李明^,1,2, 孙洪泉^1,2, 苏志诚^,1,21.中国水利水电科学研究院,北京 100038
2.水利部防洪抗旱减灾工程技术研究中心,北京 100038

Research progress in dry/wet climate variation in Northwest China

LI Ming^,1,2, SUN Hongquan^1,2, SU Zhicheng^,1,21. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China
2. Research Center on Flood and Drought Disaster Reduction of Ministry of Water Resources, Beijing 100038, China

通讯作者: 苏志诚（1975-）,男,河北衡水人,教授级高级工程师,硕士生导师,主要研究方向为抗旱减灾。 E-mail: suzhc@iwhr.com

收稿日期:2020-04-19接受日期:2020-07-20网络出版日期:2021-04-10

基金资助:

国家重点研发计划项目.2017YFC1502402 中国水利水电科学研究院科研专项.JZ0145B592016 中国水利水电科学研究院科研专项.JZ0145B582017

Received:2020-04-19Accepted:2020-07-20Online:2021-04-10
作者简介 About authors
李明（1996-）,男,河南新乡人,硕士研究生,主要研究方向为抗旱减灾。E-mail: 2032295498 @qq.com





摘要
西北地区对全球气候变化十分敏感,研究分析该地区干湿变化特征,对区域发展至关重要。本文从气象（降水、温度、蒸发）、水文（地表水、土壤湿度、陆地水储量）和植被等角度综述了近50年西北地区干湿变化特征。结果表明：西北整体气温升高,降水增加,呈暖湿化。但考虑陆面因素作用的分析表明该地区呈现东西部分化的格局。考虑蒸发因素的结果显示西部趋向暖湿化,而东部趋向暖干化。地表水资源和土壤湿度也显示西部增加、东部减少的态势。同时,西北西部植被状况正在明显改善。但陆地水储量显示,西北地区整体水资源仍十分匮乏,且处于不断减少的趋势。未来,西北地区气温仍将持续升高,降水、径流和土壤湿度也将会增加,整体向暖湿化转变。
关键词： 干湿变化;降水;水资源;西北地区

Abstract
Northwest China responds sensitively to global climate change. Research and analysis of the distribution of dry/wet conditions in this region are essential for regional development. This study provides a review of dry/wet changes in Northwest China over the past 50 years from meteorological perspectives (precipitation, temperature, and evaporation), hydrological perspectives (surface water runoff, soil moisture, and terrestrial water storage), and vegetation. The results showed that the climate is getting warm and wet with the increase of temperature and precipitation. However, the pattern of east-west differentiation is discovered by taking into account the effect of land surface factors. The result considering evaporation indicated that a trend of warm-wet occurred in the west of Northwest China, and a trend of warm-dry occurred in the east. Changes in surface water resources and soil moisture also showed an increase in the west and a decrease in the east. At the same time, the vegetation condition in the west is improving significantly. Moreover, the changes in terrestrial water storage proved that the overall water resources of the study area are still very scarce and in a decreasing trend. In the future, the temperature is expected to rise continuously, precipitation, runoff and soil moisture will also increase, and the region will shift to warmer and wetter conditions.
Keywords：dry/wet climate change;precipitation;water resources;Northwest China


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本文引用格式
李明, 孙洪泉, 苏志诚. 中国西北气候干湿变化研究进展. 地理研究[J], 2021, 40(4): 1180-1194 doi:10.11821/dlyj020200328
LI Ming, SUN Hongquan, SU Zhicheng. Research progress in dry/wet climate variation in Northwest China. Geographical Research[J], 2021, 40(4): 1180-1194 doi:10.11821/dlyj020200328

1 引言

在世界气候变暖的背景下,全球和区域的水循环、干湿状况发生了显著变化,并对社会经济和生态环境产生了巨大的影响。气候变化对干湿的影响是近些年研究者广泛关注的主题。“干的地方更干,湿的地方更湿”成为了全球变暖对区域干湿变化影响的模式^[1,2,3]。但也有****对上述结论提出了质疑,Sheffield等认为过去60年全球并没有发生显著的干旱趋势^[4],Greve等认为陆地上的干湿变化较为复杂,并不遵循现有的模式,并强调应从不同的气候和水文要素来评估区域的干湿变化^[5]。

