基于水量平衡原理定量评估气候变化对西南地区干旱的影响

Recently, with the global climate change, more and more evidences were found that extreme droughts occurred frequently in Southwest China, and therefore, to understand the drought mechanism in this region has become a hot topic in the scientific community. However, most of the previous researches have paid more attention to precipitation anomalies (the income component of water balance) impacts on droughts, but ignored effects of other climate variables (e.g., temperature, wind speed, net radiation and vapor pressure deficit) closely associated with the outcome component of water balance and their interactions. This will introduce some departures into comprehensively understanding the physical mechanisms of droughts. Firstly, we’d like to quantitatively assess climate change impacts on evapotranspiration in this study, and then to explore the mechanism of evapotranspiration responses to climate change. Subsequently, with the Palmer Drought Severity Index (PDSI) and the Standard Precipitation and Evapotranspiration Index (SPEI) proposed based on water balance concept, and the several reasonable numerical experiments, the impacts of climate change on droughts will be quantified, which will be employed to relatively comprehensively reveal the physical mechanism of droughts responses to climate change. This research will provide a new, efficient approach and reference for quantifying climate change impacts on drought. Additionally, the results can also provide useful scientific basis for drought assessment, sustainable development of national economy, and drought control planning and hydrological facilities construction.

近年来，在全球气候变化背景下，西南地区干旱事件频发，认识和理解该地区干旱形成的相关机理已成为当前研究热点。然而，以往的研究多重视降水异常（水量平衡收入项）对干旱的影响，而忽略了与水量平衡支出项（蒸散发）密切相关的气候因子（如温度、风速、净辐射和饱和水汽压差等）以及它们之间相互作用的影响，这势必会对认识西南地区干旱机理带来一定的局限性。本项目拟从水量平衡原理出发，首先定量评估西南地区气候变化对蒸散发的影响，进而探究其对气候变化的响应机理；然后，利用充分考虑了水量平衡原理的PDSI和SPEI干旱指数模型，通过设计合理的数值试验，定量评价西南地区气候变化对干旱的影响，以此来较为全面地揭示干旱对气候变化响应的相关机理。本项目研究，将为定量研究全球气候变化背景下干旱的响应提供一个新的方法和借鉴；同时，为西南地区国民经济可持续发展、水利和防旱工程设施规划与建设等提供重要的参考信息。

作为破坏性最大的自然灾害之一，干旱因其全球分布广泛、发生频率高、灾前无明显征兆等特点，时常会给社会经济的可持续发展和生态系统带来巨大威胁。考虑我国极端干旱事件频发，有向湿润地区蔓延的趋势，本项目从干旱的本质（水分亏缺）和水量平衡出发，选取我国西南地区为研究区，以西南地区PET变化特征及其原因、干旱变化特征和气候因子（降水、PET及其他）变化对干旱的影响为研究内容；采用SPEI干旱指数，通过设计合理的试验，定量评价了气候变化对西南地区干旱的影响。为了定量化地理解1961-2012间西南地区PET变化，原创新地提出了一个新的剥离方法，该方法可以高效地、准确地分离各气候因子的贡献，具有应有到相关学科（如生态学、水文学和气候学）的潜力；以此方法为工具，详细归因了PET变化，发现西南地区区域平均年PET的下降主要是由于净辐射的下降所致；然而，主控因子在空间上存在较大区域性差异，如西南地区东部主要是由于辐射下降，而西部则主要是由于风速或者水汽压亏损。作为干旱研究的背景信息，本项目详细分析了西南地区干湿异常及其对降水、PET的敏感性，发现，西南地区干湿异常存在明显年代际变化，绝大多数站点显示干湿度对PET的敏感性较强，且表现出从东南向西北递增的趋势，其主要原因是由于气候背景差异；这种干湿度对PET的高敏感性说明研究干旱或干湿度的变化必须充分考虑PET的作用，尤其是在干旱监测和预测中。最后，选取2009-2011年西南重旱为例，深入分析了降水及PET在这3年干旱过程中的作用，结果显示，就区域平均而言，2009和2011年的干旱强度（面积）主要受控于降水，但是2010年，降水和PET（降水、PET和二者共同作用）对干旱强度（面积）的贡献相当；而2009-2001年间，干旱历时主要受制于降水的减少。另外，期间干旱的主控因子存在着明显的时空差异。本个例研究再次说明理解干旱演化、提高干旱监测和预报能力，PET的异常必须要充分考虑。