薛媛，薛曉萍

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610225；2.山東省氣象防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250031；3.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南 250031)

引言

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告(Sixth Assessment Report，AR6)第一工作組報(bào)告指出，全球氣候變化正在以前所未有的速度加劇，氣溫持續(xù)升高導(dǎo)致大氣飽和水汽壓升高、地表水分蒸發(fā)增多，進(jìn)而使大氣容納水汽及驅(qū)動(dòng)降水的能力增強(qiáng)，水文循環(huán)加劇[1-5]。觀測(cè)[5-6]表明，全球年平均降水量無顯著變化，但極端降水量呈顯著增加趨勢(shì)，陸地約三分之二的站點(diǎn)日最大降水量增加。同時(shí)，陸地表面整體呈現(xiàn)干燥趨勢(shì)，干旱頻率增加，干旱持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、程度更嚴(yán)重，特別是中、低緯度地區(qū)夏季極端干旱事件明顯增多[7-8]。全球多地呈現(xiàn)極端降水和干旱事件頻發(fā)、并發(fā)的趨勢(shì)。例如，2002年夏天在歐洲觀測(cè)到大范圍的洪水，但是洪水之后伴隨著破紀(jì)錄的干旱[9]。2004年華南地區(qū)春、夏、秋三個(gè)季節(jié)降水均偏少，干旱嚴(yán)重，但在次年5月，華南大部分地區(qū)特別是在珠江三角洲和西江、北江等流域均發(fā)生特大洪澇災(zāi)害[10]。2011年5—6月，長(zhǎng)江中下游地區(qū)出現(xiàn)了旱澇急轉(zhuǎn)，短時(shí)間內(nèi)多地由嚴(yán)重干旱轉(zhuǎn)為暴雨澇災(zāi)，其劇烈程度歷史罕見[11]。2015年，廣東3—4月降水偏少且呈現(xiàn)較為嚴(yán)重干旱，汛期開始時(shí)間較常年偏晚，且在入汛后由干旱狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)為極端洪澇狀態(tài)[12]。在模擬未來不同溫室氣體排放情景下，極端降水事件在許多地區(qū)將呈增多、增強(qiáng)趨勢(shì)，同時(shí)受干旱影響的區(qū)域范圍可能增加[7,13]，長(zhǎng)期旱澇并發(fā)和短期旱澇急轉(zhuǎn)的現(xiàn)象將更明顯、更頻繁。

開展極端降水、干旱事件并發(fā)的成因機(jī)理研究，明確氣候變化-地表覆蓋-人類活動(dòng)內(nèi)在作用機(jī)制，對(duì)于科學(xué)防范旱澇災(zāi)害、保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義[14-15]?；诖?，本文將系統(tǒng)性綜述國(guó)內(nèi)外關(guān)于極端降水與干旱時(shí)空變化特征及其并發(fā)成因的研究成果，提出未來研究展望，以期為極端降水、旱澇并存及旱澇急轉(zhuǎn)等的機(jī)理研究提供參考。

1 極端降水時(shí)空格局變化

20世紀(jì)80年代至今，極端降水事件對(duì)于全球氣候變化的響應(yīng)十分敏感，但全球極端降水變化特征的空間差異性較大，研究主要集中在極端降水的定義、觀測(cè)事實(shí)和基于模式的未來預(yù)估等方面。

1.1 國(guó)際研究進(jìn)展

對(duì)于極端降水具體定義方式，一般采用兩種方法：一是絕對(duì)閾值法，即選取某一個(gè)降水值作為閾值，如在中國(guó)將日降水量大于50 mm定義為暴雨；二是相對(duì)閾值法，即采用百分位法，將基準(zhǔn)期內(nèi)日降水量自小到大排列成一個(gè)序列，序列第90、95、99百分位值作為閾值，日降水量超過閾值則認(rèn)為是一次極端降水事件。當(dāng)研究區(qū)域氣候差異較大，選擇相對(duì)閾值更為合適，可以避免絕對(duì)閾值對(duì)于一部分極端降水變化特征的反映不足。若研究區(qū)域氣候特征相似，利用絕對(duì)閾值法研究極端降水事件較為實(shí)用。目前常用的是ETCCDI(Expert Team on Climate Change Detection and Indices)的方法，其定義了11個(gè)降水指數(shù)[16-17](表1)?；谙鄬?duì)閾值劃分的極端降水在全球空間分布差異較大，較強(qiáng)的極端降水事件主要集中在東南亞、東南美洲、澳大利亞東北部和南美洲部分地區(qū)，較弱的極端降水事件主要在中亞和北半球高緯地區(qū)[18]。雖然關(guān)于極端降水具體定義方式存在差異，但是基于相對(duì)指數(shù)和極值指數(shù)的研究結(jié)論基本一致。

表1 ETCCDI定義的11個(gè)極端降水指數(shù)

