較為一致；而隨著全球增暖加劇，大量的高山冰川融化，導(dǎo)致青藏高原、昆侖山和祁連山等地區(qū)的年均地表徑流量超過了200 mm；由于冷季降水量少、冰川凍結(jié)，導(dǎo)致徑流量明顯低于暖季，西北地區(qū)全境徑流量在30 mm 以下。干旱指數(shù)的空間分布與前面三個變量并不一致，我國西北大部分地區(qū)呈現(xiàn)出干旱的情況，其中新疆塔克拉瑪干沙漠和甘肅西部等部分地區(qū)的干旱程度（scPDSI＜-1.5）高于其他地區(qū)，新疆東南部、祁連山東北部和陜西南部等少數(shù)地區(qū)則較為濕潤（scPDSI＞1）；并且冷暖季節(jié)干旱指數(shù)差異不大，說明其基本不受冷暖季節(jié)變化的影響。

圖2 1961～2020 年我國西北地區(qū)年（左列）、暖季（中列）和冷季（右列）（a1-a3）降水量、（b1-b3）土壤濕度、（c1-c3）徑流量和（d1-d3）干旱指數(shù)的氣候態(tài)分布Fig.2 Climatology distributions of (a1-a3) precipitation,(b1-b3) soil moisture,(c1-c3) runoff,and (d1-d3) drought index of year (left),warm season (middle),and cold season (right) in Northwest China from 1961 to 2020

3.2 時空演變規(guī)律

圖3 顯示的是4 個干濕變量1991～2020 年相較于1961～1990 年的變化。降水量在西北西部呈現(xiàn)明顯增加的變化，特別是在新疆北部、青海西部和北部等地區(qū)增加顯著，增幅超過了60 mm；而在西北東部大部分地區(qū)則是減少的，尤其是陜西西南部減少了70 mm 左右；并且暖季降水量的變化明顯大于冷季。土壤濕度在我國西北大部分地區(qū)是增加的，尤其是在新疆北部、青海西南部和東北部等西北西部地區(qū)增加尤為明顯（＞40 mm），而在甘肅東南部、陜西南部等地區(qū)則是減小的（＞30 mm）；與氣候平均態(tài)相似，土壤濕度的變化在冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異。徑流量除了在青海南部地區(qū)顯著增加之外，在其他大部分地區(qū)則是減少的，特別是在青海北部和昆侖山地區(qū)減少明顯（＞30 mm）；暖季的變化量對年均變化量貢獻較大，冷季的變化較小。對于干旱指數(shù)而言，西北東部地區(qū)呈現(xiàn)減少的變化，其中在陜西和甘肅東部等地區(qū)顯著減小，西北西部大部分地區(qū)則是增加的，特別在新疆西部和青海等地增加值超過了2；與氣候平均態(tài)相似，干旱指數(shù)的變化在冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異。1961～2020 年4 個干濕變量線性趨勢的空間分布特征（圖4）與圖3 較為類似。

圖3 1991～2020 年我國西北地區(qū)年（左列）、暖季（中列）和冷季（右列）（a1-a3）降水量、（b1-b3）土壤濕度、（c1-c3）徑流量和（d1-d3）干旱指數(shù)相對1961～1990 年的變化，帶點區(qū)域為通過95%信度檢驗的區(qū)域Fig.3 Changes of (a1-a3) precipitation,(b1-b3) soil moisture,(c1-c3) runoff,and (d1-d3) drought index of year (left),warm season (middle),and cold season (right) in Northwest China from 1991 to 2020 compared with 1961-1990.Regions above 95% confidence level are dotted

圖4 1961～2020 年我國西北地區(qū)年（左列）、暖季（中列）和冷季（右列）（a1-a3）降水量、（b1-b3）土壤濕度、（c1-c3）徑流量和（d1-d3）干旱指數(shù)的線性趨勢，帶點區(qū)域為通過95%信度檢驗的區(qū)域Fig.4 Linear trends of (a1-a3) precipitation,(b1-b3) soil moisture,(c1-c3) runoff,and (d1-d3) drought index of year (left),warm season (middle),and cold season (right) in Northwest China from 1991 to 2020.Regions above 95% confidence level are dotted