近年来,区域尺度的气候干湿变化研究也逐渐被重视起来。中国西北地区属于干旱半干旱区,包括新疆、青海、甘肃、陕西、宁夏以及内蒙古西部。该地区深居内陆,年降水量小于200 mm,水资源缺乏,生态环境脆弱,干旱事件频发。因此,研究西北地区的气候干湿变化特征,对区域水资源管理和防灾减灾具有重要意义。一般以100°E为界将西北地区又划分为西北东部和西北西部,这两部分有着不同的气候特性,许多****分别针对这两个区域气候变化进行研究^[6,7]。早在2002年,施雅风等研究发现西北地区出现了连续多年的降水、冰川融水和径流增加等现象,由此提出了气候由暖干向暖湿转型的假说^[8]。这一假说的提出,引发了大量****对西北气候干湿变化研究的兴趣。张永等通过分析1953—2003年西北地区帕尔默干旱指数（palmer drought severity index,PDSI）指出,西北西部和东部干湿变化完全相反,西部变化趋势为湿-干-湿,东部变化趋势为干-湿-干^[9]。黄小燕等利用湿润指数（arid index,AI）研究了1960—2009年西北地区的干湿变化特征,发现西北地区有明显的变湿趋势,1987年以来湿润指数明显增加^[10]。Long等基于标准化水分距平指数（standardized moisture anomaly index）研究了1948—2010年西北西部地表干湿变化特征,结果表明西北西部气候由暖干向暖湿转变的趋势并不明显^[11]。降水常被用来表征区域的干湿变化特征,但仅靠降水变化不能完全揭示区域干湿变化状况,还应考虑其他气候和水文变量,比如温度、蒸发、径流和土壤湿度等。本文将重点从气温、降水、蒸发、地表水、土壤湿度、植被覆盖和陆地水储量等方面,总结分析西北地区气候干湿变化特征的最新研究进展。

2 气温和降水变化

2.1 气温

西北地区近50年以来气温一直在波动上升,增温幅度高达0.34 ℃/10a,是全球平均增温幅度的近三倍^[12]。从时间序列上来看,气温变化分为三个阶段。1960—1986年,平均气温在较小的范围内上下波动;而从1987年开始,平均气温出现了“突变型”升高,增幅为0.52 ℃/10a ^[13]。自1998年以来,升温趋势有所减缓,部分地区呈现下降趋势^[14]。

西北地区气温变化幅度存在季节性和空间性差异。其中,冬季增温最明显,为0.50 ℃/10a;秋季、夏季次之;春季增温最小,为0.27 ℃/10a^[15]。此外,冬季增温对年平均气温的增加贡献率最大（43.40%）,尤其是冬季极端最低气温的升高对冬季增温起到了巨大的作用^[12]。新疆阿尔泰山地区、青海西北部和内蒙古中部升温幅度最大,为0.60~0.70 ℃/10a;青海南部和甘肃西南部升温幅度最小,为0.10 ℃/10a^[16]。

2.2 降水

近50年以来,西北全区年降水量呈现微弱上升趋势。从年代际来看,1960—1986年,降水量变化较为平稳;而1987—2000年,年降水量显著增加;但自2000年以来,年降水量增加趋势有所减缓^[13,17]。对于季节降水量变化而言,夏季降水量增幅最大,为2.50 mm/10a,冬季降水量增幅最小,为1.20 mm/10a,春、夏、秋、冬季降水量变化对年降水量变化起着重要作用,贡献率分别为21.60%、42.40%、18.40%和17.60%^[18]。

西北地区降水量变化呈现区域显著差异,总体上变化率从东南向西北递增。降水空间分布大致以100°E为界,以西降水增加,以东降水减少;年降水量增加较为显著的地区为西北西部和中部地区,年降水量减少的区域为西北东部地区 ^[19,20,21]。其中,西北西部地区年降水量的增加主要来自夏季降水的增加（由于夏季对流降水频率增加）,西北东部地区年降水量的减少由秋季降水减少所导致（由于秋季层状降水频率降低）^[7]。与上述结果研究不同的是,一些****研究表明西北东部地区降水在2000年出现了转折点,近20年来降水量呈微弱增加趋势。马鹏里等指出西北东部地区降水在21世纪初发生了从减少到增多的转折性变化,近20年降水呈增加趋势,尤其是2010年以后^[22]。黄小燕等也指出西北东部地区20世纪80年代以来降水呈现先下降后上升的趋势,且2000年以后上升趋势明显^[23]。