注：nn為自定義絕對(duì)閾值。

近半個(gè)世紀(jì)以來，全球整體極端降水事件以顯著增長(zhǎng)為主[15,18-19]，極端降水變化特征的區(qū)域分布差異顯著，全球66.4%的站點(diǎn)極端降水發(fā)生頻率呈增加趨勢(shì)，56.7%的站點(diǎn)極端降水強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢(shì)[20-21]。全球極端降水頻率的變化趨勢(shì)顯示了很強(qiáng)的空間一致性，如圖1所示，歐亞大陸大部分地區(qū)(西歐—俄羅斯西部—中國(guó))的極端降水頻率以增多為主[6,22-24]。全球極端降水強(qiáng)度變化趨勢(shì)具有很強(qiáng)的區(qū)域和次區(qū)域分布特征，北半球2/3的陸地(西歐、南亞、西伯利亞以及中國(guó)西南地區(qū))極端降水強(qiáng)度呈現(xiàn)出增強(qiáng)趨勢(shì)，但空間分布較為復(fù)雜。在中歐、東歐以及我國(guó)西北和東南沿海部分地區(qū)呈現(xiàn)出極端降水強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)。北美東部、非洲南部和大洋洲北部的極端降水強(qiáng)度和頻率均以增加為主[21-25]。

圖1 20世紀(jì)中葉以來強(qiáng)降水事件變化的綜合評(píng)估與人類貢獻(xiàn)可信度(圖片摘自文獻(xiàn)[1]，英文縮寫含義見文獻(xiàn)中)Fig.1 Synthesis of assessment of observed change in heavy precipitation since the middle of 20th century and confidence in human contribution to the observed changes (the figure is adapted from reference [1], and see reference for the abbreviations in the figure)

IPCC AR6對(duì)于全球極端降水的評(píng)估認(rèn)為，人為影響特別是溫室氣體排放，可能是全球尺度陸地強(qiáng)降水事件增多、增強(qiáng)的主要驅(qū)動(dòng)力。隨著氣候變暖幅度增大，極端降水事件發(fā)生頻率將隨之加大。預(yù)計(jì)全球陸地有82%的區(qū)域(歐洲、亞洲季風(fēng)區(qū)和北美洲)極端降水強(qiáng)度將增強(qiáng)，同時(shí)極端降水量占總降水量的比例亦將持續(xù)增大，與溫帶地區(qū)相比，熱帶地區(qū)極端降水事件對(duì)氣候變暖更為敏感[1,3,23,25-27]。最強(qiáng)熱帶氣旋頻率將增加，以風(fēng)暴潮、海洋巨浪和潮汐洪水為主要特征的極端海平面事件疊加極端降水所造成的復(fù)合型洪澇事件發(fā)生頻率可能會(huì)成倍增加[1,4,13,28-29]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

對(duì)中國(guó)極端降水特征的研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)極端降水閾值(R95p)的空間分布格局與年降水等雨量線格局相似，從西北向東南方向逐漸增大[30-32]，除西北地區(qū)的極端降水以單日極端降水為主之外，其余地區(qū)以連續(xù)極端降水為主[33-34]。不同地區(qū)的氣候特征和變暖趨勢(shì)不同，導(dǎo)致水汽蒸發(fā)量不同，水汽循環(huán)結(jié)構(gòu)的變化存在差異，原有的降水分布型被打破，各地降水變率不一，強(qiáng)降水發(fā)生的突發(fā)性和不確定性加大。近半個(gè)世紀(jì)以來，中國(guó)極端降水量和極端降水日數(shù)總體呈現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)， 20世紀(jì)80—90年代發(fā)生突變?cè)鲩L(zhǎng)，年極端降水事件開始時(shí)間提前，結(jié)束時(shí)間推遲，持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)[33-35]。極端降水量的變化趨勢(shì)空間分布差異較大，中國(guó)東南及西北地區(qū)的極端降水量和極端降水日數(shù)均呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)，華北和東北東部地區(qū)呈減少趨勢(shì)，西南地區(qū)極端降水變化狀況較為復(fù)雜，全國(guó)極端降水量占總降水量的比例呈現(xiàn)南增北減的趨勢(shì)[32,36-39]。多模式預(yù)估結(jié)果[40-43]均顯示，高排放情景下，未來中國(guó)地區(qū)整體極端降水強(qiáng)度和頻率將逐步增加，但影響面積更小，持續(xù)多日極端降水事件向南、向西集中，其中影響面積大的事件多發(fā)生在北方，強(qiáng)度大的事件多發(fā)生在南方。

2 干旱時(shí)空格局變化

干旱作為世界最主要的氣象災(zāi)害之一，發(fā)生頻率高，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，影響范圍廣。干旱災(zāi)害對(duì)北美、歐洲、亞洲、澳大利亞等地區(qū)均造成了嚴(yán)重的危害，是全球關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

