全球变暖与21世纪干燥外文翻译资料

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全球变暖与21世纪干燥

Benjamin I. Cook bull; Jason E. Smerdon bull;

Richard Seager bull; Sloan Coats

1.B. I. Cook (amp;)NASA Goddard Institute for Space Studies,2880 Broadway, New York, NY 10025, USAe-mail: benjamin.i.cook@nasa.gov

2.J. E. Smerdon R. Seager S. CoatsLamont-Doherty Earth Observatory,61 Route 9W, Palisades, NY 10964, USA

摘要：预计全球变暖将增加21世纪干旱的频率和强度，但水分供应(降水)变化对蒸发需求(潜在蒸散量；PET)的相对贡献尚未被全面评估。利用耦合模式比较项目第5阶段的一组环流模式(GCM)模拟结果，采用两种离线地表水分平衡指数：Palmer干旱严重度指数(PDSI)和标准化降水蒸散指数(SPEI)，研究21世纪的干旱和湿润趋势。PDSI和SPEI基于降水和PenmanMonteith的PET指数的气候预测与GCMs的变化基本是一致的，显示出北美西部、中美洲、地中海、南部非洲和亚马逊地区的强劲交叉模式干燥，以及仅发生在北半球高纬度和东非(PDSI)的强湿润现象。与PDSI相比，SPEI对PET的变化更为敏感，特别是在撒哈拉和中东等干旱地区。区域干燥和湿润模式在很大程度上反映了模型中降水的空间非均匀响应，尽管PDSI和SPEI计算中的干燥区域超出了降水减少的区域。这种干燥面积的扩大归因于全球范围内PET的广泛增加，而PET的增加则是由表面净辐射的增加和蒸汽压亏缺造成的。PET的增加不仅加强了降水量已经减少的地区的干燥，而且也使一些其他的地区陷入干旱，否则仅凭降水趋势就不会发生干燥或者湿润。这种PET放大效应在北半球中纬度地区最大，在北美西部、欧洲和中国东南部尤为明显。与仅利用降水变化的PDSI预测相比，结合降水和PET变化的预测，到21世纪末，全球陆地面积至少将经历中度干燥(PDSI标准差为B1)从12%增加到30%。由PET诱导的中度干燥在SPEI预测中更为严重(SPEI标准差为B-1；从11%增加至44%)，尽管这可能没有什么意义，因为PET诱导干燥的大部分发生在上述干旱地区。因此，综合核算地表水分平衡的供求双方，对于描述与温室气体增加和气候系统相关变暖相关的各种预计干旱风险至关重要。

1. 前言

极端气候和天气事件对现代和过去社会造成了重大影响(Coumou and Rahmstorf 2012; Ross and Lott 2003; Lubchenco and Karl 2012)，人们担心，人为气候变化将增加这些事件的发生、规模或影响(e.g., Meehl et al. 2000; e.g.,Rahmstorf and Coumou 2011)。干旱是极端现象之一，特别让人注意的是，干旱往往对关键的水资源、农业生产和经济活动产生长期影响((e.g., Li et al. 2011; e.g., Ding et al. 2011; e.g., Ross and Lott

2003)。由于美国等不同地区最近发生了一系列严重的干旱，因此对干旱脆弱性的关注有所增加(Hoerling et al. 2012, 2013;Karl et al. 2012)、东非 (Lyon and DeWitt 2012)、澳大利亚 (McGrath et al. 2012)。和萨赫勒地区(Giannini et al. 2003)。最近的工作进一步表明，随着所观察到的变暖趋势，全球干旱程度有所增加，而且随着全球气温随着人类温室气体排放量的增加而继续上升，这种干燥现象将在许多地区恶化(Burke et al. 2006; Dai 2013; Sheffield and Wood 2008)。

然而，近期和预测的未来干旱趋势存在重大不确定性，特别是考虑到降水量与蒸发需求的变化将在多大程度上迫使这些趋势发生(Hoerling et al.2012; Sheffield et al. 2012)。干旱通常被定义为土壤水分(农业)或水流(水文)的亏缺；因此，干旱可能是由降水量减少、蒸散增加或两者综合造成的。在全球平均数中，预计降水量和蒸散量都将随着变暖而增加，这是一个温暖的世界中水文循环加剧的结果 (Allen and Ingram 2002; Huntington 2006)。尽管这些变化可能与当地利益相关者最为相关，但降水量和蒸散量的区域变化，以及推动这类变化的动力，仍然十分不确定。

与其他模式变量(如气温)相比，大气环流模型(GCMs)中的降水预测具有较大的不确定性。(e.g., Knutti and Sedlacek 2013)。据可靠地的估计表明，湿润地区(如热带潮湿、北半球中、高纬度等)的降水量将增加，半干旱地区(如亚热带)的降水量将减少。这通常被称为“富-贫”机制，并归因于热力学(大气变暖和湿润)和动态环流过程 (Chou et al. 2009, 2013; Held and Soden 2006; Neelin et al. 2003; Seager et al. 2010)。

