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席卷全球多地的干旱,会成为下一个 “大流行” 吗?

干旱是如何形成的?地区分布有何特点?未来干旱会更加频繁吗?| 图源:pixabay.com

 

导 读

干旱是世界上最具破坏性的自然灾害之一,常常给农业、生态系统和人类社会造成严重损失。在气候变化的背景下,干旱可能变得更加严重和广泛。最近,联合国负责减少灾害风险的特别代表表示,“干旱可能将成为下一个大流行,而且没有疫苗可以治愈。” 

 

撰文 | 唐颢苏

责编 | 冯灏

 

5月9日至20日,《联合国防治荒漠化公约》缔约方会议第十五届会议召开,期间发布了《2022年干旱数字》报告。该报告指出,干旱对全球社会、经济和生态系统产生了深远、广泛且被低估了的影响。自2000年以来,全球干旱出现次数和持续时间增加了29%,全世界正处于干旱管理的 “十字路口” [1]。

 

在接下来的几十年中,全球129个国家的干旱将增加。如果到2100年全球变暖达到3 ℃,全球干旱损失可能是现在的五倍。除非人类加强减缓全球变暖的行动,否则: 

 

● 到2030年,预计全球将有7亿人面临因干旱而流离失所的风险。

● 到2040年,预计全球四分之一的儿童将生活在极度缺水的地区。

● 到2050年,干旱可能会影响世界四分之三以上的人口,估计每年将有48至57亿人生活在每年至少有一个月缺水的地区(这一数字目前为36亿)。

 

1更多、更强、更广泛的干旱

干旱常指因久晴无雨或少雨,降水量较常年同期明显偏少而形成的气象灾害。干旱是世界上最具破坏性的自然灾害之一,根据其特性,一般又被分为以下四类 [2]:

 ● 气象干旱:某时段内,由于降水和蒸发不平衡所造成的水分短缺现象。● 农业干旱:在作物生育期内,由于土壤水分持续不足,形成的作物水分平衡遭到破坏而减产的现象。● 水文干旱:河川径流低于其正常值或者含水层水位降落的现象,如江河流量、湖泊水位、水库蓄水减少等。● 社会经济干旱:在自然系统和人类社会经济系统中,由于水分短缺影响生产、消费等社会经济活动的现象。

 

在上述的四类干旱中,气象干旱直接受自然影响而形成,可以直观地表现为降水量的减少,而农业、水文和社会经济干旱则更聚焦于对人类和社会的影响。气象干旱常常诱发其他三类干旱,如在气象干旱形成后,当地灌溉设施若不完备,则易会引发农业干旱。

 

科学家们定义了复杂多样的干旱评价指标。常用的干旱指数包括帕默干旱严重程度指数(PDSI)、标准化降水指数(SPI)、标准化降水蒸散指数(SPEI)和蒸发干旱需求指数(EDDI)等。虽然各种指数的定义不尽相同, 但是都包含一个核心内容,即水分缺乏。

 

图1 全球各地区干旱脆弱性指数(黄色为沙漠地区,红色越深,该地区越容易受干旱影响)| 图源:联合国《2022年干旱数字》报告

 

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告指出:由于人类活动引起的全球变暖,全球地表蒸发需求普遍增加,区域降水减少。随着未来全球变暖的加剧,在一些地区,气象干旱会出现显著的强度和频率变化,其中增加的区域多于减少的区域;一些地区农业干旱的强度和频率会明显增加;同样的,水文干旱的频率和强度也将增加。

图2 不同未来增暖水平下,干旱区农业干旱频率与强度变化示意图。未来预计在全球多地,农业干旱的频率、强度和持续时间都会增加 | 图源:文献[3],本文作者翻译

 

2我国北方的适应性挑战

具体到我国,整体气候格局 “南涝北旱”。随着全球变暖,降水线呈现北移的趋势。

图3 中国年降水量分布图,我国年降水量呈自东南沿海向西北内陆递减的空间分布格局 | 图源:文献[4]