2.1 國(guó)際研究進(jìn)展

由年降水量來看，世界范圍內(nèi)缺水地區(qū)主要集中在非洲北部、亞洲中部和澳大利亞，水資源豐富地區(qū)位于中緯度和熱帶地區(qū)[21]。鑒于對(duì)干旱研究的角度和側(cè)重點(diǎn)不同，目前沒有統(tǒng)一的干旱定義可以充分表述干旱的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、危害以及對(duì)不同承災(zāi)體的潛在影響。一般采用干旱指數(shù)來量化干旱事件及其影響，在世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)的技術(shù)報(bào)告中列引的各國(guó)干旱指數(shù)多達(dá)58種[44]。常用的干旱指數(shù)主要考慮降水量、蒸散、徑流、土壤水分平衡等影響要素，如表2[45]所示。

表2 常用的氣象干旱指數(shù)特征[45]

自20世紀(jì)60年代至今，全球陸地表面整體呈現(xiàn)加速干燥趨勢(shì)，干旱頻率增加約9.7%，干旱地區(qū)增加3.3%，干旱事件趨于持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)、強(qiáng)度增大，東半球趨于干旱，西半球趨于濕潤(rùn)[1,5,7,46]。全球整體年降水量的弱增加減輕了因潛在蒸散發(fā)量(氣溫)增加對(duì)干旱百分比(基于年尺度的SPEI指數(shù)，嚴(yán)重干旱陸地面積/總陸地面積×100%=干旱百分比)的影響，但在20世紀(jì)80年代以后，潛在蒸散發(fā)量對(duì)干旱百分比正貢獻(xiàn)更為顯著[8,46-48]。如圖2所示，全球干濕變化主要分為四種類型：①在南美東部、非洲、南亞和地中海地區(qū)，干旱頻率和嚴(yán)重程度呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，主要原因是降水減少和潛在蒸散發(fā)量增多；②在北美北部、亞洲中東部、歐洲部分地區(qū)以及大洋洲呈現(xiàn)更頻繁更嚴(yán)重的氣象干旱，這一變化趨勢(shì)的主要原因是溫度升高導(dǎo)致潛在蒸散發(fā)量顯著增加，使水分支出大于水分收入，造成氣象干旱頻發(fā)；③在美國(guó)、北歐、俄羅斯和東南亞地區(qū)潛在蒸散發(fā)量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，故整體呈現(xiàn)濕潤(rùn)趨勢(shì)；④南美洲南部地區(qū)的降水增多且潛在蒸散發(fā)量減少導(dǎo)致該地區(qū)整體趨于濕潤(rùn)[8,46,49]。

圖2 根據(jù)SPEI-12得到每個(gè)國(guó)家從1951—1980年到1981—2016年的干旱傾向性以及對(duì)應(yīng)降水量(RR)和潛在蒸散發(fā)量(PET)的增加或減少(圖片摘自文獻(xiàn)[8])Fig.2 Drought tendencies from 1951-1980 to 1981-2016 according to the SPEI-12 and corresponding increase or decrease of precipitation (RR) and potential evapo-transpiration (PET), per country(figure adapted from reference [8])

基于模式預(yù)測(cè)[7,48-50]分析，未來全球約72%的土地可能會(huì)經(jīng)歷干旱化，大約20%的陸地表面干旱持續(xù)時(shí)間將會(huì)隨著變暖而迅速增加，全球干旱和半干旱區(qū)域?qū)⒎謩e擴(kuò)大10.3%和9.9%，而濕潤(rùn)和半濕潤(rùn)地區(qū)將分別減少2.3%和4.9%，干旱面積將達(dá)到陸地總面積的56%，而干旱地區(qū)的擴(kuò)大將引起碳固存減少和區(qū)域變暖加劇，進(jìn)而導(dǎo)致干旱地區(qū)變暖趨勢(shì)是濕潤(rùn)地區(qū)的兩倍。到21世紀(jì)下半葉，全球大多數(shù)亞熱帶半干旱地區(qū)的干旱日數(shù)將顯著增加(10%～15%)，地中海盆地、非洲大部分地區(qū)、西亞和南亞、中美洲和大洋洲的干旱頻率預(yù)計(jì)將逐步顯著增加[51-52]。