针对上述西北地区过去三十年温度升高、降水增加的特点,一些****提出了西北地区向暖湿转型的观点,并指出大气环流是影响干湿变化的直接因素。Li等研究表明西伯利亚高压和北美副热带高压是西北地区降水量显著增加的主要原因^[18]。Peng等研究发现亚洲副热带西风急流向南位移,致使西北地区上空的正涡度平流异常,引发了气旋上升运动,从而使西北地区降水增加^[24]。Zhu等指出乌拉尔山阻塞高压（Ural High）与1987年降水量出现年代际变化密切相关^[25]。研究还发现,在1961—1986年期间,前期冬、春季持续的印度洋热带海洋表面温度（sea surface temperature）通过引发南亚高压异常来影响西北地区的降水,而在1986—2015年期间,夏季降水主要受前期冬季的厄尔尼诺-南方涛动指数（El Nino-Southern oscillation index,ESNO）变化所影响。马鹏里等研究表明,这种阶段性的降水增加、增温减缓的现象可能与太平洋年代际振荡（the Pacific decadal oscillation,PDO）冷暖相位转换有关,当PDO处于暖位相时,西北东部地区气温呈现显著增加趋势,降水呈现减少趋势;而当PDO处于冷位相时,西北东部地区气温呈现增温减缓甚至减少趋势,降水呈现增加趋势^[22]。

这种短期内的温度和降水变化并不足以说明西北地区正在向暖湿转型,还需证实这种转变未来如何发展,是否是世纪性的转变。近些年来,许多****利用不同的气候系统模式对西北地区未来气候变化进行了预估研究。气温变化方面,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,西北西部增温速率高于西北东部;RPC2.6和RPC4.5情景下温度均先增加后减少,转折点分别为21世纪中期和末期,RPC8.5情景下温度持续增加,到21世纪末增温将高达6 ℃^[26,27]。降水变化方面,RPC2.6和RPC4.5情景下,西北西部降水呈增加趋势,其中青藏高原和天山山脉降水增幅最大,而西北东部降水呈下降趋势,甘肃南部和陕西部分地区到21世纪末降水将减少50 mm以上,RPC8.5情景下,西北地区降水整体呈增加趋势,到21世纪末大部分区域降水量将增加50 mm以上^[26,27,28]。

可见,未来西北西部暖湿化现象仍将持续下去,但西北东部的气候变化具有较大不确定性,若节能减排等措施能充分发挥效用,西北东部降水将会出现下降趋势,进而气候将会趋向暖干化。

3 降水和蒸散变化

3.1 潜在蒸散

潜在蒸散是地表水循环的重要因子,其对地表干湿变化影响巨大。有大量研究表明潜在蒸散在北半球呈现明显减少趋势^[29,30,31],这与全球变暖可能会导致蒸发增加的结论相矛盾,即蒸发悖反现象（随着温度持续升高,蒸发逐渐减少的现象）^[32]。关于西北地区潜在蒸发量变化也有类似的矛盾结论。一种观点认为蒸发下降,即西北地区存在“蒸发悖反”。Huo等研究表明西北西部地区潜在蒸散量在1955—2008年间以-3.00 mm/a的速率呈下降趋势,风速是影响潜在蒸散变化的主要因素^[33]。Yang等的研究也有类似结论,1960—2017年间,北疆地区、南疆地区和青海地区潜在蒸散量呈下降趋势,变化率分别为-0.15 mm/a、-0.75 mm/a和-0.42 mm/a^[34]。另外一种观点认为蒸发增加,即西北地区并不存在“蒸发悖反”。Li等研究表明西北西部地区潜在蒸散量以1993年为转折点,由显著下降转为显著上升^[35]。1993年前地表风速变化是引起潜在蒸发量下降的主导因素,风速下降和相对湿度升高所产生的负面影响比温度升高带来的正面影响大,从而导致潜在蒸散量降低;而在1993年之后,随着相对湿度的减少和温度的升高,风速的升高抵消了净辐射的影响,并导致了潜在蒸发量的增加^[36]。Xing等研究发现西北西部地区过去50年间潜在蒸散量发生了两次转折,转折拐点出现在1977年和1995年,即总体呈“上升-下降-再上升”的变化模式,并指出相对湿度减少是引起20世纪90年代后期潜在蒸散量增加的主要原因^[37]。

