西北地区气候暖湿化的研究进展与展望_张强.pdf

西北地区气候暖湿化的研究进展与展望张强1,2,杨金虎3*,王朋岭4,于海鹏5,岳平1,刘晓云1,林婧婧3,段欣妤3,朱飙3,闫昕旸21.中国气象局兰州干旱气象研究所,中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验室,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州 730020;2.甘肃省气象局,兰州 730020;3.兰州区域气候中心,兰州 730020;4.国家气候中心,北京 100081;5.中国科学院西北生态环境资源研究院,中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室,兰州 730000*联系人,E-mail:2022-06-09 收稿,2022-10-13 修回,2022-10-14 接受,2022-10-17 网络版发表国家自然科学基金(42230611,41975016,42075043)、中国气象局创新发展专项(CXFZ2022J049,CXFZ2021J024)、甘肃省基础研究创新群体项目(20JR5RA121)和甘肃省自然科学基金(21JR7RA706)资助摘要西北地区地理位置特殊,气候变化独特,形成机理复杂,对社会和自然环境的影响突出.尤其,自21世纪初有研究提出西北气候从暖干向暖湿转型的科学认识后,其气候变化问题引起了社会各界的普遍关注,也兴起了对西北气候变化趋势、驱动机制及影响的广泛研究,多年来已积累了大量的研究成果.然而,由于以往不同研究所用资料的类型、序列长度和时空分辨率不同,所关注的时段和区域不同,认识问题的视角和维度不同,使得存在一些分歧认识或者相悖结论.鉴于此,本研究通过系统梳理西北地区气候变化研究的历史经纬,归纳已有的研究成果,综合考虑不同视角和维度,划分了西北地区增暖与干湿变化科学认识的6个阶段;概括了西北暖湿化的驱动机制;评估了暖湿化对生态、农业及水资源等的影响;预估了未来暖湿变化趋势及其存在的可能风险;提出未来研究需要从大气、水文及生态等多学科相互作用角度探讨气候暖湿化的驱动机制、暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征、地表水分循环对暖湿化的响应特征、暖湿化与水文和生态的耦合机制、暖湿化对水安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险,以及“双碳”(碳达峰、碳中和)目标下西北地区未来气候变化趋势等重点科学问题上取得突破.关键词暖湿化,形成机理,气候变化影响,西北地区西北地区地处欧亚大陆腹地,是全球同纬度最干旱的地区之一,同时受西风带、高原季风和东亚季风气候的共同影响,降水变率大、干旱频率高,是全球气候变化响应敏感区和生态环境脆弱区,在全球气候环境系统中具有一定的独特地位1.生态环境和水资源等对气候变化的响应十分显著,气候变化对自然环境和社会经济发展的影响十分突出.因此,该地区的气候变化及对生态环境的影响问题一直是我国政府和科学界关注的热点25.西北古代气候变化的研究大多基于树轮、冰芯及碳同位素等作为代用资料来开展,这些研究为西北地区长期的气候变化规律提供了新的视角68.20世纪5060年代,我国建立了完善的地面气象观测系统,高质量的观测资料为客观认识西北气候变化提供了可能.研究发现,20世纪后50年,西北地区整体呈暖干化9,10,尤其是20世纪80年代后期,增暖异常显著.但从20世纪引用格式:张强,杨金虎,王朋岭,等.西北地区气候暖湿化的研究进展与展望.科学通报,2023,68:18141828Zhang Q,Yang J H,Wang P L,et al.Progress and prospect on climate warming and humidification in Northwest China(in Chinese).Chin Sci Bull,2023,68:18141828,doi:10.1360/TB-2022-0643 2022中国科学杂志社2023 年第 68 卷第 14 期:1814 1828评 述80年代中期开始伴随着西北西部降水增多,冰川消融量和径流量连续多年增加,湖泊水位显著上升,植被覆盖明显改善.因此,21世纪初,施雅风等人11,12提出了西北地区从暖干向暖湿转型的科学判断,也曾一度引起社会各界的关注.