 

那么,干旱的西北地区是否正在暖湿化呢?答案是否定的。

 

尽管我国西北部分地区出现了短期降水增多与植被改善现象,但西北大部分区域降水量仍然远低于潜在蒸发量——几十毫米的降水增量与上千毫米的蒸发量基数相比,仍然微不足道,目前的降水增加并不能从本质上改变西北地区干旱缺水的格局 [5]。在可预见的未来,水资源短缺仍将是困扰西北地区发展的关键问题。

 

我国西北地区近年来年径流量的增加,更多可能来源于全球变暖驱动的冰川消融与冰雪圈的衰退。而这种冰雪圈的变化并不可持续,待冰川淡水储存耗尽,西北地区未来可能面临更严峻的干旱风险。

图4 天山乌鲁木齐河源1号冰川,近几十年来呈加速消融趋势 | 图源:文献[6]

 

全球变暖将导致未来极端天气出现得更加频繁,降水变率增大(降水更加不均匀),极端干旱和暴雨天气增多 [7],而可利用的水资源则会减少(极端暴雨/洪水带来的大量水资源会被疏导掉而无法有效利用,极端干旱时期又需要大量抽取地下水)。

 

因此,增大的降水变率反而可能给西北地区带来更多 “适应性” 挑战。如2021年7月中旬在新疆塔克拉玛干沙漠边缘出现的洪水,“沙漠洪水” 的出现,可能在未来愈发频繁,给西北地区的排涝能力提出新的挑战。

 

3我国人造工程的成就与不足

 

为了改善北方的生态环境,我国于1978年启动了 “三北防护林工程”,40多年间,种下了660多亿棵树,之后又于1999年发起了 “退耕还林还草政策”。

 

最新的卫星监测数据显示,2000~2020年,我国植被覆盖稳定增加,呈显著变绿趋势;2016~2020年,中国年平均归一化差值植被指数(NDVI,表征地表植被覆盖率与生长状况)较2000~2019年平均值上升6.0%,为2000年以来植被覆盖状况最好的五年 [6]。

图5 2000至2017年,世界各国叶面积增加百分率(单位:%每10年),黑色横线为全球平均。卫星数据显示,过去20年间,地球地表新增超过200万平方英里的植被面积。其中的三分之一,要归功于中国的植树造林工程与中国与印度的农业发展 | 图源:美国航空航天局

 

植树造林工程以及退耕还林还草政策取得了巨大的生态、经济与社会效益,但也存在一些可改善之处。有研究指出,1952到2005年间,中国植树造林工程中只有不到三分之一的树木存活了下来,工程成林率相对较低, 防护林质量相对较差、衰退风险较大 [8]。

 

西北地区干旱-半干旱问题由地形、气候、地理位置等多重因素决定,因此,植树造林工程不只是单纯字面意义上的多种树,必须充分考虑当地水资源承载力的制约,做到 “适地适树”。如在一些干旱缺水的荒漠地区种植的杨树和云杉,因为乔木根系较长,会吸收较多水分加剧当地水资源短缺, 较大的树叶也会增加水分蒸发面积,因而并不能取得良好的效果;在某些干旱缺水的地方,灌木或草可能才是更适合的植物。

 

此外,三北部分地区片面追求造林面积/密度、缺乏后期有效的经营管理,也是成林率低的重要原因 [9]。这将进一步降低植树造林工程防风固沙功能,导致沙漠化与干旱防治效果有限。

 

4不利大气环流与特殊地形地貌的叠加效应

西北地区外,我国西南地区也是干旱频发地段。

图6 2021年影响我国的部分极端天气分布图,在2021年1月至6月,我国西南地区发生了长期干旱事件 | 图源:文献[10]

 

西南地区水资源理应非常丰富,为什么也会干旱频发呢?

