中国西北“暖湿化”究竟真的假的?| 地球知识局

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据说地球人民都关注分享我局了(⊙v⊙)

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NO.2356-西北暖湿化

作者:小凯

校稿:朝乾 / 编辑:果果、板栗

近年来,新疆的洪水灾害呈现多发态势。2018年7月,新疆哈密市伊州区突降特大暴雨引发洪水,造成20人遇难,8人失踪。今年7月至9月下旬,新疆塔里木河的洪水持续了80天。洪水的背后是异常的高温融雪多次暴雨的袭击。

这与印象中干旱的大西北相去甚远

而这一现象的出现可能并非偶然▼

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新疆地区的气候变化如今广受关注,大家谈及它的时候往往用“西北暖湿化”来概括。所谓“西北暖湿化”,就是说西北地区在近三四十年中,呈现气温上升降水增加的趋势。这样的一个趋势是否真的存在?它是否受全球变暖的影响?在未来,它是否会改变西北“荒漠戈壁”的地貌呢?

在全球气候变化的大背景下

局部地区的气候变化也许更值得深究

(图:图虫创意)▼

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“西北暖湿化”是否存在?

“西北暖湿化”是否存在?

“西北暖湿化”最早是由著名地理学家、冰川学家施雅风院士在本世纪初提出的。随后,大量针对西北的气候变化研究陆续展开。

从1979年到2019年间,西北地区的年平均降水量增加显著,尤其是新疆西部及北部的部分站点,每10年降水的增加趋势超过15mm。也就是说,在40年间增加了60mm以上。

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如果分不同月份来看西北地区的平均值,秋、冬季节各月份降水增加的较为显著,其中最明显的9月份,西北地区的降水在40年间增加了约10mm。

多年平均的降水量▼

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1979年-2019年降水变化的趋势▼

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很明显能看到9月降水量的增加是最显著的▼

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西北地区是典型的内陆干旱和半干旱地区,相较于我国其他地区年降水量稀少,大部分地区年降水量少于200毫米/年。

中国干湿分区图▼

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来自海洋的水汽输送是形成降水的必要条件,但深处内陆的西北地区距离大西洋、印度洋、太平洋和北冰洋都非常遥远。南边的青藏高原、西边的帕米尔高原、北边的天山山脉和阿尔泰山脉、东边的黄土高原更是将这里层层包裹,把遥远运来、所剩无几的水汽“拒之门外”。

这地形真的是层层封锁,生怕放进来一点水汽▼

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如果考虑到西北地区本身降水稀少,这几十年来降水的变化不可谓不大。

“西北暖湿化”的原因

“西北暖湿化”的原因

工业革命以来,人类活动排放的二氧化碳显著提升了全球地表平均温度。在“全球变暖”的大背景下,世界上各个地区都正在经历着前所未有的变化。“西北暖湿化”正是全球变化在中国西北一隅的小小缩影。

全球二氧化碳排放量自工业革命后急速飙升▼

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从字面意思上讲,“全球变暖”指的是全球地表平均温度的升高,但在更多时候,我们在使用这个词语时往往扩大了它本身的内涵,指地球上的气候系统的多个方面正在发生着的变化。也就是说,“全球变暖”基本上指代了“气候变化”。

当前气候变化的主要驱动力

是入射太阳辐射和射出热辐射之间的辐射平衡

受到自然和人为胁迫的影响

(图:encyclopedie)▼

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之所以会这样,有一个原因是,我们很确信全球地表平均温度一直在增加,因此也能较好地预估它在未来的变化。但是,相较全球平均变化而言,我们对于各地气候的具体变化了解较少,因此这种预估具有很大的不确定性。

全球整体的平均气温尚能大致预测

但具体到其中某一地区,情况其实是相当复杂的

(蓝色的不确定条显示了95%的置信区间 参考:wiki)▼

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北极的冰川加速融化

是全球地表平均温度升高最明显的表现

(图:wiki)▼

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而且,我们对于气候系统的其他方面的变化,了解就更少了,比如各地降水的增加或者减少、台风频率和强度的变化、冰川和冰盖的融化速度等。

什么时候才能摸清这家伙的“活动”规律呢

(2015年的台风灿鸿、浪卡 图:wiki)▼

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具体到我国西北地区,“全球变暖”使得西北地区的降水会如何发生变化?在上世纪末和本世纪初,学术界广泛接受的是“干更干,湿更湿”的观点,也就是原本降水多的地方降水更多,原本降水少的地方降水会更少。

“全球变暖”会让西北地区更干吗?