但之所以这一论断并没有引起足够关注,其一,当时降水增加的时段较短,幅度较小;其二,该论断与国际的研究结论并不完全一致,国际研究认为过去100年全球干旱半干旱区变得越来越干13,14,干旱半干旱区域持续扩张15,16,极端干旱面积翻倍17,干旱半干旱区重大干旱事件频发18.然而,近年来随着西北地区降水的持续增加,西北气候暖湿化问题再次引起社会各界的关注,新华社、中华网、人民网等媒体进行了大量的报道和评论.各种评论五花八门,莫衷一是,也不乏一些非科学、非客观的评论.为此,部分学者利用最新资料从不同尺度和维度对西北气候暖湿化动态演变、驱动机制及影响进行了研究1923,就西北气候暖湿化问题给予了深入分析.从目前来看,尽管关于西北气候暖湿化的相关研究已经开展了不少,但由于不同研究所用资料的类型、序列长度和时空分辨率不同,所关注的时段和区域不同,或者认识问题的视角和维度不同,研究结果比较分散,部分结论存在一些分歧或者相悖,缺乏系统性梳理和凝练性总结.鉴于此,本文试图通过回顾西北地区气候变化研究的历史经纬,凝练西北地区气候暖湿研究的主要成果和进展,归纳西北气候暖湿化的主要认识阶段及驱动机制与影响的主要科学认识,进一步剖析当前研究不足,深入洞察西北气候暖湿化研究的深层次问题,提出了未来的研究方向.1西北地区暖湿化及其驱动机制研究进展关于西北地区气候变化的认识已经有了很长的历史,但比较系统的研究始于20世纪90年代,而针对西北地区增暖与干湿变化及其驱动机制的认识主要有以下几个方面.1.1暖湿化的科学认识阶段(1)千年尺度上西北地区气候经历了两次冷干和两次暖湿期.过去2000年的温度变化大致划分为4个阶段,分别为公元0600年和公元13501850年的两次寒冷期以及公元6001400年和公元1850年以来的两次温暖期.而干湿变化虽然存在一定的区域性差异,但总体来看,与温度变化基本对应,即暖期对应湿期,冷期对应干期.因此,过去2000年的冷暖与干湿可以粗略分为4个阶段,即东汉-南北朝的冷干时期、隋唐两宋的暖湿期、明清冷干期以及公元1800年至今的暖湿期68.百年以来主要经历了20世纪40和60年代以来持续的两个暖期,似乎在全球气候变暖的大趋势中叠加了两个年代际尺度的自然变暖期.西北东、西部的干湿变化似乎并不同步,西北西部在20世纪2080年代前期处于干期,近30年来处于湿期,而东部干、湿交替循环,且在20世纪2080年代前期湿期较干期更长,近30年来的干期较湿期更长24(图1).(2)20世纪5080年代中期呈显著暖干化.西北地区自工业革命以来气温在波动中上升,而且温升幅度明显高于全球,至20世纪80年代,天山中段和祁连山东段分别升温1.3和1.0C25.20世纪后50年,西北地区整体以0.2C/10 a速率升温26,其中19512000年,新疆北部升温高达1.8C,南部升温1.0C27,28.就降水而言,自小冰期末期之后约100年间在波动中呈减少趋势,尤其是从20世纪50年代开始,减少趋势更为明显26,至20世纪80年代,天山中段和祁连山东段年降水量分别减少5065和7085 mm25.总体来看,小冰期结束以后的100年左右时段内,西北地区气候在波动中变暖变干,特别是20世纪5080年代中期,暖干化趋势尤为明显9(图2).(3)20世纪80年代中期,西北地区西部呈现暖湿信号.20世纪80年代开始,西北地区升温势头更加强烈,19872000年较19611986年平均升高了0.7C,20世纪90年代与60、70、80年代相比,分别升高了0.8、0.7和0.5C10,从空间变化来看,增温最明显的区域主要位于新疆和青海交界、内蒙古西部和陕西东部部分地区29.伴随着气温的加速上升,祁连山以西的西北西部降水量普遍增加30,31,其中19872000年与19611986年相比较,北疆、南疆及天山地区分别增加了22%、33%、12%,祁连山区和河西走廊中西部、青海高原部分地区平均增加了10%20%.但是西北地区东部气候仍呈暖干化,同期的降水量减少了5%15%,干旱事件频发32(图3),基于降水与蒸发的干旱指数也反映出同样的变化特征33.伴随着气温的加速上升和西部的降水增加,冰川融水增加34,河川径流增多3537,湖泊水位上升38,39,洪涝灾害频发40,41,植被覆盖改善42.因此,世纪之交施雅风等人11,12提出了西北地区气候从暖干向暖湿转评 述1815型的科学推断,也曾一度引起社会各界的关注,但由于当时呈现暖湿迹象的范围较小,时段较短,并未达成共识1.