3.2 降水和蒸散

湿润指数常用来表征一个区域的地表干湿状况^[38],计算方法为降水量（P）与潜在蒸散量（ET₀）的比率,其中潜在蒸散量计算一般采用1998年世界粮农组织（FAO）修订的Penman-Monteith模型^[39]。联合国教科文组织按湿润指数值将气候区划分为极干旱（AI<0.03）、干旱（0.03<AI<0.20）、半干旱（0.20<AI<0.50）、半湿润（0.50<AI<0.75）和湿润（AI>0.75）地区^[40]。为了进一步分析降水和蒸发的共同作用对区域气候变化的影响,近些年来,大量****利用湿润指数研究了西北地区的气候干湿变化。研究表明,西北西部地区由于降水增加与蒸发减少,导致年湿润指数增大,气候变湿,降水增加是增湿的主要原因,但潜在蒸散和日照时数对气候变化的影响也越来越大;西北东部地区由于蒸发增幅超过了降水增幅,年湿润指数减小,气候变干^[10,33]。然而Peng等从水汽通量的角度分析得出西北西部地区超过50%的降水增加被蒸发增加所抵消,降水减去蒸发的增加趋势主要由热力学分量（即在固定大气压下特定湿度的变化）的变化决定,其次是动态分量（即在固定大气压下大气循环的变化）^[24]。从年代际来看,20世纪60—70年代,年湿润指数呈下降趋势,而20世纪80年代以来,呈现显著上升趋势^[10]。从季节变化看,整个西北地区超过五分之三的站点在春、秋、冬三季有变湿趋势,而夏季变干变湿的站点各占一半^[41]。从空间上看,显著变湿的区域位于西北西部地区（新疆北部、天山山脉、柴达木盆地等）;轻度变湿区位于新疆南部和青海北部;持续变干区主要位于西北东部地区（甘肃东部地区、内蒙古西部、青海西南部、宁夏和陕西）^[10]。从面积变化上看,西北西部地区的干旱区面积在减少,从20世纪60年代的88.79%减小到21世纪00年代的76.98%,半干旱区面积在同一时期从10.96%增长到21.80%;西北东部地区的亚湿润面积明显减少,半干旱区略微增加^[42]。

尽管西北西部地区的潜在蒸散发的变化存在一定的争议,但表征降水和蒸发的湿润指数都显示近30年来气候趋向“暖湿化”。而西北东部地区潜在蒸散发增加较为显著,远超降水增加带来的正效应,整体气候趋向“暖干化”。

4 干旱指数的变化

干旱指数也常被用来研究区域气候干湿变化。其中标准化降水指数（standardized precipitation index,SPI）、帕尔默干旱强度指数和标准化降水蒸散指数（standardized precipitation evapotranspiration index,SPEI）已经被广泛的应用于干旱的监测。

4.1 标准化降水指数

标准化降水指数以降水为输入量,可反映地区不同时间尺度的干湿状况^[43]。Yang等利用SPI指数研究了西北西部地区的干旱变化特征,研究结果表明,西北西部地区呈湿润化趋势,其中大部分地区在冬季显示湿润化,而在春季显示干旱化^[44]。Yang等进一步分析表明西北西部地区除了内蒙古内陆河流的年度和夏季SPI、青海湖河流域的春季SPI和中亚河流域的春季SPI外,其他地区在年度和季节上均呈现湿润化的趋势^[45]。西北西部大部分区域的SPI在1980—1990年出现了转折点,并在2000年之后出现显著增加;同时,SPI的变化与气候指数,如大西洋涛动（Atlantic oscillation,AO）、北大西洋涛动（North Atlantic oscillation,NAO）、太平洋年代际振荡和厄尔尼诺-南方涛动指数显示了很好的相关性。Li等基于24个月时间尺度的SPI指数表明甘肃地区区域上存在明显的干湿变化差异,甘肃西北部逐渐湿润化,而其他地区呈现干旱化^[46]。胡子瑛等研究了中国北方地区的气候干湿变化,同样指出近五十年来,西北西部地区呈湿润化趋势,其中冬季湿润化最为显著而西北东部地区呈干旱化趋势,从时间尺度上来看,西北西部地区从20世纪80年代末期开始转为湿润期^[47]。