2.2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

中國(guó)極端干旱閾值(基準(zhǔn)期連續(xù)無雨日數(shù)序列第95個(gè)百分位值)一般從東南向西北增加，與年平均降水量的空間分布相反，閾值的低值區(qū)位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)，高值區(qū)位于西北沙漠地區(qū)[30]。近半個(gè)世紀(jì)以來，中國(guó)整體趨于干旱，干旱日數(shù)增加，降水日數(shù)減少，持續(xù)干旱的范圍亦在增加，重大干旱事件明顯增多，重旱到特旱面積每10 a增加3.72%[53-54]，極端干旱事件強(qiáng)度和頻次變化特征的空間分布大致與年降水量變化特征相反，僅東南地區(qū)極端干旱強(qiáng)度、頻率與年降水量變化趨勢(shì)相同[30,55-56]。近年來，中國(guó)區(qū)域年降水變化特征的空間分布格局發(fā)生了顯著的變化。過去半個(gè)世紀(jì)，中國(guó)經(jīng)歷了北方“西濕東干”和東部“南澇北旱”的降水分布格局[57-59]。但這一降水格局在進(jìn)入21世紀(jì)后發(fā)生了明顯的年代尺度轉(zhuǎn)折性變化[60]，如圖3所示：在中國(guó)北方，華北地區(qū)的年降水量已轉(zhuǎn)為增加趨勢(shì)，新疆大部分地區(qū)的年降水量顯著減少[60-61]；在中國(guó)南方，長(zhǎng)江上中游以及江淮流域的年降水量呈顯著減少趨勢(shì)[62-64]。盡管這一轉(zhuǎn)型的強(qiáng)度還沒有完全達(dá)到改變其長(zhǎng)期趨勢(shì)空間分布格局的量級(jí)，但這并不能否認(rèn)整個(gè)空間格局的轉(zhuǎn)變。對(duì)比陸地儲(chǔ)水量(terrestrial water storage，TWS)分析發(fā)現(xiàn)，在2002—2016年之間，中國(guó)西部的TWS變化與年降水變化趨勢(shì)相似，但中國(guó)東部地區(qū)的TWS仍呈現(xiàn)出長(zhǎng)江中下游以南的地區(qū)以增長(zhǎng)為主，在華北地區(qū)以減少為主[60]。中國(guó)不同區(qū)域干旱事件的統(tǒng)計(jì)分析[53-55,65]也顯示：北方干旱化依然在加劇，北方大部分地區(qū)仍然處于干旱化階段，特別是華北、東北、西北地區(qū)東部呈現(xiàn)顯著干旱化，不同等級(jí)干旱頻次和干旱面積均增加，其中弱干旱和中等干旱發(fā)生頻次增長(zhǎng)顯著；中國(guó)南方干旱頻率亦呈現(xiàn)顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中長(zhǎng)江中游、江淮西部、江漢、江南西部、華南西部以及西南大部分地區(qū)的區(qū)域性干旱事件頻次和強(qiáng)度均顯著增加?；诟叻直媛蕝^(qū)域氣候模式模擬[66-67]發(fā)現(xiàn)：中國(guó)將面臨更嚴(yán)重的干旱，預(yù)計(jì)至2100年，1.5%～3.5%的陸地面積將從濕潤(rùn)區(qū)變成半干旱或半濕潤(rùn)區(qū)，在西南延伸到東北的帶狀區(qū)域干旱趨勢(shì)將持續(xù)擴(kuò)大；空間分布上，干旱化趨勢(shì)明顯的區(qū)域主要位于西北和東南地區(qū)，同時(shí)短期和長(zhǎng)期干旱發(fā)生次數(shù)的增加幅度也最大；在季節(jié)尺度上，北方地區(qū)變干主要發(fā)生在暖季，南方則主要以冷季變干為主。由于區(qū)域水循環(huán)機(jī)制發(fā)生改變，未來中國(guó)區(qū)域變干主要受潛在蒸發(fā)量的增加所控制[68]。

圖3 1951—2000 年(a、d)、2001—2016 年(b、e)和1951—2016年(c、f)不同時(shí)段中國(guó)區(qū)域降水的線性變化趨勢(shì)(a—c.基于中國(guó)氣象局(China Meteorological Administration，CMA)數(shù)據(jù)計(jì)算，d—f.基于英國(guó)東英吉利大學(xué)CRU(Climate Research Unit)數(shù)據(jù)計(jì)算；黑點(diǎn)以及陰影區(qū)域表示該站點(diǎn)及該區(qū)域的趨勢(shì)通過 95%的信度檢驗(yàn)；紅色表示降水減少趨勢(shì)，綠色表示增加趨勢(shì)；圖片摘自文獻(xiàn)[60])Fig.3 Linear trends of annual precipitation over China from 1951 to 2000 (a/d), from 2001 to 2016 (b/e), and from 1951 to 2016 (c/f) time periods (a-c. CMA data, d-f. CRU data; the black dots and dotted areas indicate the trend of the stations and the regions passing 95% confidence test; the red/green color scale indicates the decreasing/increasing trend of precipitation; figures adapted from reference [60])

3 極端降水與干旱并存

目前全球?qū)τ跇O端降水與干旱事件相結(jié)合的研究文獻(xiàn)相對(duì)較少?；跇O端降水和干旱的現(xiàn)有研究結(jié)果，全球極端降水與干旱長(zhǎng)期并存且出現(xiàn)旱澇急轉(zhuǎn)現(xiàn)象的成因如下。

