英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

全球变暖背景下观测和模式中日益加剧的干旱

降水、径流和干旱指数的历史记录均表明自1950年以来许多陆地地区干旱增多^[1,2]。对于模型模拟的土壤水分^[3,4]、干旱指数^[1,5,6]和降水减蒸发差值^[7]的分析表明，二十一世纪的干旱风险增加。然而，观测和模型模拟的干旱模式之间存在很大差异^[1,2,6]。在信任模型预测结果之前，必须协调这些差异。以往的研究^[8-12]表明，海面温度的变化对陆地降水的影响很大，耦合模型不能重现许多观测区域的降水变化，这与耦合模型模拟中缺少海面温度大尺度自然变化模式的观测有关^[13]。本文表明，这些模型不仅重现了厄尔尼诺-南方涛动对陆地干旱的影响，而且重现了1923-2010年的全球平均干旱趋势观测结果。观测和模型模拟干旱变化的区域差异主要来自热带洋面温度的自然变化，这些变化通常不被耦合模型获取。由于初始条件不同，非强迫的自然变化在模型中不同，因此是不可重现的。本文得出结论，到2010年观测到的全球干旱变化与模型预测是一致的，这表明，由于降水减少和/或蒸发量增加，未来30-90年在许多陆地地区会出现严重和广泛的干旱。

虽然历史和未来的干旱变化在以往的研究中已经讨论过^[1-7]，仍然需要验证历史变化，并将其与模型预测相协调。本文的重点是综合观测到的干旱变化，并将其与模型模拟的变化进行比较和协调，从而提高我们对全球变暖引起的干旱变化的认识。

不同的干旱指数可能得出不同的变化模式，特别是在小尺度下^[14]。本文关注的是降水、径流和土壤湿度场的大尺度干旱趋势，这些指标通常分别用于量化气象、水文和农业干旱^[1]。由于土壤水分的历史记录稀少，本文还使用了自校正的帕尔默干旱指数（PDSI），利用Penman-Monteith方程 ^[2]估算潜在蒸散量（sc_PDSI_pm）。PDSI根据观测的降水和温度强迫的水平衡模型计算，被广泛用于美国干旱发展的监测、古气候重建^[15]和干旱变化的研究^[2,5,6,16]。经修订的sc_PDSI_pm改善了空间可比性，并且使用了更接近实际的潜在蒸散量估计值，从而提高了对全球变暖情景的适用性（详情见参考文献2）。

图1a、b显示，1950年到2010年年降水观测值和用基于观测到的强迫^[2]计算的sc_PDSI_pm，二者线性趋势的模式是相当的。这些模式也与1948年以来世界主要流域观测到的径流趋势的模式大致相当^[1,17]。由于使用了不同的变量，尽管在物理上是密切相关的，它们有一些区域和数量上的差异。这些模式的特点是非洲大部分地区、东南亚、澳大利亚东部和欧洲南部干旱，而美国中部、阿根廷和北部高纬地区的湿度增加。由于降水和径流数据测量独立，其变化模式之间广泛的一致性表明这些趋势是真实的。这也表明sc_PDSI_pm可用作衡量干旱变化的有效指标。sc_PDSI_pm的一个优点是可以通过比较具有和不具有强迫的计算结果来检验单个强迫因子对干旱趋势的影响。图1c显示，20世纪80年代以来的变暖（注意到80年代初期的跳跃是由于1982/1983年的厄尔尼诺现象）对全球干旱地区的上升趋势有重要作用，使本世纪前十年干旱地区增加约8％。这种变暖引起的干旱是由于蒸发量增加导致的，且在北部中高纬地区最大^[2]。相比之下，非洲、东南亚、澳大利亚东部和欧洲南部的降水减少是造成这些地区干旱趋势的基本原因，而海表温度（SST）的长期趋势和年代变化及多年代变化是一些降水变化的主导因素^[8-12]。长期SST趋势是全球变暖的一部分；然而，在温室气体（GHG）和气溶胶强迫的耦合模型模拟中， SST观测值的年代变化和多年代变化不存在^[13]，表明这些SST变化是非强迫的，自然变化的相位或时空模式可能取决于模型的初始条件，因此它们通常是不可重现的。

为了研究在温室气体日益增多的背景下干旱如何变化，本文分析了耦合模式比较计划第3阶段（CMIP3）和新阶段5（CMIP5）中期未来温室气体排放情景下的耦合气候模型模拟。参考文献1简要讨论了未来几十年基于CMIP3的sc_PDSI_pm图，但未与模拟的土壤水分和历史sc_PDSI_pm变化进行比较。图2a显示，本文分析的14个CMIP5模型中，大多数（超过82%）的模型表明二十一世纪美洲大部分地区、欧洲、非洲南部、中东大部分地区、东南亚和澳大利亚等地区地表以下10cm土层的土壤含水量下降。多模型平均值表明，2080-2099年下降范围为5-15%。土壤湿度场的干旱主要通过用相同多模型平均气候计算的sc_PDSI_pm来重现，然而sc_PDSI_pm表明，亚洲中部和东部以及北美洲北部的湿度增加（图2b）。CMIP3模型[3,4]（补充图S1）和所有季节（补充图2）的图中也有相似的变化（但有一些区域差异）。