為了進一步考察干濕特征的長期演變，我們又分析了4 個干濕變量在整個西北地區(qū)和東西部分區(qū)的時間變化（圖5）以及長期趨勢的統(tǒng)計結(jié)果（圖6）。整體來看，西北地區(qū)年降水量呈現(xiàn)波動上升的趨勢（5.07 mm/10 a），特別是2000 年后上升趨勢更加顯著，并且增加值主要來源于西北西部，該區(qū)域的降水量在1961～2020 年呈現(xiàn)顯著增加的變化（6.39 mm/10 a），這可能是由于大氣環(huán)流異常導(dǎo)致的（Li et al.,2016a）；而西北東部的降水量在1961～2000 年呈現(xiàn)減小的趨勢，而在2000 年后明顯增加，整體的增幅較?。?.76 mm/10 a），并且沒有通過95% 的信度檢驗；從冷暖季節(jié)來看，暖季降水量的變化幅度明顯大于冷季。西北地區(qū)和西北西部的土壤濕度在1961～2000 年變化并不顯著，而在2000 年后顯著增加，整個時間段上呈現(xiàn)出顯著增加的趨勢（3.89 mm/10 a 和4.29 mm/10 a），而西北東部的土壤濕度在2000 年之前呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，而在2000 年后增加明顯，整體的增幅較?。?.54 mm/10 a），并且沒有通過顯著性檢驗；冷暖季節(jié)土壤濕度的變化較為一致，但暖季的增幅稍大于冷季。有關(guān)土壤濕度的發(fā)現(xiàn)與李明星等（2011）的研究結(jié)論基本一致，但也有研究表明，20 世紀(jì)80 年代以來西北西部土壤濕度呈現(xiàn)減小趨勢（王磊等,2008;張蕾等,2016），而這種趨勢未來將會更加明顯（劉珂和姜大膀,2015）。造成這種結(jié)果差異的原因可能是在于西北地區(qū)土壤濕度觀測站點稀少，與基于遙感數(shù)據(jù)和模型反演的土壤濕度數(shù)據(jù)的研究結(jié)果存在較大的偏差。與以上二者不同的是，西北地區(qū)年徑流量整體上呈現(xiàn)減少的趨勢，減少幅度為-0.91 mm/10 a（未通過95%的信度檢驗），并且這種減少趨勢主要集中在西北西部地區(qū)（-1.08 mm/10 a，通過了95% 的信度檢驗），徑流量減少的主要原因是全球變暖導(dǎo)致冰川面積逐年減少（徐宗學(xué)等,2007），另外，由于人類活動導(dǎo)致的下墊面發(fā)生改變也有可能破壞原有的蓄水條件（李明等,2021）；相反，在西北東部則呈現(xiàn)出增加的趨勢（0.71 mm/10 a，未通過95% 的信度檢驗）；從不同時段來看，西北地區(qū)年徑流量在2000 年之前呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，而2000 年后顯著增加；與降水量類似，徑流量在暖季的變化趨勢明顯大于冷季。對干旱指數(shù)而言，在西北地區(qū)和西北西部均呈現(xiàn)出一致顯著增加的趨勢（增幅分別為0.26/10 a 和0.35/10 a），而西北東部在2000 年之前顯著減小，在2000 年之后呈現(xiàn)增加的趨勢；與土壤濕度類似，冷暖季節(jié)干旱指數(shù)的變化并無顯著差異。西北地區(qū)干旱指數(shù)的變化主要是受到大西洋濤動、北大西洋濤動和太平洋年代記振蕩等大尺度環(huán)流因子的影響（Wang et al.,2017;李明等,2021）。該結(jié)論再次表明了西北地區(qū)的氣候正在從暖干向暖濕轉(zhuǎn)型（施雅風(fēng)等,2002,2003）。