3.1 長(zhǎng)期旱澇共存及其成因

根據(jù)觀測(cè)資料[21,24]發(fā)現(xiàn)，極端降水量增加不一定伴隨平均降水量的增加，在平均降水量增大或減少的區(qū)域均可能存在極端降水事件增加的趨勢(shì)。亞歐大部分地區(qū)、非洲西南部、中亞和東亞地區(qū)的極端降水事件和干旱事件均呈增多和增強(qiáng)趨勢(shì)[1,23-35,47-51]。中國(guó)近年來同樣面臨旱澇并發(fā)的情況，進(jìn)入21世紀(jì)以來，華中、西南以及東部沿海地區(qū)的區(qū)域性干旱事件與極端降水事件均呈現(xiàn)增多、增強(qiáng)趨勢(shì)，為旱澇并發(fā)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)[32-36,53-55]。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于極端降水和干旱關(guān)系的研究主要集中在江河流域。黃河流域是持續(xù)性干旱和洪澇事件高發(fā)區(qū)，尤其是2007年以后，該區(qū)域降水量增加趨勢(shì)明顯且極端降水強(qiáng)度增大、頻率減少[69-70]。過去60 a，中國(guó)江淮流域總降水量無顯著變化，但降水日數(shù)顯著減少且極端降水強(qiáng)度增大。江淮流域的月最大日降水量在月總降水量中所占比例越高，降水更加集中，導(dǎo)致氣象干旱發(fā)生的可能性增加[71]。

隨著氣候變暖，全球大氣能量收支各個(gè)部分(長(zhǎng)波輻射冷卻、短波輻射加熱以及地表感熱通量)將隨之改變。大氣不能在長(zhǎng)時(shí)間尺度上儲(chǔ)存能量，通過潛熱釋放(蒸發(fā))調(diào)節(jié)能量收支以平衡輻射和顯熱的變化[2,72]。一方面，地面溫度增高而導(dǎo)致地表水汽蒸發(fā)加劇，氣溫每升高1 K，由于飽和水汽壓隨之升高，大氣的保水能力將增加7%，水汽輻合增強(qiáng)導(dǎo)致降水強(qiáng)度增大，全球平均降水強(qiáng)度增加約24%；中等強(qiáng)度降水量(日降水量介于基準(zhǔn)期日降水量序列第30～60百分位值的降水事件)減少了約20%；極端降水量(日降水量大于基準(zhǔn)期日降水量序列第90百分位值的降水事件)增多了約95%；RX1day(日最大降水量)則增加了5.9%～7.7%[2,73-74]。根據(jù)觀測(cè)[75-76]，近半個(gè)世紀(jì)以來，全球極端降水量的傾向率是平均降水量的3倍，極端降水量的增長(zhǎng)更接近克勞修斯-克拉珀龍關(guān)系的預(yù)期，全球整體呈現(xiàn)強(qiáng)降水量增多，弱降水量減少的變化趨勢(shì)，揭示了變暖背景下水循環(huán)時(shí)間尺度上更強(qiáng)的非均勻性。基于模式模擬[77]發(fā)現(xiàn)，隨著全球變暖進(jìn)一步增強(qiáng)，這一變化趨勢(shì)會(huì)更為顯著，特別是南北半球亞熱帶地區(qū)(圖4)。已有研究[78]表明，極端降水和非極端降水的變化之間存在著非常緊密的關(guān)系，在氣候變暖的情況下，預(yù)計(jì)全球大部分地區(qū)的對(duì)流有效位能和熱帶海洋地區(qū)的對(duì)流抑制能量將增加，這導(dǎo)致了弱、中等強(qiáng)度降水事件(0.01 mm·h-11.00 mm·h-1)增強(qiáng)、增多。這再次證明，在總能量收支沒有任何變化的情況下，通過減少較弱等級(jí)的降水事件來補(bǔ)償極端降水事件的增加。極端降水增加會(huì)加大洪澇風(fēng)險(xiǎn)。弱降水和中等降水是土壤水分與地下水的重要來源，這類降水的減少將增加干旱的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在與年總干旱天數(shù)和連續(xù)干旱天數(shù)增加相結(jié)合的情況下，會(huì)造成干旱持續(xù)時(shí)間和程度進(jìn)一步增長(zhǎng)增強(qiáng)。全球不同區(qū)域降水變化相互存在著聯(lián)系，如熱帶地區(qū)以及常出現(xiàn)“大氣河”[79](對(duì)流層中從熱帶洋面延伸至中緯度地區(qū)的一條短暫狹窄的羽毛狀水汽輸送帶，往往能持續(xù)數(shù)天)的中緯度地區(qū)的極端降水量增加，其他亞熱帶地區(qū)和中低緯度地區(qū)弱降水量減少[2,4,75]。另一方面，研究表明，氣溫增高1 K，潛在蒸散發(fā)量將增加1.5%～4.0%[80]，在降水量沒有顯著增加的前提下，潛在蒸散發(fā)量增加，加劇地表干燥，導(dǎo)致干旱事件發(fā)生概率增加。這兩方面的變化均會(huì)影響水文循環(huán)過程，從而對(duì)整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。盡管在全球范圍內(nèi)持續(xù)降水區(qū)域并無明顯的趨勢(shì)性改變，但大多數(shù)季風(fēng)區(qū)域降水集中度呈上升趨勢(shì)，雨季和旱季之間的差異將擴(kuò)大，雨季水循環(huán)將在季風(fēng)區(qū)加強(qiáng)[9,25,27,81-82]。

