北半球干旱區(qū)降水轉(zhuǎn)化和再循環(huán)特征及其在全球變暖背景下的變化.pdf

1、水分循環(huán)是研究氣候變化中的一個(gè)基本內(nèi)容，也是降水發(fā)生的基本條件之一。水分循環(huán)過程既影響著陸氣之間水分交換的變化，也影響著大氣的能量收支，既對(duì)氣候變化響應(yīng)，也對(duì)氣候產(chǎn)生影響。干旱區(qū)降水稀少，水汽來源匱乏，水分循環(huán)中的局地水分循環(huán)在降水中占有多大比例是一個(gè)基本科學(xué)問題；同時(shí)，蒸發(fā)是水分循環(huán)中的重要環(huán)節(jié)，蒸發(fā)量的估算是定量評(píng)估水分循環(huán)的關(guān)鍵，和同緯度其他氣候區(qū)相比，干旱區(qū)平均氣溫偏高，土壤濕度偏低，使得蒸發(fā)的估算具有較大不確定性，如何客觀準(zhǔn)確

2、的估算蒸發(fā)是一個(gè)值得探索的科學(xué)問題。
　　本文通過使用NCEP、EAR-Interim、GLDAS等多種再分析及模式輸出資料的綜合計(jì)算、診斷分析，在比較不同蒸發(fā)估算方法的基礎(chǔ)上，探索、發(fā)展了一個(gè)相對(duì)合理、且客觀定量的蒸發(fā)計(jì)算方法；分析了全球溫度顯著升高的近30年（1981-2010），北半球典型干旱區(qū)水分循環(huán)中降水轉(zhuǎn)化及再循環(huán)的時(shí)空特征，并利用CMIP5結(jié)果對(duì)21世紀(jì)不同時(shí)期（初期：2017—2036，中期：2047—2066，后

3、期：2077—2096）、典型干旱區(qū)的水分循環(huán)時(shí)空變化進(jìn)行了預(yù)估，并探討了溫度升高情況下水分循環(huán)變化的可能機(jī)制。
　　首先，本文把北半球干旱區(qū)分為中蒙、西亞、北非和北美干旱區(qū)四個(gè)區(qū)域，利用Penman—Monteith蒸發(fā)及Brubaker再循環(huán)模型，計(jì)算了北半球典型干旱區(qū)的年平均降水再循環(huán)率。結(jié)果顯示，中蒙、西亞、北非和北美干旱區(qū)的年降水再循環(huán)率分別為5％、12%、18%和8%。降水量最少的西亞、北非干旱區(qū)的降水再循環(huán)率大于中蒙

4、、北美干旱區(qū)，表明在干旱地區(qū)，局地水汽貢獻(xiàn)對(duì)總降水的貢獻(xiàn)更大。在過去的30余年來，隨著全球氣溫的上升，西亞干旱區(qū)的降水再循環(huán)率呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)，而降水呈現(xiàn)出減少趨勢(shì)，尤其自1981年以來，該地區(qū)降水減少，同時(shí)降水再循環(huán)率以0.43%10a-1的速率增加，表明在全球變暖背景下，由于水汽輸送在該地區(qū)為凈輸出，因此降水再循環(huán)率在降水減少過程中起著補(bǔ)償作用；在北美和北非干旱區(qū)的再循環(huán)率為減少趨勢(shì)（-0.45%10a-1和-0.26%10a-1）。

5、在北美干旱區(qū)， Penman蒸發(fā)增加（0.07 mm day-110a-1）、可降水量增加（0.12 kg m-210a-1），但總降水減少（-0.02 mm day-110a-1），表明通過蒸發(fā)從下墊面進(jìn)入大氣的水汽增多，但是并未轉(zhuǎn)化為實(shí)際降水。而在北非干旱區(qū)，降水為增加趨勢(shì)（0.06 mm day-110a-1），對(duì)應(yīng)降水再循環(huán)率減小，外部水汽輸送增加。這表明外部水汽輸送增加使得北非干旱區(qū)局地貢獻(xiàn)水汽在總降水中的比率降低，降水增加。

6、總體而言，外部水汽輸送仍然是降水的主要來源，降水再循環(huán)在降水出現(xiàn)減少趨勢(shì)時(shí)起到補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br>　　蒸發(fā)的估算對(duì)于水分循環(huán)起著決定性的作用。但是，實(shí)際的蒸發(fā)很難估算。為了減小參考蒸發(fā)和實(shí)際蒸發(fā)之間的差別，本文通過對(duì)比Penman蒸發(fā)以及利用土壤濕度修正后的改進(jìn)蒸發(fā)，應(yīng)用動(dòng)力降水再循環(huán)模型 DRM，計(jì)算亞非干旱區(qū)降水再循環(huán)率，分析結(jié)果表明受限于有限的土壤水分，干旱區(qū)蒸發(fā)量（0.3—0.8 mm day-1）小于參考蒸發(fā)量（4.4—11.