4.2 帕尔默干旱指数

帕尔默干旱指数基于水分平衡方程,考虑温度、降水、土壤湿度等因素,能够有效地描述区域的干湿变化特征^[48]。基于PDSI的研究表明,西北西部和西北东部干湿变化完全相反,自1960年以来西北西部逐渐变湿,尤其是新疆北部和天山山脉地区,而西北东部地区持续变干;西北东西部干湿变化的差异主要因两地分属不同的气候区,西部地区受西风带影响,东部地区受季风影响,西风带南移给西部地区带来了更多的降水,气候逐渐湿润化^[49]。Wang等利用自校准帕尔默干旱指数（self-calibration palmer drought severity index,sc-PDSI）研究了1961—2009年中国的干旱变化特征,也得出西北西部地区变湿而西北东部地区变干的结论,同时指出西北地区干湿变化主要受太平洋年代际振荡的影响^[50]。而Liu等使用PDSI研究了青海省的气候干湿变化,结果表明,只有长江源区表现出长期的湿润化趋势,而其他地区呈现干旱化趋势^[51]。柴达木盆地、祁连山地区干旱化主要受温度升高的影响,东部农业区干旱化主要受降水减少的影响,值得注意的是,长江源区温度升高、降水减少,PDSI却显示湿润化,这种变化可能与冰川融雪增加带来了更多的水资源有关。

4.3 标准化降水蒸散指数

标准化降水蒸散指数综合考虑了气温和降水对干旱的影响,有机集成了SPI的多时间尺度的属性和PDSI对蒸发需求的变化的灵敏度^[52]。Wang等分析了西北西部地区1960—2010年间的月SPEI与大气环流模式的遥相关^[53]。结果表明,SPEI阶跃变化发生在1986年,在1986年之前,干旱发生较为频繁,而在1986年之后,干旱明显减少,整体趋向湿润化。Huang等研究表明中国以100°E为界,以东趋向干旱化,以西地区趋向湿润化,其中西北地区北部、柴达木盆和青藏高原东北部呈现明显的湿润趋势^[54]。但也有****提出了西北西部地区（新疆）变干的观点,Wei等综合考虑降水和蒸发,计算了三种干旱指数,1960—2009年间,SPI显示西北西部地区（新疆）在向湿润的方向发展,这与前人研究相一致,而sc-PDSI和SPEI的结果显示新疆向更干的方向发展,同时指出蒸发的增加抵消了降水的增加,区域趋向暖干化^[19]。Yao等研究指出SPEI显示西北西部地区（新疆）过去五十年呈现轻微的干旱趋势,并以1997年为转折点,由湿润趋势转为干旱趋势^[55]。

不同干旱指标考虑的因素不同,结果也存在一定的差异。仅考虑降水的SPI表明西北整体趋向湿润化。除考虑降水外,还考虑了蒸发的PDSI和SPEI都表明西北地区干湿变化存在区域差异,西部地区整体湿润化,东部地区整体干旱化,这与湿润指数的结果相一致,进一步说明蒸发变化对区域干湿变化起到了很大的作用。另外,考虑多因素的PDSI和SPEI,对站点数量和质量的要求比较高,而由于西北地区站点稀疏,一些****选择的站点不同就得出了相反的结论,这进一步体现了西北气候的复杂性。

5 地表水变化

5.1 内陆河流量

内陆河流量是干旱区气候变化的晴雨表,气候变暖、冰川退缩及冰雪融化的变化,对径流时空变化有着重要影响。河川径流是西北干旱区水资源的重要组成部分,占水资源总量的比例超过85%^[56]。

近50年来,西北西部地区河流源区径流增加,而东部径流逐渐减少。西北西部开都河、阿克苏河等河流在20世纪90年代发生了转折性变化^[57]。开都河年径流量在1993年发生突变,1994—2009年平均径流量比1960—1993年增加了26.40%^[58]。阿克苏河年径流量突变也发生在1993年,1994—2010年平均径流量比1960—1993年增加了22%^[59]。疏勒河和黑河的年径流量均呈增加趋势,疏勒河和黑河上游年径流量的突变发生在1997年和1979年^[60]。Qin等研究表明西北东部石羊河流域近50年来年径流呈明显下降趋势^[57]。