(图:图虫创意)▼

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但是随着时间推移,观测资料越来越丰富,再加上“全球变暖”愈加显现,人们发现,对于区域的预测比想象得更加复杂。本来干旱的西北正在变得越来越湿润

或许西北会出现更多像博斯腾湖一样的美景?

(图:图虫创意)▼

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那么,“全球变暖”使得大气环流发生了怎样的变化,造成了西北降水的增加呢?

这个问题在学术界还没有定论。过去的研究发现,已发生的大气环流多个侧面的变化都可以增加西北降水,但是很难确定哪个才是最主要原因。换句话说,西北降水增加,是多因素共同作用的结果。

地球上大规模大气环流的理想化描述(春分)

(参考:wiki)▼

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这些过程可以分为“”和“”两个方面的变化。

“内”指的是区域内水循环的加强,西北地区气温升高,陆面的蒸散增强,大气中的水蒸气含量增加,自然就要以降水的形式更多地释放。“内”对降水变化的贡献大概占四分之一。

水循环是多环节的自然过程

(底图:NASA)▼

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也就是说,西北地区下雨更多了

(图:图虫创意)▼

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“外”指的是从海洋向西北地区输送的水汽增加了,这些输送又有不同的路径。其中,来自大西洋水汽,更多地被高空更强的西风携来;来自太平洋和印度洋的水汽增加,与西北太平洋副热带高压的西伸和增强有关;来自北冰洋的水汽增加,则受到贝加尔湖上空的反气旋环流增强控制,这同时也增强了来自北太平洋的水汽输送。

西太副高增强和向西北水汽输送增强的示意图▼

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贝加尔湖上空反气旋

与北冰洋和北太平洋的水汽输送示意▼

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荒漠真能变江南?

荒漠真能变江南?

一个地区的干旱的状况不止由降水决定,还和这个地方的潜在蒸散量有关。我们曾在《地表最大干旱区》的视频中介绍过干旱指数,它是某地年平均降水量和年平均潜在蒸散量的比值,描述了一个地区的干旱程度。

其中的潜在蒸散量,描述了某地实际蒸散量的理论上限,也就是假设土壤保持充分湿润可以蒸散的水分的量。

蒸散示意图(参考:wiki)▼

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西北地区常有晴朗天气,日照较强,潜在蒸散量很大,大部分地区超过了1000毫米,最大的地方超过了1800毫米。作为比较,长江中下游地区年平均降水量和潜在蒸发量相差不大,都在1000毫米以上。而西北地区的潜在蒸散量,在大部分地区都比降水量多800毫米以上。

潜在蒸散空间分布▼

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西北地区的气温、风速和日照时数这些因素,在过去四五十年中都在发生着变化。综合考虑这些因素的研究结果显示,西北一些地区的潜在蒸散量在以0到40毫米/十年的速率下降,但是还有很多地区显示出增加的趋势。

1961-2015年各气象站点平均潜在蒸散线性变化趋势▼

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结合降水的变化来看,在一些这四五十年来变得更“湿润”站点,降水量的增加和潜在蒸散量的减少加在一起在最多也不会超过200毫米,更多的地方可能只有几十毫米。而要达到“湿润”标准,降水量至少要达到潜在蒸发量65%。

由此可以做一个简单估算,西北地区若要成为湿润区,降水量的增加和潜在蒸散量的减少加起来至少要达到600毫米。

这种程度的改变还远远不足以让大部分植物在这里扎根

(图:图虫创意)▼

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在另一项研究中,甚至计算出地区平均潜在蒸散量呈现上升趋势。地区平均的潜在蒸散量的增加(约45毫米),超过了地区平均的降水量增加(24毫米)。

也就是说,西北气候也可能正在向着“干旱”的方向变化。所以说,距离“荒漠变绿洲”还有很遥远的距离,甚至很有可能不会实现。

可以确定的是塔里木河边还是一望无际的黄沙

(图:图虫创意)▼

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尽管存在困难,但是我们还是有方法来预估某一地区的气候变化,气候模式就是我们预估未来的比较可靠的手段。