 

实际上,我国西南地区受东亚季风主导,干湿季分明。从11月至次年4月长达6个月的旱季里,非常容易出现季节性干旱。此外,西南地区(云南、贵州等)多是喀斯特地貌,地表水下渗较快,地表径流量小,容易形成 “雨水蓄不住、地下水用不上” 的状况。

 

另外,西南地区特殊的地形(云贵高原,地势崎岖)容易引发 “焚风效应”,也可能加剧干旱的发生。所谓 “焚风效应”,指的是过山气流在背风坡因绝热下沉运动而变得干热的一种现象。例如,当空气气团从海拔4000至5000米的高山下降至地面时,温度会升高20 ℃以上。 

图7 “焚风效应” 示意图 | 图源:文献 [11],本文作者翻译

 

关于部分植被种植(如桉树林)加剧我国西南干旱的猜想,目前尚缺乏明确的科学依据 [12]。“厄尔尼诺/拉尼娜” 引发的不利的大气环流条件(水汽输送减少),配合上特殊的地形地貌,可能才是我国西南地区频发干旱最重要的原因。

图8 2021年春末,受“拉尼娜”引起的不利大气环流的影响,地处湿润区的我国台湾省,也遭遇了半世纪以来最严重的旱情,岛内最大的淡水湖日月潭,也出现大面积干涸现象。本次旱灾甚至影响到了岛内芯片制造业,作为世界最大芯片代工厂,台积电每天需要用掉约15万吨水,本次干旱对其生产能力造成了威胁 | 图源:央视新闻

 

5千年一遇的北美特大干旱

不仅我国深受干旱灾害的困扰,大洋彼岸的美国也是如此。

 

美国干旱监测中心的最新数据显示,美国西部正在遭受严重干旱。今年5月初,美国南加利福利亚州宣布进入前所未有的缺水紧急状态,当地600万居民被限制用水 [13]

图9 2022年春季,美国各地干旱情况。几乎整个美国西部依然在经历一定程度的干旱,其中大部分是严重干旱(深橙色)、极端干旱(红色)或罕见干旱(深红色)| 图源:美国国家海洋和大气管理局
图10 美国以密西西比河为界,划分为东西两部分。较之东部,美国西部常给人以干燥、炎热的印象。牛仔、骏马、沙漠、破酒馆、冒烟的火车,也是美国西部片的必备元素 | 图源:《西部世界》
 

美国西南部最重要的河流、被誉为4000万人“母亲河”的科罗拉多河也正在逐渐干涸。科罗拉多河是整个加州淡水的主要来源,也是美国西南部最重要的水源生命线。因为河流的干涸,本次干旱进一步导致了科罗拉多河上全美国最大的两个水库——鲍威尔湖水库和米德湖水库——长期处于低水位状态。水库缺水还影响到了当地的粮食灌溉和水力发电。

 

当地表水源不足时,当地农民就会为了浇灌农作物而大量甚至过度抽取地下水,来维持农作物的生产,长此以往会引发水质退化和地下水枯竭等问题,进一步加剧干旱的持续。中美两国,正在面临同样的危机。

图11 米德湖水库蓄水达到历史极低值,左图为2000年状态,右图为2021年状态 | 图源:美国航空航天局

 

《自然-气候变化》上最近发表的一篇文章指出,美国西南部的这场干旱其实已经持续了22年。通过对树木木芯进行反演(如某一年降水充沛,树轮可能就会长得更宽一些,反之则相反),科学家们得到了过去几个世纪的土壤水分数据。他们发现本次干旱是该地区至少1200年以来最严重的特大干旱,而这场特大干旱近一半可归因于人为气候变化 [14]。

 

研究人员认为,人类活动不仅部分引起了这种极端干旱,而且让它持续时间更加长久。人类活动燃烧化石燃料引起的温室效应会增强地表向空气的蒸发,导致这场大旱一直没有尽头。此外,当前全球变暖下,气温的急剧升高也会加剧河流的水分蒸发,从而加剧旱灾。