与历史时期不同,西北地区径流未来将会呈上升趋势,大部分地区的径流量增幅将超过10%。研究表明,新疆南部、新疆北部和河西走廊到21世纪近期（2016—2045年）径流量均呈增加趋势,RCP2.6情景下增幅分别为11%、1%和13%,RCP8.5情景下增幅分别为7%,4%和15%^[61]。未来河西走廊平水期和枯水期的流量也将明显增加,而丰水期流量将不会出现显著变化;径流的丰、枯变化将会加剧,但变化频率会降低^[62]。石羊河流域的月平均径流量在本世纪也普遍增加^[63]。对于黄河流域上游区域,在2070—2099年期间,除半湿润地区和源头地区外,大部分区域径流将会明显增加,RCP2.6和RCP8.5情景下,径流增加的区域分别占36.80%和71.10%^[64]。

5.2 湖泊面积

湖泊面积与内陆河流量有着相似的变化趋势。受内陆河径流量增加的影响,西北西部地区过去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 km^{2 [65]}。其中,1999—2007年间湖泊面积增加速率最快^[66]。过去50年博斯腾湖的水位、面积和储量变化分为4个阶段：下降（1961—1987年）,快速增长（1988—2002年）,急剧下降（2003—2012年）和最近的急剧增长（2013—2016年）^[67]。与之相反的是,西北东部地区内陆河流量的减少则导致了湖泊的萎缩。自1990年代末至2010年,红碱淖湖面积急剧萎缩,已由54 km²缩减到了38.2 km^{2 [68]}。

5.3 冰川面积

由于西北地区的河川径流主要补给来源于冰川（积雪）,因此西北地区冰川面积的变化对未来区域水资源的变化起着决定性的作用。已有研究显示,西北地区冰川呈现普遍消融的态势^[69]。如塔里木内陆河流域冰川从1960年到2001年,总面积减少了574.09 km²（3.30%）,其中面积介于1~5 km²冰川的面积减少量占该流域冰川总面积损失的48.30%^[70]。1956—2010年间祁连山冰川面积减少了420.81 km²（-20.88%）,其中面积小于1 km²的冰川面积损失最为严重,共损失了271.01 km^2[71]。

冰川融水量的增加使得这些冰川融水补给为主的河流年径流量在较长一段时期内处于高位波动。但随着冰川消融或冰川消失,部分流域已经出现了冰川消融拐点。如石羊河流域冰川面积到2050年将退缩到1970年冰川面积的50%左右,冰川融水量已在2000年达到峰值,未来冰川融水量将会显著下降^[72]。乌鲁木齐河源一号冰川子流域冰川融水量将在近期（2016—2045年）达到峰值,远期（2066—2095年）急剧下降^[73]。由于冰川水资源的锐减,未来区域水资源变化将更加复杂。

西北地区地表水资源受气候变化和人类活动影响显著,径流弹性较大。降水增加和气温升高共同作用给西北西部地区以冰川和积雪融水为主要补给的河流带来了更多的径流。而受降水减少、气温升高以及农业灌溉、生态用水的共同影响,西北东部地区大多数河流径流明显减少。随着降水持续增加,未来西北地区以降水补给为主的河川径流量将会增加;以冰川融水补给为的河川径流量在未来短期内仍会增加,但远期将会随着冰川面积显著收缩而逐渐减少。

6 土壤湿度变化

土壤湿度反映了地表水文过程,是衡量干湿变化的重要指标。历史时期与未来的土壤湿度变化特征一致,表现为西北西部增加、西北西部减少。马柱国等基于湿润指数、PDSI和土壤湿度分析了中国北方1951—2004年的干湿变化,结果表明20世纪80年代以来,西北东部地区以干旱化趋势为主,极端干旱发生频率明显增加,而西北西部地区则处于相对湿润阶段^[74]。Wang等基于欧空局气候变化倡议项目提供的土壤湿度数据集研究了塔里木盆地不同土地覆盖下的土壤湿度时空变化,研究表明2001—2015年塔里木盆地土壤湿度呈微弱增加,夏季土壤湿度的变化对区域土壤湿度的变化影响最大^[75]。研究还指出,降水对土壤湿度的影响为正,而温度对土壤湿度的影响为负,降水对土壤湿度正效应大于温度对土壤湿度的负效应^[75]。李明星等利用陆面模式模拟的土壤湿度数据分析了中国1900—2099年的土壤湿度变化,研究发现西北西部地区土壤湿度总体呈增加趋势,湿润化趋势较为明显,而西北东部地区土壤湿度呈下降趋势,深层下降趋势较表层表现更明显^[76]。而与以上结论不同的是,张蕾等基于中国155个农业气象观测站1981—2010年逐旬土壤湿度资料,分析了全国尺度的土壤湿度变化,结果表明新疆地区1981—2010年土壤湿度减小趋势显著^[77]。王磊等利用中国西北西部地区7个农业气象观测站 1981—2001年0~40 cm的土壤湿度,分析了区域尺度的土壤湿度变化,研究结果发现20世纪90年代以来,大多数站点土壤明显偏干旱^[78]。刘珂等研究表明RCP4.5排放情景下,未来西北地区土壤湿度将明显减小,尤其是在夏季^[79]。