蒸散包括从地面到大气的水分的物理(蒸发)和生物(蒸腾)通量，可以根据实际蒸散量(潜热通量)或蒸发需求(潜在蒸散量；PET)来观察。预计未来PET将增加 (Scheff and Frierson 2013)，这是由于表面总能量可用度(表面净辐射)和蒸汽压亏缺(饱和与实际蒸汽压之差；VPD)的增加所迫。人为温室气体增加的辐射强迫将通过抑制长波冷却而使大多数地区的地表净辐射增加，而温室气体引起的大气变暖将增加VPD。重要的是，VPD随着变暖而增加，即使在恒定的相对湿度下也是如此(e.g., Anderson 1936)。在潜热通量受到水分供应限制的地区，实际蒸散量的增长预计将小于PET。事实上，过去20年来，全球实际蒸散量有所下降 (Jung et al.2010)，主要归因于南半球土壤水分干燥。

在地球温暖时期中，蒸发量增加将加剧干旱的想法并不新鲜 (e.g., Dai 2011)，但重要的是要了解降水量或蒸发变化将在哪里成为干旱的主要驱动因素，以及它们将在哪里协同工作，以加剧干旱。然而，到目前为止，还没有做多少工作来量化和明确区分降水变化与蒸发需求对全球变暖引起的干燥的影响和程度的相对贡献。为了解决这一问题，我们使用了二十世纪和二十一世纪GCM模拟的一组输出，可通过耦合模型比较项目第5阶段 (CMIP5, Taylor et al. 2012)获得。计算地表水分平衡的两个离线指数：Palmer干旱严重度指数(PDSI；Palmer 1965)和标准化降水蒸散指数(SPEI; Vicente-Serrano et al. 2009)。这两个指标提供了对地表水分平衡的理想和灵活的估计，使我们可以改变输入，如模型降水、温度和地表能量可用度，以便分离和量化特定变量对未来干旱预测的影响。因此，我们的分析涉及三个问题：(1)降水和蒸发需求的变化对全球和区域干燥模式的相对贡献是什么？(2)降水变化和蒸发需求变化的综合影响在哪里促进干燥？(3)在哪些地区(如果有的话)，蒸发需求的增加是否足以使气候转向干旱，而降水的变化会导致更潮湿的条件？

2数据和模型

2.1CMIP 5模型输出

我们使用来自CMIP 5档案的GCM输出，这套模型实验是由各个建模中心组织和提供的，以支持政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第五次评估报告(AR5)。使用历史和RCP8.5模型场景的输出。这些历史经验是在1850-2005年期间进行的，是通过对瞬态气候力(如太阳变化能力、土地利用变化、温室气体浓度等)的观测来强制进行的。这些实验是在1850年使用长期、非强制控制运行的输出和固定的工业前气候力进行初始化的。RCP8.5设想方案(2006-2099年)是一组未来的温室气体强迫情景之一；RCP8.5的设计是为了使大气辐射不平衡的顶部在21世纪末与工业化前的条件相比大约等于8.5每平方瓦米。使用历史运行结束初始化RCP8.5场景运行。我们的分析仅限于那些模型(表1)，连续集成成员跨越历史的RCP8.5个时间段。

2.2 干旱指数

我们感兴趣的是长期(十年到百年)的趋势和水分供应的变化，而不是短期(月到月)干旱事件。出于这个原因，我们的分析使用了两个干旱指数，在较长的时间尺度上进行整合：PDSI和12个月的SPEI。了解离散干旱事件(通常是短干旱和强烈干旱事件)的起因、起源和终止(e.g.,Hoerling et al. 2012, 2013)是一个重要的科学目标。然而，我们的重点是对温室气体变暖的长期干燥和润湿反应，这是未来发生季节性或年度事件的水文气候基准。

在全球气候变化模型中模拟的土壤湿度不容易被分解为来自降水或PET的贡献，因此很难确定模型中土壤运动的真实趋势在多大程度上是由供需变化所驱动的。此外，每个全球气候变化机制采用的土壤模型在其复杂程度(例如土壤深度、层数等)、调优和参数化(例如土壤质地、生根深度、植被类型等)方面差异很大，使全球气候变化机制之间土壤水分和干旱响应的比较更加的复杂化。PDSI和SPEI提供了一个灵活的框架，允许将GCM的产出(例如，减少趋势)作为将干旱贡献与特定的变化，如降水量或净辐射的趋势隔离开来的一种手段。一种通用的离线度量，如PDSI或SPEI，也提供了土壤水分平衡的标准比较，从而控制了CMIP 5 GCMs集合中土壤模型的差异。PDSI(Palmer 1965)是一个标准化的干旱指数，它采用一个简化的土壤水分平衡模型，由降水输入和蒸散损失计算。PPDSI是局部归一化的，相对于基准校准周期，负值表示比正常情况更干燥(干旱)，正值表示比正常条件更湿润(雨势)。

表1是本研究中使用的CMIP 5实验(历史＋rcp 8.5)中的连续模型组，包括提供输出的建模中心；或组，符合我们的包含标准的集合成员的数量，以及近似的空间分辨率。

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