(4)从半个世纪的长期趋势看,增暖背景下西北东、西部降水呈跷跷板变化.从1998年开始,西北地区对“全球变暖停滞”也呈现出明显的响应特征43,44,绝大多数区域升温趋势减缓,部分区域也出现了阶段性降温45,但总体来看,气温仍呈上升趋势.就降水而言,从19612015年的长期趋势来看,西北西部年降水量呈增加趋势,增加率位于0.1%/10 a10.0%/10 a之间,而西北东部呈减少趋势,减少率介于05%/10 a之间4650,降水日数也表现出同样的变化特征51.19612016年,西北西部的汛期降水量以4.8 mm/10 a的速率增加,西北东部以5.3 mm/10 a的速率减少.而且西北东、西部降水呈现反向匹配关系,其中总体趋势上的反向匹配主要是1580 mm量级降水的贡献所致,而年代际尺度上的反向匹配主要是6070 mm以下量级降水的贡献所致.因此,Zhang等人19提出了西北东、西部降水呈图 219511986年西北温度距平与降水距平百分率变化曲线.修改自文献26Figure 2Change curve of temperature anomaly and precipitationanomaly percentage in Northwest China from 1951 to 1986.Revisedfrom Ref.26图 319512000年西北东、西部降水标准化变量累积曲线.修改自文献32Figure 3Cumulative curves of precipitation standardized variables inthe east and west of Northwest China from 1951 to 2000.Revised fromRef.32图 1西北地区近2000年温度和降水变化.修改自文献6,7,24Figure 1Changes of temperature and precipitation of recent 2000 years in Northwest China.Revised from Refs.6,7,242023 年 5 月第 68 卷第 14 期1816跷跷板变化的观点.(5)20世纪90年代初期以来,西北干旱区暖湿化进程加剧.从总趋势看,1961年以来,西北干旱区温度和降水均呈一致增加趋势,温度增加率为0.34C/10 a;降水增加率为7.7 mm/10 a20,52.而且,近60年以来综合降水和温度协同作用的干燥度指数(潜在蒸发/降水量)也在明显减小,这进一步证实了西北干旱区气候变湿的趋势.不过,更值得注意的是,降水和干燥度指数变化表现为明显的非线性增加或减少趋势.降水增加速率在19611990年相对平缓,大约为3.5 mm/10 a;而在1990年之后,增速显著加快,大约为10.2 mm/10 a;干燥度指数在19611990年减少速度很慢,但在1990年之后减小速度显著加快.很显然,降水和干燥度指数均表现出明显的非线性变化趋势,从20世纪90年代开始降水增加的趋势越迅速,而干燥度指数减少趋势越剧烈,因此,西北干旱区的暖湿化在20世纪90年代初期以来呈加剧特征20(图4).(6)21世纪初开始西北暖湿化呈东扩增强特征.21世纪初西北地区对全球增暖减缓也表现出了响应特征,气温呈现出阶段性降低,但近10年来又呈显著增加的趋势28,53.降水尽管从19612020年长期趋势看,西北西部增加,东部减少,但自20世纪90年代后期开始,西北东部也开始增加5456,而且增加趋势非常显著,并发生了由减少到增加的转折性变化5759.从西北整体来看,20世纪90年代后期以来降水也呈现出显著增加的趋势6062.此外,西北地区的湿化趋势从时空来看是动态变化的,降水西增东减的分界线自1971以来呈逐气候态时段东扩,且到最近一个气候态时段(19912020年)已经东扩至西北全境,即整个西北地区基本转为一致的变湿趋势.同时通过对比不同年代降水湿润面积和湿润强度指数相限空间分布,我们可以清晰地发现21世纪以来湿化呈增强趋势.因此,我们提出了21世纪以来西北地区湿化趋势的东扩增强特征21,24(图5).1.2未来暖湿趋势的可能变化尽管当前西北地区整体呈现出了暖湿化趋势,但这种暖湿化究竟是多长时间尺度的气候变化,未来是否仍会持续,强度如何变化等特征并不确定.为此,近年来利用不同资料开展了大量的预估研究.