圖5 1961～2020 年我國西北地區(qū)（左列）、西北西部（中列）和西北東部（右列）（a1-a3）降水量、（b1-b3）土壤濕度、（c1-c3）徑流量和（d1-d3）干旱指數(shù)的距平時間序列Fig.5 Time series of (a1-a3) precipitation,(b1-b3) soil moisture,(c1-c3) runoff,and (d1-d3) drought index anomalies in the whole of Northwest China (left),western of Northwest China (middle),and eastern of Northwest China (right) from 1961 to 2020

圖6 1961～2020 年我國西北地區(qū)（a）降水量、（b）土壤濕度、（c）徑流量和（d）干旱指數(shù)的長期趨勢統(tǒng)計（*表示統(tǒng)計結(jié)果通過了95%的信度檢驗）Fig.6 Long-term trend statistics of (a) precipitation,(b) soil moisture,(c) runoff,and (d) drought index in Northwest China from 1961 to 2020(* indicates that the statistical results above 95% confidence level)

3.3 未來情景預(yù)估

圖7 和圖8 分別給出了中等輻射強迫情景（SSP2-4.5）和高等輻射強迫情景（SSP5-8.5）下，CMIP6 多模式模擬預(yù)估的四個干濕變量在21 世紀(jì)中期（2031～2060 年）和后期（2071～2100 年）相較于歷史基準(zhǔn)時期（1961～1990 年）的變化?？梢姡赟SP2-4.5 情境下，21 世紀(jì)中期和后期西北地區(qū)降水一致呈現(xiàn)出增加的變化，其中增加的幅度基本呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的分布格局，并且相較于21 世紀(jì)中期，后期的增幅更明顯；在SSP5-8.5 情景下，未來降水變化的空間分布與SSP2-4.5情景基本類似，但降水變化強度明顯增大，特別是在21 世紀(jì)后期降水在青海南部等地的增幅達到了200 mm。土壤濕度在青海南部、甘肅南部和陜西南部等地區(qū)呈現(xiàn)出減少的變化，其他地區(qū)則是增加的，尤其是在陜西北部等地區(qū)增加顯著，并且在SSP5-8.5 情境下這種增加的幅度更明顯。除了新疆中部少數(shù)地區(qū)之外，徑流量在西北大部分地區(qū)是增加的，西北南部和東部增幅更明顯；和降水量相似，21 世紀(jì)后期徑流量的增幅相較21 世紀(jì)中期更顯著，SSP5-8.5 情境下的增幅相較SSP2-4.5 更顯著。對干旱指數(shù)而言，除了青海東南部、陜西南部和甘肅東南部等少數(shù)地區(qū)之外，在其他大部分地區(qū)是增加的，尤其是在新疆南部的增幅顯著；并且21 世紀(jì)后期的增幅相較21 世紀(jì)中期更顯著，SSP5-8.5 情境下的增幅相較SSP2-4.5 更顯著。需要強調(diào)的是，土壤濕度和干旱指數(shù)在西北地區(qū)南部減少的原因可能是由于氣溫升高對土壤濕度的負效應(yīng)大于降水增加對土壤濕度的正效應(yīng)，這與劉珂和姜大膀（2015）的研究結(jié)果一致。

圖7 在SSP2-4.5 情境下CMIP6 多模式集合模擬預(yù)估的西北地區(qū)（a1、a2）降水量、（b1、b2）土壤濕度、（c1、c2）徑流量和（d1、d2）干旱指數(shù)在21 世紀(jì)中期（2031～2060 年，左列）和后期（2071～2100 年，右列）相對歷史基準(zhǔn)時期（1961～1990 年）的變化。帶點區(qū)域表示至少80%的模式顯示為正（或者為負）Fig.7 (a1,a2) Precipitation,(b1,b2) soil moisture,(c1,c2) runoff,and (d1,d2) drought index predicted by CMIP6 models under the SSP2-4.5 in Northwest China in the middle (2031-2060,left) and later (2071-2100,right) of the 21st century relative to the historical reference period(1961-1990).Dotted areas indicate that at least 80% of the models are displayed as positive (or negative)