 

这种极端的干旱条件也将进一步增加美国西南部和南部平原的山火风险,尤其是在伴随大风的情况下。在今年夏末季风降雨开始之前,美国西南部的干旱状况可能会一直恶化下去。

图12 图表显示了与观测(灰色)和模拟历史(浅灰色)相比,在低(橙色)、中(深橙色)、高(棕色)三种未来排放情景下,北美西南部到2100年发生严重单年干旱(左)和21年特大干旱(右)的风险。随着温室气体排放水平的提高,单年和21年干旱事件的风险都会增加。即使在低排放的情况下,到本世纪末,发生严重特大干旱的可能性至少为50% | 图源:美国国家海洋和大气管理局
 

不仅是中美两国,干旱就像新冠病毒一样席卷全球各地,影响到广大的区域,并造成连锁性破坏。此外,长期旱灾将带来粮食安全风险和食品价格上涨,进而波及其他未遭遇干旱的地区。

 

全球各地频发的干旱,为人类敲响了警钟。全球变暖不再是未来的问题,而是当下的问题。目前,为了适应频繁干旱的影响,部分干旱区的树木与植物也正在不断进化,如改变自身形态结构(叶片、根系等)以减少水分的蒸发。

 

而对于人类来说,在减缓气候变化的基础上,未来需要发展节水农业(如使用塑料大棚、滴灌技术)、优化农业生态布局、选育和种植耐旱品种等,来应对愈演愈烈的干旱危机。 

注:感谢程鸽、林阔成参与本文的讨论。

 

致  谢

感谢中科院大气所魏科老师为本文提供学术指导。

 

参考文献:

1. https://news.un.org/zh/story/2022/05/11031222. 袁文平,周广胜.干旱指标的理论分析与研究展望[J].地球科学进展,2004(06):982-991.3. IPCC. (2021). Climate change 2021: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the sixth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (V. Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani, S. L. Connors, C. Péan, S. Berger, … B. Zhou, Eds.). Cambridge University Press. In Press.4. Li W., Q. Zuo, L. Jiang, et al, 2022, Evaluation of Regional Water Resources Management Performance and Analysis of the Influencing Factors: A Case Study in China, Water,DOI:10.3390/w140405745. 魏科. 我国西北变“暖湿”了没?[M]. 中科院之声,20196. 中国气象局气候变化中心,2021.中国气候变化蓝皮书(2021).北京:科学出版社7. Zhang, W. X., K. Furtado, P. L. Wu, T. J. Zhou, R. Chadwick, C. Marzin, J. Rostron, and D. Sexton, 2021: Increasing precipitation variability on daily-to-multiyear time scales in a warmer world. Science Advances, 7, eabf80218. Cao, S., L. Chen, D. Shankman, C. Wang, X. Wang, and H. Zhang (2011), Excessive reliance on afforestation in China's arid and semi-arid regions: Lessons in ecological restoration, Earth-Science Reviews, 104(4), 240-245.9. 朱教君,郑晓.关于三北防护林体系建设的思考与展望——基于40年建设综合评估结果[J].生态学杂志,2019,38(05):1600-1610.10. Zhou, T., Zhang, W., Zhang, L. et al. 2021: A Year of Unprecedented Climate Extremes in Eastern Asia, North America, and Europe. Adv. Atmos. Sci. (2022).11. https://bubblyprofessor.com/2021/01/23/zonda-diablo-norwester-chinook-the-foehn-winds-of-wine/12. 许谨. “桉树致旱说”缺乏科学依据 [J]. 绿色中国, 2010(11): 62-63.13. https://photos.caixin.com/2022-05-05/101880611.html14. Williams, A.P., Cook, B.I. & Smerdon, J.E. Rapid intensification of the emerging southwestern North American megadrought in 2020–2021. Nat. Clim. Chang. 12, 232–234 (2022).



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