基于CMIP5多模式集合预估表明,不同情景下21世纪西北地区温度将会持续升高,其中冬季增温尤为明显,且西北西部增温速率高于东部,特别是RPC8.5情景下到21世纪末增温幅度将高达6C 6 3.就降水而言,20212050年西北降水呈增加趋势,且冷季的增加明显于暖季,其中暖季的增加幅度为10%20%,冷季的增加幅度为20%40%64.在1.5C温升下西北年降水变化表现出季节性差异,但平均增加6.3%65,而极端降水出现的风险比当前可能高出3倍6668.相对于19862005年,在RCP4.5情景下21世纪西北大部的降水和潜在蒸发均呈增加趋势,但由于降水的增加幅度超过了潜在蒸发,使得西北大部未来将持续变湿69,70.由于CMIP6模式物理过程的改进,其模拟结果较CMIP5更接近观测71,而且对西北干旱区的改进效果更好72,基于CMIP6中等排放情景下多模式集合预估图 419612018年西北干旱区温度、降水及干燥度指数年际变化.修改自文献20Figure 4Interannual change of temperature,precipitation and aridity index in the arid region of Northwest China from 1961 to 2018.Revised fromRef.20评 述1817表明,在20192099年期间,西北干旱区升温速率为0.32C/10 a,略小于过去60年的,但到21世纪末平均气温将会比当前高2.5C左右,达到11C以上,而且在2040年前后将会超过9.3C的暖温带阈值;而降水变化率为3.0 mm/10 a,还不到过去60年的一半,变化趋于平缓,到21世纪末将会比当前增加24 mm左右,达到200 mm左右,距离250 mm的半干旱区阈值仍有明显差距17,73.此外,基于CMIP6中等排放情景下湿润度指数多模式集合预估分析发现,20212050年西北地区一致呈变湿趋势,但相对于过去30年变湿趋势明显放缓,即使到21世纪末期,变湿趋势也很难改变西北干旱半干旱的气候格局.不过如果按照当前的暖湿趋势外推,到21世纪末期改变西北地区的气候格局并非没有可能24.因此,未来西北地区可能继续呈暖湿化,不过模式预估和趋势外推结果均存在很大的不确定性,只可供应对气候变化措施制定作参考,未来暖湿趋势变化仍需继续关注.1.3暖湿化的驱动机制温室气体的大量排放是导致全球变暖的主要原因早已成为国际学界的共识,我国西北地区也不例外.然而对于当前西北地区变湿的原因尽管已经开展了大量研究,但目前并没有非常明确又令人信服的科学结论.有研究认为,人类活动引起水分循环加快可能是造成西北地区近几十年降水增加的主要原因之一52.首先,温室气体排放导致的气候变暖加快了地表蒸散发,进而通过引起空气中水汽含量增加,使得降水再循环率明显增加74.19822019年间,西北地区103月降水再循环率增加6%8%,是冷季变湿的主要驱动因素56,新疆地区降水再循环率呈现每10年2.29%的显著增加趋势75.其次,变暖和气溶胶的排放加速了高山冰川、积雪的融化,同样通过加快地表蒸发而导致降水再循环率增加.再次,区域和局地灌溉面积扩张和城市发展等“绿洲化”过程使得河流、湖泊等水体面积增加,土壤水分增多通过加快地表蒸发最终也引起降水再循环率增加.不过,尽管当前西北地区湿化趋势比较显著,但从历史时期的降水变化来看,湿化程度尚未超出近几个世纪自然变异的范围76.因此,不少学者认为,西北地区当前的湿化可能是年代以上时间尺度气候自然变异的结果,而且大气环流异常是导致当前湿化的主要原因.西北地区横跨东亚夏季风北边缘线,西风和季风环流异常对区域气候均产生显著影响.由于西风环流是贯穿于全球的系统,整个西北地区基本都会受其影响,而且西风环流主要呈现纬向和经向两种基本状态,纬向环流主要指西风带,经向环流主要包括亚洲急流的经向偏移、欧亚型遥相关波列以及丝绸之路遥相关波列.20世纪80年代中期以来,西风纬向环流的年代际增强使得远距离的水汽输送增多可能是引起西北地区降水增加的原因之一24,55;副热带西风急流经向偏移,使得涡度平流和垂直运动发生异常,这可能是西北地区当前降水显著增多的另一原因77,78;太平洋-北美-欧亚遥相关波列激发西伯利亚气旋性异常环流,进而通过异常的水汽输送导致20世纪90年代以来西北地区冬季降水增加79.此外,丝绸之路遥相关波列的显著负位相引起亚洲急流经向偏移,进而使得1998年以来西北地区东部夏季降水发生年代际异常变化57.