圖8 同圖7，但為SSP5-8.5 情境Fig.8 Same as Fig.7,but for SSP5-8.5

從區(qū)域平均結(jié)果來看（表2 和圖9），CMIP6多模式預(yù)估的降水在整個西北地區(qū)和東西部兩個分區(qū)均呈現(xiàn)一致增加的趨勢，尤其是在西北東部增加的幅度更明顯，SSP5-8.5 情境下的增幅（19.55 mm/10 a）相較SSP2-4.5（11.98 mm/10 a）更顯著。雖然土壤濕度的預(yù)估結(jié)果相較于歷史時期是增加的，但增加量并不是特別顯著，變化幅度在-0.45～0.29 之間。這可能是因為由氣溫升高對土壤濕度的負效應(yīng)與由降水增加對土壤濕度的正效應(yīng)相抵消導(dǎo)致的。徑流量和干旱指數(shù)與降水類似，在兩種排放情境下均呈現(xiàn)一致增加的趨勢，SSP5-8.5 情境下的增幅相較SSP2-4.5 更顯著；徑流量在西北東部增加的幅度更明顯，而干旱指數(shù)在西北西部的增幅更大。因此，未來我國西北地區(qū)將會持續(xù)出現(xiàn)濕潤化的趨勢，并且更高排放情境下的濕潤化趨勢更加明顯。需要指出的是，不同的SSP 情景下，降水變化在21 世紀(jì)后期有較大區(qū)別，但是其他變量卻不是很明顯，這可能是由于外強迫（如人類活動引起的溫室氣體和氣溶膠）對氣溫長期變化趨勢以及變率的影響要遠大于降水，而降水的變化特別是區(qū)域尺度上的降水主要還是受氣候系統(tǒng)內(nèi)部自然變率的調(diào)控。土壤濕度、徑流以及干旱指數(shù)等干旱指標(biāo)的長期變化主要受降水和蒸發(fā)的共同作用。外強迫引起的增溫作用使得降水增加，但也使得大氣蒸發(fā)需求增加，這將會使土壤中多余的水分蒸發(fā)到大氣中，從而使土壤濕度、徑流以及干旱指數(shù)不呈現(xiàn)明顯增加趨勢。另外，相較于歷史時期，未來時期多模式預(yù)估結(jié)果的不確定性（圖中陰影區(qū)）明顯變大，其中高排放情景下的不確定性普遍大于中低排放情景，其背后的物理機制和成因尚待進一步深入分析研究。

表2 CMIP6 多模式模擬預(yù)估的4 個干濕變量2021～2100 年的趨勢統(tǒng)計Table 2 Trend statistics of four dry and wet variables from 2021 to 2100 predicted by CMIP6 models

圖9 CMIP6 多模式模擬預(yù)估的西北地區(qū)（左列）、西北西部（中列）和西北東部（右列）（a1-a3）降水量、（b1-b3）土壤濕度、（c1-c3）徑流量和（d1-d3）干旱指數(shù)距平時間序列（陰影區(qū)表示多模式的標(biāo)準(zhǔn)差）Fig.9 Time series of (a1-a3) precipitation,(b1-b3) soil moisture,(c1-c3) runoff,and (d1-d3) drought index anomalies predicted by CMIP6 models in the whole of Northwest China (left),western of Northwest China (middle),and eastern of Northwest China (right) (shaded area indicates the standard deviation of the multi-models)

4 結(jié)論與討論

本文針對先前研究提出的西北氣候暖濕化轉(zhuǎn)型的觀點，基于4 個重要的干濕變量（降水量、土壤濕度、徑流量和干旱指數(shù)），系統(tǒng)分析了我國西北地區(qū)干濕演變規(guī)律，并利用最新發(fā)布的CMIP6 多模式對未來干濕變化進行預(yù)估分析。所得結(jié)論如下：

（1）氣候平均態(tài)：降水量和徑流量均呈現(xiàn)出由東南向西北遞減的空間分布，冷暖季節(jié)降水量的空間分布類似，但冷季降水量和徑流量明顯低于暖季。土壤濕度和前二者的空間分布格局相似，但土壤濕度冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異。干旱指數(shù)的空間分布與前面三個變量并不一致，西北大部分地區(qū)呈現(xiàn)出干旱的情況，并且冷暖季節(jié)干旱指數(shù)差異不大。