土壤湿度的变化指示西北西部地区趋向暖湿化,而西北东部地区趋向暖干化。由于西北地区土壤湿度实测资料的缺乏,西北地区土壤湿度变化的研究还寥寥无几。基于稀疏观测站点的土壤湿度数据的研究结果与基于遥感数据和模型反演的土壤湿度数据的研究结果还出现了很大的偏差,另外,气候模式模拟土壤湿度也存在较大的偏差,因此,仍需进一步补充土壤湿度观测资料才能准确揭示以及预估区域土壤湿度变化特征。

7 植被覆盖变化

植被生长状况与气候变化之间具有相辅相成的关系。气候干湿变化将会引起植被生态系统功能的变化,监测植被的生长状态将会揭示气候变化的规律^[80]。归一化植被指数（normalized difference vegetation index,NDVI）已被广泛用于植被覆盖度变化的研究^[81]。

研究表明,西北地区过去30年NDVI总体呈增加趋势,存在一定的时空差异。其中西北西部地区NDVI增加,西北东部地区NDVI减少^[82,83]。Piao等根据1982—1999年NOAA/AVHRR数据的分析得出西北西部地区的植被显著增加^[84]。韦振锋等指出西北东部地区在1982—2006年间植被呈显著下降趋势^[85]。Zhao等研究表明新疆1982—2003年大约30%面积的植被在生长季的NDVI呈增加趋势,变化速率为0.70%/a^[86]。Yao等进一步分析指出过去30年新疆年平均NDVI呈现阶段性变化,1982—1998年平均NDVI显著增加,增速为0.40%/10a,而在1998年之后呈现出明显的下降趋势,变化率为-0.50%/10a^[87]。Guan等研究发现河西走廊NDVI在2000—2015年间整体呈增加趋势,植被绿度从西北向东南显著增加^[88]。

植被变化与气候因子的关系研究表明,降水和温度对西北地区植被变化起到了重要作用。Piao等分析认为干旱区的植被变化主要受降水变化的影响^[84]。Zhao等研究发现NDVI与降水和蒸发显著相关,而与温度无关,且NDVI与上一年的冬季降水呈正相关^[86]。Yao等进一步研究发现新疆NDVI变化与极端降水和显著相关^[87]。Guan等研究发现降水和温度对河西走廊植被绿化趋势的贡献分别为47%和20%,进一步分析还发现,祁连山东西部NDVI对降水和温度的响应呈相反趋势,过多的水分抑制了祁连山东部地区森林的生长,而充足的降水促进了祁连山西部低覆盖草地的生长^[88]。

可见,诸多研究表明西北地区的植被状况均得到改善,且有证据表明温度升高、降水增加给西北地区生态效益带来了正面影响。这说明区域气候有向暖湿转型的可能。虽然植树造林、退耕还林还草等人类活动在局部地区也对植被变化起到了一定的作用,但主要的影响因素仍然是气候变化。

8 陆地水储量变化

陆地水储量（terrestrial water storage,TWS）包括地表水、地下水、冰川积雪、土壤湿度和生物含水量等^[89]。陆地水储量是水循环的关键变量,对水、能量和生物化学通量起着重要的控制作用,从而在地球气候系统中发挥重要作用^[90]。TWS的变化可以反映一个地区长期的干湿情况。由于实测站点有限、测站空间分布复杂,因此无法利用原位观测和水文模型来获得高精度大范围的区域水储存信息^[91]。然而,2002年3月发射的重力反演与气候实验卫星（gravity recoverty and climate experiment,GRACE）首次实现了全球覆盖的水储量估算,并逐渐成为估算陆地水储量的常规手段^[92]。