季风环流属于洲尺度上活动的系统,虽然夏季风北边缘线的平均位置从青藏高原东侧北上,经西北东部、华北北部、东北西部,最后延伸至东北亚,但北边缘线的北界位置年际、年代际变化明显80,有时季风还会西伸至甘肃河西乃至新疆地区81,82.当前西北地区的显著变湿与东亚夏季风年代际分量的显著增强关系密切21,且其通过子系统西太平洋副热带高压将异常的水汽输送至西北地区83,使得西北地区从东边界流出的水汽明显减少,滞留在西北上空的水汽净通量图 5西北地区降水湿润面积和湿润强度相限空间分布.修改自文献21Figure 5The spatial distribution of precipitation wet area and wetintensity in Northwest China.Revised from Ref.212023 年 5 月第 68 卷第 14 期1818增加20,52.南亚夏季风减弱,印度半岛会激发反气旋异常,其西北侧的伊朗高压也减弱,并激发气旋异常,使得阿拉伯海水汽从伊朗高原东侧沿青藏高原向北输送,使得西北地区降水增多84,85.西风、东亚夏季风以及南亚夏季风对西北地区当前湿化趋势的影响并不是独立的,Zhang等人21利用西风和季风环流指数定义了以下环流协同影响指数:IaWIbEMIcSMI=+,(1)cmw式中,Icmw为环流协同指数,WI、EMI和SMI分别为标准化西风、东亚夏季风和南亚夏季风指数,a、b、c分别是权重系数,即为变湿综合指数同标准化西风、东亚夏季风和南亚夏季风指数之间的相关系数.在年代际尺度上,尽管变湿综合指数与西风、东亚夏季风、南亚夏季风以及环流协同指数之间均存在显著关系,相比较其与环流协同指数之间的相关性最显著.因此,21世纪以来,西北地区气候湿化趋势可能是西风、东亚夏季风环流年代际增强及南亚夏季风环流年代际减弱协同作用的结果.而且,西风和季风环流的年代际协同作用使得高空急流有所北移,高空急流中心范围明显东扩;南亚高压强度明显增强,且东扩显著;西太平洋副热带高压强度增强,且明显西伸北抬.高空急流、南亚高压以及西太平洋副热带高压的年代际异常使得西北地区高、低层散度场和整层水汽输送发生异常,垂直运动显著增强,最终导致21世纪以来气候呈现出显著的湿化趋势20,21.虽然大气环流异常是西北地区湿化趋势的直接原因,但导致大气环流异常的最终原因是海陆热力差异,海洋对大气环流异常起了主要的驱动作用.AMO作为北大西洋海温最显著的多年代际变率模态,其通过海温多年代际异常激发丝绸之路遥相关波列,并调制热带西太平洋海温的多年代际变率86,进而对西风带和东亚夏季风均产生影响87;PDO作为太平洋海温年代际尺度上最显著的变率模态对东亚夏季风异常起着重要的调制作用88,89;IOBM作为印度洋海温异常主要模态对南亚夏季风的异常存在调制作用90,91,同时与PDO的协同作用下使得欧亚遥相关波列发生异常92,进而对东亚夏季风产生影响.因此,大西洋、太平洋以及印度洋海温的年代际异常使得东亚上空的西风和季风环流发生异常,进而导致西北地区降水发生年代际增加.西北地区当前湿化的可能驱动机制示意图见图6.2暖湿化的影响由于西北地区暖湿化特征明显,且已经对脆弱的生态环境、水资源以及农业产生了广泛影响,因此,目前关于暖湿化的影响也开展了众多研究.2.1对气候格局的影响尽管21世纪以来西北地区气候呈显著暖湿化趋势.图 6(网络版彩色)西北地区当前湿化的可能驱动机制Figure 6(Color online)Schematic diagram of the possible driving mechanisms of current humidification in Northwest China评 述1819但通过比较19612000与20012020年两时段降水蒸发湿润度指数(降水量/潜在蒸发)平均值空间分布发现,20012020年湿润度等值线相比较于19612000年期间的确有所变化,但变化范围非常有限.从降水蒸发湿润度指数划分气候区的标准来看,20012020年较19612000年干旱区范围有所缩小,半湿润区范围有所扩大,但变化范围均相对较小,还远远没有达到改变总体气候格局的程度21.2.2对生态植被的影响虽然影响生态植被的气候因素比较多,但温度和降水直接决定着生态植被生长的水热条件,是影响生态植被的关键要素.