7、0 mm day-1）。通過比較降水再循環(huán)率與ET-P發(fā)現(xiàn)，中蒙、北非干旱區(qū)降水再循環(huán)率降低，同時(shí)外部水汽輸送在總水汽中比例升高，對(duì)應(yīng)ET-P減小，陸面水汽支出減少，西亞干旱區(qū)水汽為凈輸出、降水再循環(huán)率增加，局地水汽貢獻(xiàn)在總水汽中增加，對(duì)應(yīng)ET-P增加。這表明降水再循環(huán)過程對(duì)于在亞非干旱區(qū)的干旱有負(fù)反饋機(jī)制：降水再循環(huán)率降低，對(duì)應(yīng)更多外部水汽輸送進(jìn)入干旱區(qū)，總降水中局地水汽貢獻(xiàn)比例降低，外部水汽供應(yīng)與內(nèi)部水分循環(huán)相配合，表現(xiàn)為干旱區(qū)ET

8、-P減小，陸面水汽支出減少，干旱程度減弱。與此相反，當(dāng)降水再循環(huán)率增加時(shí)，外部水汽輸送減弱，局地水汽作為補(bǔ)償更多參與降水過程，ET-P增加，陸面水汽輸出增加。
　　水汽在大氣中存在的時(shí)間也影響著降水的再循環(huán)率。本文選取中蒙干旱區(qū)3次典型個(gè)例，分別代表對(duì)流型及平流型降水過程，利用WRF和FLEXPART模式對(duì)3次個(gè)例進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明：中蒙干旱區(qū)降水及再循環(huán)過程中，正午局地蒸發(fā)大于降水，陸面水汽通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，局地水汽貢獻(xiàn)達(dá)

9、到最大（>0.1 mm），再循環(huán)過程開始增強(qiáng)，在傍晚達(dá)到最大（>10%），降水再循環(huán)對(duì)降水有增強(qiáng)作用，降水轉(zhuǎn)化率同時(shí)達(dá)到最大（>7%），降水、蒸發(fā)也同時(shí)達(dá)到最大。此后局地水汽貢獻(xiàn)量逐漸減小，在凌晨至清晨蒸發(fā)達(dá)到全天最低，局地水汽貢獻(xiàn)為負(fù)（ET-P<-0.2 mm）。而這一特征在平流型降水過程中更為明顯。此外，通過分析選取個(gè)例中降水等變量的日變化特征，結(jié)果表明中蒙干旱區(qū)降水、蒸發(fā)、降水轉(zhuǎn)化及降水再循環(huán)率均存在準(zhǔn)10天的變化周期，這與氣候平

10、均的結(jié)果相近。并且在日尺度上降水再循環(huán)對(duì)于降水變化存在負(fù)的反饋機(jī)制：當(dāng)降水減小后蒸發(fā)增加，更多水汽由地面進(jìn)入通過蒸發(fā)進(jìn)入大氣，參與降水再循環(huán)，補(bǔ)償降水減少。而在空間分布上，中蒙干旱區(qū)降水再循環(huán)率分布不均勻，在湖泊，徑流及地面濕度較大地區(qū)，由于蒸發(fā)較強(qiáng)，降水再循環(huán)率偏強(qiáng)。在降水過程中，外部水汽貢獻(xiàn)主要以緯向水汽輸送為主，占總水汽量40%左右。而經(jīng)向輸送水汽則占7%~20%，且經(jīng)向水汽輸送偏強(qiáng)時(shí)，降水量較大，反之亦然。
　　全球變暖對(duì)

11、水分循環(huán)有著重要的影響。本文分析了未來不同排放情景下水分循環(huán)的變化特征。結(jié)果表明，大氣的可降水量在未來不同升溫階段均出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)趨勢(shì)和分布，這是由氣溫升高增加了大氣的持水能力所致。并且ET-P存在干旱區(qū)增加、濕潤(rùn)區(qū)減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)出干旱區(qū)越干，濕潤(rùn)區(qū)越濕的變化趨勢(shì)，同時(shí)干旱區(qū)降水轉(zhuǎn)化率及降水再循環(huán)率為減小趨勢(shì)，表明隨著全球溫度的上升，干旱區(qū)局地水分循環(huán)減弱。在未來的21世紀(jì)的不同時(shí)期，全球陸地平均降水轉(zhuǎn)化率和再循環(huán)率均表現(xiàn)為減弱

12、趨勢(shì)，分別減少1.5%和0.7%，RCP8.5情景下減小更為明顯，負(fù)距平為-2.7%和-0.9%。其中在典型干旱區(qū)，可降水量將隨溫度升高而增加，增加趨勢(shì)最大可達(dá)1.85 mm day-110a-1。雖然大氣的水汽含量增加顯著，但干旱區(qū)水汽的轉(zhuǎn)換率降低，表明全球溫度升高使得大氣的持水能力增加。而干旱區(qū)總體表現(xiàn)為水汽凈輸出，降水再循環(huán)率的減少表明，局地蒸散水汽由于平流作用輸出，并未參與局地降水再循環(huán)?？偪山邓恐?，來自外部平流水汽的輸送增強(qiáng)