圖4 小于1 mm·d-1的弱降水(a)、1～30 mm·d-1的中降水(b)和大于30 mm·d-1的強(qiáng)降水(c)的年平均降水差異(色階，單位：mm·a-1；TS-AMIP表示時(shí)間片算法模擬結(jié)果減去大氣模式比較計(jì)劃結(jié)果；圖片摘自文獻(xiàn)[77])Fig.4 Annual mean precipitation changes (color scale, units: mm·a-1) for light precipitation with rate less than 1 mm·d-1 (a), moderate precipitation with rate between 1 and 30 mm·d-1 (b), and heavy precipitation with rate larger than 30 mm·d-1(c) (TS-AMIP represents the results of Time-slice experiment minus the results of Atmospheric Model Intercomparison Project； figures adapted from reference [77])

降水變化既可以對(duì)大氣穩(wěn)定度和大氣能量平衡作出短時(shí)間尺度的改變，對(duì)平均地表溫度變化作出較長(zhǎng)時(shí)間尺度的反應(yīng)，也可以對(duì)溫室氣體或氣溶膠濃度變化作出快速反應(yīng)。大氣中氣溶膠粒子含量增多將顯著影響云的形成和發(fā)展以及伴隨的降水過程，同時(shí)對(duì)大尺度環(huán)流也有重要影響[83]。云和降水對(duì)氣溶膠濃度變化的敏感性取決于云的狀態(tài)，氣溶膠濃度增高，降水的開始時(shí)間會(huì)有所延遲，進(jìn)而導(dǎo)致潛熱額外釋放，云團(tuán)活躍發(fā)展以及降水增加，其程度足以彌補(bǔ)最初氣溶膠濃度增加對(duì)降水的抑制，發(fā)展深而厚的云，促進(jìn)強(qiáng)冷雨過程的發(fā)生，同時(shí)抑制淺而薄的云發(fā)展，抑制弱暖雨過程發(fā)生[84-87]。氣溶膠對(duì)降水影響的空間分布呈現(xiàn)出明顯的地域不一致性，如圖5所示，氣溶膠濃度的增加抑制了干燥地區(qū)(如塔克拉瑪干沙漠)的降水，但促進(jìn)了濕潤(rùn)地區(qū)的降水增多，暴雨強(qiáng)度增強(qiáng)[73,85,88-90]。不同氣溶膠類型對(duì)降水影響不同，有些直接作為云凝結(jié)核(硫酸鹽、海鹽)、冰核(沙塵)，有些遠(yuǎn)程傳輸表面變性包裹硫酸鹽或硝酸鹽成為云凝結(jié)核(沙塵)參與云微物理過程，還有些(硫酸鹽、沙塵、黑碳)通過輻射強(qiáng)迫作用改變大氣對(duì)流及環(huán)流進(jìn)而影響云和降水[91-94]。

圖5 中國(guó)8個(gè)典型區(qū)域平均氣溶膠光學(xué)厚度大于0.5(a)和小于0.5(b)條件下的降水頻率(TD：塔克拉瑪干沙漠，TP：青藏高原，LP：黃土高原，SB：四川盆地，NEP：東北平原，NCP：華北平原，YRD：長(zhǎng)江三角洲，PRD：珠江三角洲；圖片摘自文獻(xiàn)[88])Fig.5 Frequency of precipitation under the conditions of average aerosol optical depth (AOD) greater than 0.5 (a) and less than 0.5 (b) over 8 typical regions in China (TD represents the Taklimakan Desert, TP represents the Tibetan Plateau, LP represents the Loess Plateau, SB represents the Sichuan Basin, NEP represents the Northeast Plain, NCP represents the North China Plain, YRD represents the Yangtze River Delta, and PRD represents the Pearl River Delta； figures adapted from reference [88])