从长期趋势看,西北地区植被指数与降水和温度均呈现显著正相关,因此,气候暖湿化趋势总体有利于植被条件的改善,不过由于西北地区暖湿化的动态变化使得植被变化存在一定的时空差异.19822014年新疆年平均归一化植被指数(normalizeddifference vegetation index,NDVI)呈现阶段性变化,19821998年平均NDVI显著增加,增速为0.40%/10 a,1998年之后呈现出明显的下降趋势,变化率为0.50%/10 a93;河西走廊植被在20002015年间整体呈增加趋势,植被覆盖度从西北向东南显著增加94;包括甘肃陇中、陇东以及陕北在内的黄土高原地区在19822000年植被显著退化,但20012018年植被覆盖明显改善24,95.不过不同类型下垫面对暖湿化的响应程度并不一致,植被条件改善的区域主要在具有一定降水条件的区域,而并非干旱少雨的荒漠区域20.当然21世纪初以来,西北东部的暖湿化是西北黄土高原生态植被明显改善的自然因素,而1999年国家实施“退耕还林还草”工程是西北黄土高原地区植被明显改善的人为原因.2.3对水资源的影响河川径流是西北地区水资源的重要组成部分,占水资源的总量超过了85%96.近年来,在暖湿化背景下西北地区径流发生了显著的变化,新疆大多内陆河径流量1961年以来呈增加趋势,其中开都河以1.37 m3/(10 a s)速率增加,叶尔羌河以0.73 m3/(10 a s)速率增加,乌鲁木齐河源径流量19932017年较19591992年增加了约70%97.河西走廊三大内陆河中的黑河和疏勒河年径流量1961年以来分别以2.0和3.3 m3/(10 a s)的速率增加.三江源区的长江和澜沧江源区径流量1961年以来分别以13.7和0.64 m3/(10 a s)速率增加98.湖泊面积与内陆河流量表现为相似的变化趋势.受内陆河径流量增加的影响,西北地区西部过去30年大部分湖泊面积呈增加趋势,面积大于1 km2的湖泊数量增加了14个,湖泊总面积增加了950 km299.其中,19992007年间湖泊面积增加速率最快100.20世纪80年代中期以来,博斯腾湖的水位、面积和储水量变化呈升高和增加趋势,特别在19882002和20132016年尤为显著93.此外,鄂陵湖、扎陵湖、哈拉湖和青海湖面积2001年以来也显著增加,受人类活动影响较小的哈拉湖面积扩大趋势更为明显24.由于西北地区的河川径流补给主要来源于冰川和积雪,因此冰川面积的变化对水资源的变化起着决定性作用.暖湿化背景下西北地区冰川呈现消融态势101.其中,塔里木内陆河流域冰川在19602001年总面积减少了3.3%,其中面积介于15 km2的冰川面积减少量占该流域冰川总减少面积的48.3%102.19562010年间祁连山冰川面积减少了20.9%,其中面积小于1 km2的冰川面积减少最为严重103.总之,气候暖湿化已经对西北地区水资源产生了显著影响,冰川面积显著减少,河川径流量和湖泊面积显著增加.2.4对农业的影响西北地区在气候暖湿背景下,光、热、水资源增加,农业适宜种植区扩大,产量增加.北疆棉花适宜种植区面积扩大,宜棉区海拔上限平均抬升150200 m,与19811990年相比,20012012年宜棉区面积扩大10.2%.南疆棉花种植品种总体向生育期较长,增产潜力更大的中早熟和中熟品种转变.与19611996年相比,19972013年中早熟和中熟棉区面积分别扩大3.6%和1.5%97.冬小麦种植北界在甘肃不同程度西扩北移,其中河西地区西扩80170 km,北移130180 km;甘南高原西扩40150 km,北移80140 km.甘肃冬油菜种植北界平均北移40300 km,从陇中地区南部向北部转移.冬小麦单产在甘肃陇南增产幅度达2.85 kg/hm2.春小麦单产在甘肃河西增产幅度最大,达3.18 kg/hm2.玉米和马铃薯在甘肃河西增产幅度分别达13.08和9.60kg/hm2104,105.变暖使得林果业适宜种植区也明显扩大,产量增加.新疆香梨最适宜种植区南移西扩明显,与19611996年相比,19972015年最适宜、次适宜种植2023 年 5 月第 68 卷第 14 期1820面积分别增大4.1%和4.4%,适宜和不适宜种植面积分别缩小5.2%和3.2%;红枣适宜种植区也明显扩大,南疆和东疆适宜区海拔上限提高了50150 m,与19611996年相比,19972015年适宜种植区扩大31.2%,北疆次适宜北扩明显.特别是进入21世纪随着气候暖湿化的加剧,新疆红枣产量增加97.此外,变暖还使得甘肃陇中的党参、黄芪等中药材的适宜播种期、移栽期至返青期提前79 d左右,生育时段延长1015 d,同时生育时段热量充裕也有利于中药材产量增加104,105.