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    Nature Geoscience: 氣候系統內部變率加劇近30年中亞農業干旱

      農業干旱是指由于降水不足和蒸發過度而導致的土壤水分虧損,在生長季會影響作物生產和生態系統功能。2021年春末夏初,中亞大部分地區遭受了嚴重的農業干旱,對農業和畜牧業造成了嚴重影響,這引發了人們對農業干旱的成因及其未來可能變化問題的高度關注。2021年的中亞極端農業干旱并非一次偶然事件,在過去30年中,受當地溫度持續升高和降水減少的影響,中亞土壤濕度在生長季初期顯著降低,農業干旱加劇,令該地區面臨嚴峻的生態環境挑戰。理解中亞農業干旱長期變化的成因,是可靠預測其未來變化的先決條件。

      近日,中國科學院大氣物理研究所LASG國家重點實驗室周天軍研究員課題組在《自然-地球科學》發表題為“氣候系統內部變率加劇中亞農業干旱”的研究論文,指出人為外強迫和太平洋年代際振蕩(IPO)主導的氣候系統內部變率通過調控溫度和降水的變化,共同導致過去30年中亞南部地區農業干旱在生長季初期(4-6月)變強;在RCP8.5情景下(一種高溫室氣體排放情景,在該情景下,由于人口增多、技術革新率不高和能源結構調整緩慢,導致長時期的高能源需求及高溫室氣體排放),IPO內部變率能夠調節未來幾十年農業干旱變化的幅度,但難以逆轉人類活動導致的農業干旱長期增強趨勢。

      土壤濕度是表征農業干旱的直接指標,其變化由溫度和降水變化共同決定;溫度和降水的長期變化受人為外強迫(包括人為溫室氣體和氣溶膠排放、土地利用造成的下墊面變化等)和氣候系統內部變率的共同影響。該研究工作利用多套大樣本的氣候模式集合模擬試驗,有效分離了人為外強迫和氣候系統內部變率在生長季初期對中亞南部土壤濕度長期變化的影響。研究發現,在溫室氣體排放引起的輻射強迫主導下,過去半個世紀以來中亞地區快速升溫,土壤水分蒸發蒸騰加強,土壤濕度降低。同時,中亞南部生長季初期土壤濕度的變化還受到IPO的調控。IPO是太平洋海溫的一種20-30年準周期的年代際振蕩現象,當其處于正位相時,熱帶中東太平洋海溫偏暖、副熱帶西太平洋海溫偏冷;反之亦然。觀測中,IPO在1990年代后經歷了位相的由正轉負,造成春季降水減少,這加劇了隨后生長季初期土壤濕度的降低。

      “綜合觀測數據、氣候模擬數據分析和物理機制理解,我們定量估算了人為外強迫和IPO對1990年代以來中亞南部土壤濕度變化的貢獻,發現二者對歷史變化的貢獻彼此相當,氣候系統內部變率加劇了人為因子引起的近30年中亞農業干旱的增強趨勢”,論文第一作者、中國科學院大氣物理研究所博士后江潔進一步指出。

      該研究工作在揭示土壤濕度歷史變化的物理機制基礎上,針對中亞農業干旱的未來變化問題,討論了人為外強迫和IPO的影響。在RCP8.5情景下,受溫室氣體排放引起的增溫影響,中亞南部農業干旱未來將進一步加劇。此外,IPO在未來仍是影響中亞南部農業干旱的關鍵內部變率模態。計算表明,在2021-2040年間,如果IPO位相經歷2個歷史標準差強度的由正轉負,則人為活動引起的土壤濕度的變干趨勢將增強75%;反之,若IPO位相經歷2個歷史標準差強度的由負轉正,則人為活動引起的土壤濕度的變干趨勢將被緩解60%。

      氣候預估本質是考察氣候系統對輻射強迫的響應問題,因此傳統上多關注世紀尺度的長期變化態勢。但是應對氣候變化的科學決策需要進一步給出近期、中期和長期的幾十年平均的氣候狀況,這就需要考慮IPO等氣候系統固有的幾十年尺度的內部變率的影響。本文針對農業干旱預估問題提供了一種定量估算內部變率影響的有效方案?!癐PO無法逆轉RCP8.5情景下人為活動導致的土壤濕度長期下降趨勢,但其位相轉變引起的降水變化能夠在一定程度上調節土壤濕度降低的幅度。因此,對IPO未來位相轉變的準確預測對于中亞農業干旱近期年代際預估具有重要意義,而這也是目前氣候預測研究領域的難點之一”,論文通訊作者周天軍研究員強調。

      “我們此前的研究發現,在不同氣候預估情景下,伴隨著大氣中水汽的增多,中亞地區春季降水將顯著增多。然而,降水的增加并不就一定意味著干旱的減輕,因為還需要考慮蒸散發的影響。同時考慮降水和蒸散發的干旱指數表明21世紀中亞地區氣象干旱會更加嚴重,”江潔博士補充說?!霸谶@項研究工作中,我們分析發現在人為外強迫影響下,盡管未來春季降水增多,但由于溫度升高導致的蒸發蒸騰的加強,由土壤濕度所表征的農業干旱依然將加劇?!?/p>

      周天軍研究員最后指出:“中亞是絲綢之路沿線的氣候敏感區,農業在該地區的國民經濟發展中占據重要地位,農業干旱的加劇勢必對社會經濟發展造成嚴重影響。除農業干旱以外,還有越來越多的研究證據表明,若不采取切實有效的溫室氣體減排措施,未來中亞地區還將面臨愈發嚴峻的氣象干旱和水文干旱的影響。多種類型干旱的共同影響,意味著有必要從全球治理的角度針對該地區制定系統的風險管理計劃,以有效應對氣候變化的影響?!?/p>

      該研究受國家自然科學基金“青藏高原地球系統基礎科學中心項目”(41988101)、中國科學院“絲路環境”戰略先導項目(XDA20060102)和中國博士后基金項目(2022M713093)共同資助。

      參考文獻:

      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

      鏈接:

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

    圖1 1992-2020年4-6月中亞南部土壤濕度變化趨勢(單位:%/十年),黑色為不同土壤濕度產品平均結果,紫色為外強迫作用結果,橙色為外強迫和IPO位相轉換共同作用結果

    圖2 不同模式模擬和預估的4-6月中亞南部土壤濕度變化,所示結果為相對于當前氣候態(1995-2014年)異常值(單位:%)

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