3.2 短期旱澇共存及其成因

氣候變暖增加了干旱和洪澇的風(fēng)險(xiǎn)，一些地區(qū)經(jīng)歷了兩種極端事件間產(chǎn)生的更大波動(dòng)，容易出現(xiàn)“大旱之后必有大澇”。旱澇急轉(zhuǎn)是指區(qū)域氣候在同一季節(jié)內(nèi)旱澇交替出現(xiàn)的情形，即短期內(nèi)降水的劇烈變化和極度不平衡，屬于“旱澇并存”的一種極端表現(xiàn)，反映了旱澇極端事件在短期內(nèi)的交替。常用的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)有：①長(zhǎng)/短周期旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)(long-period drought and flood alternation index/short-period drought and flood alternation index，LDFAI/SDFAI)，長(zhǎng)周期為2個(gè)月，短周期為1個(gè)月；②標(biāo)準(zhǔn)化加權(quán)平均降水指數(shù)(standard weighted average precipitation，SWAP)；③修正干濕急轉(zhuǎn)指數(shù)(dry-wet abrupt alternation index，DWAAI)，是對(duì)SWFAI進(jìn)行改進(jìn)后得到的指數(shù)，可同時(shí)考慮旱、澇和急轉(zhuǎn)程度三個(gè)因素的日尺度評(píng)價(jià)指標(biāo)[95-98]。

目前，旱澇急轉(zhuǎn)研究機(jī)構(gòu)主要集中在中國(guó)。中國(guó)南部和中東部地區(qū)流域是旱澇急轉(zhuǎn)事件的易發(fā)和重發(fā)區(qū)，且呈現(xiàn)出不同的演變特征，發(fā)生時(shí)期以春季、夏季及其交接期為主。自20世紀(jì)60年以來，長(zhǎng)江流域內(nèi)發(fā)生旱澇急轉(zhuǎn)事件的區(qū)域范圍越來越廣，事件的頻率和強(qiáng)度均具有逐年增長(zhǎng)趨勢(shì)，且交替頻次漸增，特別是在中下游地區(qū)旱轉(zhuǎn)澇和澇轉(zhuǎn)旱交替循環(huán)過程長(zhǎng)時(shí)期存在[99-102]。淮河流域夏季旱澇急轉(zhuǎn)事件重現(xiàn)期約為4 a一遇，頻次和強(qiáng)度大值區(qū)主要位于流域的上游和南部，相較于長(zhǎng)江中下游的旱澇急轉(zhuǎn)事件更頻繁，強(qiáng)度更大。2000年之后，汛期長(zhǎng)周期旱轉(zhuǎn)澇以及6—7月短周期旱轉(zhuǎn)澇事件逐漸增多[103-104]。西南地區(qū)自1970年至今經(jīng)歷了旱轉(zhuǎn)澇偏多-澇轉(zhuǎn)旱偏多-旱轉(zhuǎn)澇與澇轉(zhuǎn)旱相當(dāng)-澇轉(zhuǎn)旱偏多的變化，其中云南地區(qū)的旱澇急轉(zhuǎn)事件增強(qiáng)、增多趨勢(shì)最明顯，而貴州和重慶等地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)依舊以年代際振蕩為主[105-106]。華南地區(qū)夏季旱澇急轉(zhuǎn)的空間分布差異大，廣東東部和海南發(fā)生旱轉(zhuǎn)澇事件頻率較高，廣東西部和廣西發(fā)生澇轉(zhuǎn)旱事件頻率較高，華南整體旱澇急轉(zhuǎn)事件呈現(xiàn)強(qiáng)度增大、頻率增多的變化趨勢(shì)[95,107]。在華北地區(qū)，海河流域的旱澇急轉(zhuǎn)事件頻次增加和強(qiáng)度增強(qiáng)，以澇轉(zhuǎn)旱為主[108-109]。在黃-淮-海河流域內(nèi)的沿海、河流或者山谷等地區(qū)干旱的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，干旱結(jié)束后首次降水更易形成極端降水事件，而流域內(nèi)的內(nèi)陸地區(qū)則不易形成極端降水事件[110]，但位于河西走廊中部的黑河流域干旱后降水強(qiáng)度往往大于同期平均降水強(qiáng)度，這種差異可能是影響區(qū)域氣候變化的大氣環(huán)流系統(tǒng)不同所致[111]。東北地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件呈現(xiàn)弱減少趨勢(shì)[112-113]。

中國(guó)區(qū)域的旱澇急轉(zhuǎn)事件主要受到大氣環(huán)流形勢(shì)、海面溫度異常及暖濕氣流向北輸送異常耦合作用的影響，氣象條件變化是重要驅(qū)動(dòng)因素。長(zhǎng)江中下游、西南地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)主要與中高緯地區(qū)的高空西風(fēng)、中低緯地區(qū)的西太平洋副熱帶高壓位置以及低緯度地區(qū)的水汽輸送條件有關(guān)系[11,101-102,105-106]。華南地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)事件主要由西太平洋副熱帶高壓、孟加拉灣南支槽、低層水汽輸送以及熱帶輻合帶移動(dòng)差異引起，易受到臺(tái)風(fēng)持續(xù)影響[107,114]。中國(guó)華北和東北地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)主要受東亞大槽、西太平洋副熱帶高壓的位置和強(qiáng)度，以及水汽條件和垂直運(yùn)動(dòng)的差異影響[94-95,99]。目前內(nèi)陸地區(qū)旱澇急轉(zhuǎn)的研究還較少，但已有研究表明青海北部旱澇急轉(zhuǎn)主要與前期高原加熱偏強(qiáng)以及春夏過渡時(shí)間的提前有關(guān)[115]。