尽管暖湿化为西北地区生态、水资源和农业带来了很多机遇,但同样产生了众多不利影响,比如气候变暖使得农田蒸发量加剧,水分利用效率降低,农业生产不稳定性增加,部分高寒物种灭绝,冰川和积雪融化加快,固体水资源锐减,地表径流的稳定性降低,同时暖湿化也使得干热风、极端强降水等各种气象灾害的风险增大.总体来看,利大于弊(图7).3西北暖湿化研究的科学问题与展望通过对西北地区气候暖湿化问题的研究进展分析,更加深刻认识到,尽管目前对西北气候暖湿化已经开展了大量研究工作,但由于研究资料、研究方法和研究思路等众多因素的局限性,在暖湿化的时空尺度、驱动机制、影响程度以及未来变化趋势等方面仍存在很多不明确的问题亟须厘清.(1)从大气、水文及生态等多学科相互作用角度探讨气候暖湿化的驱动机制.尽管关于西北地区气候暖湿化的驱动机制已经开展的大量研究,并且认为大气环流是其主要驱动因素,但降水、蒸发及径流等水文过程以及地表-生物-大气中的能量、物质等交换的生态过程对暖湿化的影响也不容忽视.西北地区地域广阔,地形复杂,地貌多样,高山、盆地、平川、沙漠、戈壁、绿洲等兼而有之,不同下垫面的水文与生态过程差异明显.因此,从大气、水文及生态等多学科相互作用角度全面揭示气候暖湿化的驱动机制非常必要.(2)气候暖湿化背景下极端天气气候事件的变化特征.极端气候事件作为是一种稀少事件,随机性大、突发性强、危害性大.大量研究表明,全球变暖背景下极端气候事件趋多趋强106.西北地区气候暖湿化背景下,必然会引起区域气候系统内部包括水分、热力和动力条件的连锁反应,会进一步影响到高(低)温、干旱、强降水等极端事件的形成,如2019年夏季新疆拜城和阿克苏以及甘肃肃州单日降水突破历史极值,2021年夏季西北东部发生了历史罕见的干旱.因此,厘清暖湿化背景下强降水、干旱、沙尘暴等极端天气气候事件的变化规律对深入理解西北气候暖湿化和科学防御极端灾害至关重要.(3)地表水分循环对气候暖湿化的响应特征.气候变暖使得地表蒸散增加,进而通过影响降水量、水的图 7(网络版彩色)西北地区当前湿化的影响Figure 7(Color online)Schematic summary of the consequences of current humidification in the Northwest评 述1821相态等环节变化加快了地表水分循环,而西北地区当前的湿化趋势仅仅是基于降水研究的结果,目前对于暖湿化背景下地表水分循环的另外两个分支地表蒸散发和径流变化特征并不确定,地表水分收支如何变化更是模糊.因此,弄清西北地区地表水分循环各分支的变化特征及其关联性,明确影响各分支的主要因子,进而揭示地表水分收支变化特征及其影响机理对深入理解西北气候暖湿化非常必要.(4)气候暖湿化与水文、生态的耦合机制.尽管在暖湿化背景下西北地区冰川、径流、湖泊等水文特征以及植被等生态特征发生了明显变化,但目前的认识仅仅停留在线性关系层面,对于暖湿化与水文和生态特征的耦合机制并不清楚,事实上温度与降水对水文和生态的影响很复杂,水文特征和生态环境对气候变化的响应存在一定的时滞关系,而且在不同的气候分区时滞响应也并非相同.因此,全面客观地评估暖湿化对水文和生态的影响可为应对气候变化的措施制定提供科学依据.(5)气候暖湿化对水资源安全、生态安全及粮食安全带来的机遇和风险.气候暖湿化带来的影响既有机遇,又有挑战,首先暖湿化使得区域气候条件有所改善,水资源总量有所增加,生态环境会向好发展,农业气候资源有所优化.同时使得大量的冰雪资源减少,部分适宜在高寒地带生长的物种灭绝,部分粮食作物产量降低,暴洪等气象灾害多发频发.因此,科学分析与积极应对气候暖湿化对水资源安全、生态安全以及粮食安全带来的机遇与风险是西北地区可持续发展的迫切需求.(6)“双碳”(碳达峰、碳中和)目标下西北地区未来气候趋势及适应.气候变化是当今人类面临的重大全球性挑战,国际社会正在积极响应和努力实现2030年前碳达峰和2060年前碳中和的“双碳”目标.这种强制性的未来情景必然会对未来全球气候变化具有现实约束性的强迫作用.值得我们密切关注的是,西北地区未来气候变化会对“双碳”目标约束下的全球气候变化背景作出怎样的响应,西北地区生态环境、水资源管理、现代农业发展和社会经济建设将如何作出适应对策.4结语通过以往研究进展的归纳和梳理,本文对西北地区气候变化的研究划分出了6个阶段,但这种划分主要是基于历史经纬,并未从科学观点和角度进行深入总结和凝练.