（2）空間演變：近30 年（1991～2020 年）相較于1961～1990 年，降水量在西北西部顯著增加，而在西北東部大部分地區(qū)則是減少的，并且暖季降水量的變化明顯大于冷季。而土壤濕度在我國西北大部分地區(qū)是增加的，土壤濕度的變化在冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異。徑流量除了在青海南部地區(qū)顯著增加之外，在其他大部分地區(qū)則是減少的；其中暖季的變化量對年均變化量貢獻較大。對于干旱指數(shù)而言，西北東部地區(qū)呈現(xiàn)減少的變化，西北西部大部分地區(qū)則是增加的；并且干旱指數(shù)的變化在冷暖季節(jié)的分布并無顯著差異。

（3）時間演變：西北地區(qū)年降水量、土壤濕度和干旱指數(shù)均呈現(xiàn)顯著增加的趨勢（增幅分別為5.07 mm/10 a、3.89 mm/10 a 和0.26/10 a），特別是2000 年后增加的趨勢更顯著，并且增加值主要來源于西北西部，降水量和土壤濕度在西北東部也呈現(xiàn)增加的趨勢，但變化趨勢并不顯著，而干旱指數(shù)在西北東部則是呈現(xiàn)微弱減小的趨勢（-0.06/10 a）；而徑流量呈現(xiàn)減少的趨勢（-0.91 mm/10 a），并且這種減少趨勢主要集中在西北西部地區(qū)，而西北東部則呈現(xiàn)出增加的趨勢。西北地區(qū)年徑流量在2000 年之前呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，而2000 年后顯著增加。從冷暖季節(jié)來看，降水量和徑流量在暖季的變化明顯大于冷季，而土壤濕度和干旱指數(shù)在暖季的變化幅度與冷季相當(dāng)。

（4）未來預(yù)估：在SSP2-4.5 情境下，未來西北地區(qū)降水呈現(xiàn)增加的變化；土壤濕度在青海南部、甘肅南部和陜西南部等地區(qū)呈現(xiàn)出減少的變化，其他地區(qū)則是增加的；除了新疆中部少數(shù)地區(qū)外，徑流量在西北大部分地區(qū)也是增加的；對干旱指數(shù)而言，除了青海南部、陜西南部和甘肅東南部等少數(shù)地區(qū)之外，在其他大部分地區(qū)亦是增加的；并且21 世紀(jì)后期4 個干濕變量的增幅相較21 世紀(jì)中期更顯著，SSP5-8.5 情境下的增幅相較SSP2-4.5 更顯著。從區(qū)域平均來看，CMIP6 多模式預(yù)估的降水在整個西北地區(qū)和東西部兩個分區(qū)均呈現(xiàn)增加的趨勢，尤其是在西北東部增加更明顯，SSP5-8.5 情境下的增幅更大。相較于降水，土壤濕度的變化并不是特別明顯。徑流量和干旱指數(shù)與降水類似，在兩種排放情境下均呈現(xiàn)一致增加的趨勢，SSP5-8.5情境下的增幅相較SSP2-4.5 更顯著；徑流量在西北東部的增幅更大，而干旱指數(shù)在西北西部的增幅更大。

需要說明的是，雖然CMIP6 模式相較CMIP5模式具有更精細的空間分辨率、更先進的云微物理過程參數(shù)化方案以及更復(fù)雜的地球系統(tǒng)過程（Eyring et al.,2019），但是CMIP6 多模式未來預(yù)估的結(jié)果不確定性依然很大，其背后的物理機制和成因尚待進一步深入分析研究。并且大多數(shù)CMIP6 模式的空間分辨率仍然太粗，不能很好地刻畫西北地區(qū)復(fù)雜地形對干濕特征的影響。因此，未來需要進一步借助高分辨率的動力降尺度結(jié)果或者對氣候模式進行系統(tǒng)訂正校準(zhǔn)來深入開展西北地區(qū)干濕特征的預(yù)估研究。