气候模式是运行在计算机上的对地球气候系统的仿真实验室,它将气候系统中重要的过程比如大气和海洋环流、太阳辐射对大气和陆面的加热、大气和陆地之间的能量交换和水分交换等抽象化、数学化和软件化,给气象学家们在虚拟的地球实验室中做气候试验的机会。

气候模式概念图

(参考:climateinformation.org)▼

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世界上很多科研机构都开发了不同的气候模式,这些气候模式之间各有特点,各有优劣,但是由于模拟的复杂性和不确定性,我们很难选出某个最优模式结果作为对未来的最优预估。

幸运的是,气象学家们发现多个模式模拟的平均值在温度、降水、气压和风速等多个方面上都最接近观测。所以,更合理的方法是使用很多模式来对未来进行预估,所有模式模拟的平均值,就能产生对未来最合理的预估。

基于这样的想法,国际合作的世界气候研究计划(WCRP)在1995年开始定期组织世界范围内众多气候模式共同预估未来气候,现已组织了6次。

比如,第五轮耦合模式比对项目 (CMIP)的其中两个模式

就采用了这么多模型

(图:WCRP)▼

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在最新一轮的模拟预估中,多模式平均预测结果显示,在本世纪末,如果全球平均温度上升2℃,我国西北地区的年降水量将增加13.7%(37毫米),在5℃的情况下,将增加25.8%(78毫米)。与此同时,潜在蒸散量在两种情景下将增加1.4%和4.9%。

综合了降水量和潜在蒸散量的变化后,近地面土壤湿度增幅分别为10%和20%。集合了世界上多家科研机构的智慧的数值模拟结果告诉我们,尽管是在遥远的本世纪末,西北地区“变湿”的情况也不会从根本上扭转“干旱”的局面。

西北地区的干旱问题

目前还是得靠合理利用水利设施来解决

(甘肃刘家峡水库 图:图虫创意)▼

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过去三十年来,西北地区气温增加的同时降水也在增加,但是“荒漠变绿洲”只是人们对于未来自然环境的美好期许。全球变暖背景下,地球上的每个角落都在发生着前所未有的变化,但是我们对此还知之甚少,尤其是对变化机制的理解不足,阻碍了我们对未来做出更加准确的预估。

参考资料:

1.张诗妍 胡永云 李智博. 我国西北降水变化趋势和预估[J]. 气候变化研究进展, doi: 10.12006/j.issn.1673-1719.2021.281.

2.Wu, P, Ding, Y, Liu, Y, Li, X. The characteristics of moisture recycling and its impact on regional precipitation against the background of climate warming over Northwest China. Int J Climatol. 2019; 39: 5241– 5255. https://doi.org/10.1002/joc.6136

3.吴霞, 王培娟, 霍治国, 白月明. 1961-2015年中国潜在蒸散时空变化特征与成因[J]. , 2017, 39(5): 964-977 https://doi.org/10.18402/resci.2017.05.16

4.吴霞, 王培娟, 霍治国, 白月明. 1961-2015年中国潜在蒸散时空变化特征与成因[J]. , 2017, 39(5): 964-977 https://doi.org/10.18402/resci.2017.05.16

5.朱飙. 西北地区气候暖湿化背景下水汽、潜在蒸散及极端温度和降水的变化特征[D].兰州大学,2022.DOI:10.27204/d.cnki.glzhu.2022.000057.

6.https://wad.jrc.ec.europa.eu/patternsaridity#:~:text=The%20Aridity%20Index%20(AI)%20is,climate%20at%20a%20given%20location.

7.Wei, K., & Wang, L. (2013). Reexamination of the Aridity Conditions in Arid Northwestern China for the Last Decade, Journal of Climate, 26(23), 9594-9602. Retrieved Sep 25, 2022, from https://journals.ametsoc.org/view/journals/clim/26/23/jcli-d-12-00605.1.xml

8.https://mp.weixin.qq.com/s/vBYmP-N5SBLvbJ2d7eUBVg

*本文内容为作者提供,不代表地球知识局立场

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