从气候暖湿化的驱动机制来看,人类活动造成温室气体的排放是导致增暖的主要原因,而导致湿化趋势既有人为因素,又有大气环流自然变率的原因,西风和季风多年代际协同作用可能是导致湿化趋势的主要自然变率因素,当然海温是驱动大气环流异常主要因素.不过,气候暖湿化的成因十分复杂,目前的认识应该只是冰山一角,对这个问题的破解需要从气候系统角度进行深入洞察.西北地区当前暖湿化已经对生态、水资源及农业产生了显著影响,但其影响利弊皆有,总体看,也许利大于弊.不过,无论如何,应该树立趋利避害的理念,提前制定应对暖湿化影响的综合策略和行业规划.尽管关于西北气候暖湿化的事实已基本明确,但对于其未来变化趋势仍存在很大不确定性,其可能造成的影响和带来的风险也知之甚少,尤其是“双碳”目标下西北地区未来气候趋势和环境状况会如何发展更是不得而知,很多问题仍然在科学探索和讨论之中.立足当前对西北气候暖湿化问题的认识水平,最主要的任务是既要抓住气候暖湿化机遇,加强生态环境保护,构筑西部生态安全屏障,也要根据西北气候暖湿化空间格局及其动态变化特征,及时调整和优化农业产业结构和布局,最大限度利用水分和热量资源.同时,还要积极提升极端天气气候事件的监测、预报、预警能力,预防天气气候极端化带来的不利影响;不断加强冰川和积雪资源保护,积极应对西北气候暖化带来的风险.针对未来西北地区气候湿化可能的减缓趋势,未雨绸缪,及早增强气候变化适应能力及生态和水资源安全风险防范能力.参考文献1Zhang Q,Zhang C J,Bai H Z,et al.New development of climate change in Northwest China and its impact on arid environment(in Chinese).JArid Meteorol,2010,28:17 张强,张存杰,白虎志,等.西北地区气候变化新动态及对干旱环境的影响总体暖干化,局部出现暖湿迹象.干旱气象,2010,28:172Ye D Z,Huang R H.Causes and predictions of droughts and floods in the Yellow River valley and the Yangtze River valley of China(in Chinese).2023 年 5 月第 68 卷第 14 期1822Adv Earth Sci,1991,5:2429 叶笃正,黄荣辉.我国长江黄河两流域旱涝规律成因与预测研究的进展.地球科学进展,1991,5:24293Xu G C.Climate Change in Arid and Semi-arid Regions of China(in Chinese).Beijing:China Meteorological Press,1997.1965 徐国昌.中国干旱半干旱区气候变化.北京:气象出版社,1997.19654Fu C B,An Z S.Study of aridification in Northern ChinaA global change issue facing directly the demand of Nation(in Chinese).Front EarthSci,2002,9:271275 符淙斌,安芷生.我国北方干旱化研究面向国家需求的全球变化问题.地学前缘,2002,9:2712755Huang J,Li Y,Fu C,et al.Dryland climate change:Recent progress and challenges.Rev Geophys,2017,55:7197786Yang B.Climate history of the Tibetan Plateau during the last two millennia(in Chinese).Adv Earth Sci,2003,18:285291 杨保.青藏高原地区过去2000年来的气候变化.地球科学进展,2003,18:2852917Yang B,Qin C,Wang J,et al.A 3500-year tree-ring record of annual precipitation on the northeastern Tibetan Plateau.Proc Natl Acad Sci USA,2014,111:290329088Ding Y J,Zhang S Q,Li X R,et al.Ecological C