由于SST对陆地降水和干旱的影响较大，本文用观测值和CMIP模型对全球范围的SST（40°S-60°N）和sc_PDSI_pm（60°S-75°N）进行了最大协方差分析（MCA）^[18] （也对SST和土壤水分的模型数据进行了分析）。目的是检验模型是否可以重现由主要MCA表示的SST和sc_PDSI_pm观测值之间的关系，以及模型是否可以模拟最近的干旱趋势。通过关注主要MCA，比较并排除了许多（但不是全部）非强迫的、不可重现的自然变化。

图3显示观测和模型的第二种MCA（MCA2）在空间模式上非常相似。它们都代表厄尔尼诺-南方涛动（ENSO）引起的变化，因为SST模式（图3b、d）与ENSO引起的典型SST异常的模式相似^[12]，且时间系数与ENSO指数高度相关（r = 0.87）（图3a）。之前提到过，这个观测值的ENSO模式有较大的年代变化和多年代变化^[19]，太平洋中部和东部在最近一个时期大概从1999年以来比之前的一个时期1977-1998年变得更冷（图3a、b）。对于MCA2，本文关注观测和模型的空间模式之间的相似性，因为时间系数的多模型集合平均值（未显示）应与观测到的时间演变几乎不相似，这是由实际决定的。ENSO对干旱的影响由sc_PDSI_pm的MCA2反映，其模式（图3c、e）很大程度上与ENSO引起的降水的模式相似^[20]，澳大利亚、南亚、南美洲北部、萨赫勒、非洲南部更为干旱而美国本土、阿根廷、欧洲南部以及亚洲西南部在厄尔尼诺年湿度较大。

图4显示，观测和模型的第一个主要MCA（MCA1）表明全球变暖，其时间系数与全球平均表面温度观测值（图4a）联系密切（r = 0.97），且SST的MCA1（图4c）与观测的海洋变暖模式相似^[21]。在同一时期，模型的MCA1表现出相似的非线性全球变暖趋势，海洋普遍变暖。sc_PDSI_pm与这种模式相联系，其短期变率主要来自降水变化，也呈现出相似的时间演变（图4a、b），但是具有更复杂的空间模式（图4d、f），与观测值趋势图（图1b）呈现的结果相似。对于这些模型，对SST和sc_PDSI_pm的温室气体强迫CMIP模拟（图4a、b）很好地获取了观测值的全球平均变暖模式，二者相关系数为0.86，由观测值（作为预测因子）和模型（作为预测值；图4a、b）的MCA1表示的全球平均sc_PDSI_pm异常之间的回归系数为0.9566。结果表明，模型模拟的温室气体强迫的全球干旱变化与历史变化一致。

模型（图4f）与观测值（图4d）、趋势图（图2b）和在1950年到2099年更长的时间内（图5c）sc_PDSI_pm的MCA1的空间模式显著不同。对单个模型的sc_PDSI_pm（例如，补充图S3和S4中的MCA2）分析表明，1923年至2010年间，由于较大的非强迫自然变化和此期间较弱的温室气体强迫降水信号，这种模式的模型间变异很大。单个模型sc_PDSI_pm的趋势模式只占总方差的4-6％；即使对于全球平均水平而言，它们也不稳健，单个地区更是如此。这些结果表明，观测和单个模型的全球变暖模式包含较大与历史温室气体强迫无关的自然变化。也就是说，MCA无法将降水中温室气体强迫的变化与其他非强迫的自然变化的sc_PDSI_pm完全分离，因为与自然变量相比，到2010年为止温室气体强迫的信号仍然相对较弱（仅占总方差的4-6％），尤其是在区域尺度上。由于大多数自然变化是由实际决定的（例如，与初始条件耦合），观测值（单个结果）和单个模型及其集合平均值之间存在较大的区域差异。因此，西非、美国、巴西、非洲南部和澳大利亚东部等地区在图4d、f之间的差异（图4d）可能是由不同过程之间的样本误差和未被CMIP模型重现的自然变化造成的。

图4d、f中萨赫勒（10°N-20°N，18°W-20°E）与美国的差异尤其明显。1950年以来，萨赫勒地区的干旱趋势主要由20世纪50年代至80年代中期夏季降雨量减少^[22]造成，与观测到的南大西洋相对于北大西洋大幅变暖以及印度洋的稳定变暖有关^[8,11]，与动态植被反馈的重要作用也有关^[23,24]，而这在CMIP模型中未被模拟。在温室气体导致的全球变暖的背景下，大多数CMIP3模型在大西洋产生相反的变暖模式，从而增加了萨赫勒21世纪的降水^[11]，尽管少量模型在海洋均匀变暖的情形下得到了萨赫勒地区干旱的结果^[25]。补充图S5显示，CMIP5的HadGEM2-CC和HadGEM2-ES模型广泛地重现了20世纪50年代至80年代观察到的萨赫勒降水减少的现象，尽管振幅偏小，且确定硫酸盐气溶胶为HadGEM2模型模

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[22431]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word