4 小結(jié)與討論

4.1 小結(jié)

(1)近半個(gè)世紀(jì)以來，全球整體極端降水頻率和強(qiáng)度呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但區(qū)域性差異較大。歐亞大陸的大部分地區(qū)、澳大利亞北部和美國(guó)中西部均出現(xiàn)極端降水增加的趨勢(shì)。中國(guó)極端降水總體增多、增強(qiáng)，極端降水量占總降水量比例變化趨勢(shì)總體呈現(xiàn)南增北減的相反趨勢(shì)。

(2)全球陸地表面呈現(xiàn)加速干燥趨勢(shì)，但仍然存在著具有弱濕潤(rùn)趨勢(shì)的區(qū)域，如北半球的高緯度地區(qū)。在中國(guó)，干旱范圍擴(kuò)大、干旱程度加劇且頻次增加；干旱發(fā)生的范圍發(fā)生了明顯的轉(zhuǎn)移，北方干旱加劇的同時(shí)，南方干旱明顯加重，尤其是大旱范圍明顯增大。

(3)全球整體存在旱澇并存、旱澇頻發(fā)趨勢(shì)，主要原因有兩點(diǎn)。①溫室效應(yīng)加強(qiáng)，全球氣溫升高在導(dǎo)致地表蒸發(fā)加劇的同時(shí)，還會(huì)使大氣保持水分能力增強(qiáng)。在全球降水量變化不顯著的背景下，強(qiáng)降水增多導(dǎo)致洪澇風(fēng)險(xiǎn)增大；地面蒸發(fā)量增加，中等強(qiáng)度降水和弱降水減少導(dǎo)致干旱風(fēng)險(xiǎn)增大。②人為排放氣溶膠粒子增多對(duì)于不同強(qiáng)度降水形成有明顯影響。氣溶膠對(duì)降水影響的空間分布呈現(xiàn)出明顯的地域不一致性，且不同類型的氣溶膠對(duì)降水的影響不同。

(4)在中國(guó)東部和南部地區(qū)，特別是各大流域，旱澇急轉(zhuǎn)事件呈現(xiàn)增多趨勢(shì)，主要受大氣環(huán)流形勢(shì)、暖濕氣流輸送異常耦合作用以及局地環(huán)流特征和地形的影響。

4.2 討論

為了更好地深化極端降水與干旱之間聯(lián)系及其影響因素的研究，未來應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題。

(1)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。①無法獲得非洲和南美洲等區(qū)域數(shù)據(jù)[29]；②無法了解基于點(diǎn)的觀測(cè)和網(wǎng)格之間的標(biāo)度問題[116-117]；③對(duì)于極端降水高分辨率模擬和預(yù)估并不完善[118-120]，特別是在熱帶和亞熱帶地區(qū)[121]。

(2)不同強(qiáng)度降水變化成因分析較為局限。目前對(duì)于全球降水變化的分析較多的是集中于平均降水量，重點(diǎn)分析大氣環(huán)流內(nèi)部變率、海溫自然外強(qiáng)迫因子以及水汽輸送對(duì)于降水的影響。但降水的形成與多種因素密切相關(guān)，比如中尺度天氣系統(tǒng)、地形地貌等下墊面因素以及人類活動(dòng)對(duì)不同強(qiáng)度降水形成的影響機(jī)制非常復(fù)雜，仍缺乏進(jìn)一步系統(tǒng)研究[2,46,85,121]。

(3)干旱的定義還存在缺陷。由于干旱自身的復(fù)雜性，基于干旱指數(shù)的干旱識(shí)別還不能達(dá)到定量化和客觀化。對(duì)干旱形成的多因子協(xié)同作用機(jī)理及多尺度疊加效應(yīng)缺乏深入認(rèn)識(shí)，涉及陸-氣相互作用對(duì)干旱形成影響的研究仍然很少[54]。

(4)對(duì)于旱澇并存、旱澇急轉(zhuǎn)事件，缺乏多尺度的定量對(duì)比，亟待從全球和區(qū)域尺度上開展更深入的觀測(cè)、診斷和模擬研究，需要在多時(shí)間尺度和多空間尺度上探討變化趨勢(shì)的差異，以及引起差異的關(guān)鍵性因子[96,98]?，F(xiàn)在常用的旱澇急轉(zhuǎn)指數(shù)是基于降水量變化的，該指數(shù)存在一定局限性，在未來需綜合考慮土壤含水量和作物需水等，從而提出更符合實(shí)際情況的識(shí)別方法。