基于GRACE反演的陆地水储量变化信息显示,2002—2016年间西北地区陆地水储量呈下降趋势^[93]。西北地区陆地水储量变化速率为-0.01 cm/mon,即每年减少53.50亿m^{3 [94]}。空间上,新疆、甘肃、宁夏和陕西的陆地水储量明显减少,而青海的陆地水储量明显增加;日照时数减少和风速下降共同促使了青海陆地水储量增加,气温升高、植被改善以及过多的地下水抽取共同导致了西北地区其他省份的陆地水储量减少^[91]。天山中部地区的陆地水储量在过去10年呈下降趋势,下降速率为-5.50 mm/a^[95]。由于陆地水储量严重亏损,新疆西北部在2008年5月至2009年12月期间遭遇了历史罕见干旱^[96]。

西北各区陆地水储量存在明显的季节性变化。陕西、宁夏、甘肃和青海省的陆地水储量都在4月至9月期间增加,在9月至次年4月期间减少,而新疆的陆地水储量在4月至10月期间减少,在10月至次年4月期间增加^[91]。塔里木河流域（新疆）的陆地水储量在春季出现最高值,在秋季出现最低值^[95]。天山中部地区（新疆）的陆地水储量在冬季和夏季下降较为明显,下降速率分别为-5.72 mm/a和-5.92 mm/a^[96]。

陆地水储量变化显示西北地区整体趋向暖干化,这与前文所述同时期（2002—2010年）的降水、湿润指数、干旱指数、径流所得出的结论正好相反。出现这种差异的主要原因是,降水、湿润指数、干旱指数仅考虑了气象因素,并未考虑水文收支状况,土壤湿度和径流都是地表水文过程,而陆地水储量是降水、蒸散发和径流等共同作用的结合体,真实反映了一个区域的干湿变化情况。

9 结论

针对西北地区是否发生干湿转型的问题,分别从降水、温度、蒸散、径流、土壤湿度、植被覆盖、和陆地水储量等方面系统分析了这一地区的相关研究成果,总结西北地区近50年来的气候变化特征如下：

（1）西北地区“偏暖”是一个不争的事实,无论是西北整体还是西北东、西部区域,在气温上都呈现逐渐升高的趋势,这与全球气温变暖的大背景相一致。因此,目前学术界关于西北地区的气候变化主要集中在偏干还是偏湿方面,即暖干化还是暖湿化。

（2）西北地区整体降水量呈增加趋势,这不仅表现在年、季等的绝对降水量的增加,而且基于降水的SPI指数也证实了这一事实。但根据目前广泛认可的关于干湿化的界定,西北地区降水量的增加并不代表该地区湿润化,还需要考虑其他因素,特别是蒸散的变化。

（3）降水与蒸散、径流、土壤湿度和植被覆盖均指示西北西部地区偏湿润,东部地区偏干旱。虽然西北地区潜在蒸散量的变化并没有统一的结论,但蒸散和降水综合起来考虑则显示——无论是用于表征干湿变化的湿润指数,还是用于评估干旱的PDSI和SPEI等指数——西北西部地区湿润化,而西北东部地区干旱化。这种现象也表现在径流的变化上,西北西部地区的冰川面积萎缩主要受气温升高所导致的冰川消融,而内陆河流量增加、湖泊面积增大则是区域内降水量增加和冰川融水增多的双重作用所导致;而西北东部地区则反之。土壤湿度的变化与径流的变化是息息相关的,也呈现类似的现象。与此同时,由于西北西部地区径流和土壤湿度的增加满足了更多的植被需水,因此植被状况明显有所改善;而受气温升高、蒸发增加的影响,西北东部地区出现了径流量持续减少、湖泊萎缩、土壤湿度减小以及植被退化的现象。

（4）陆地水储量表明西北整体偏干旱。尽管之前的多种证据都显示西北西部地区趋于暖湿,且表现出了生态环境的好转,但该区域的陆地水储量却在不断减少。这说明虽然西北地区出现了全局性或局部性暖湿化的部分征兆,但区域水资源状况仍不容乐观,未能改变西部干旱缺水的基本格局。未来随着气候变暖,降水增多,区域地表水资源可能仍会继续增加,但是冰川融水补给将会出现拐点,未来水资源的脆弱性将加剧。因此,针对西部地区的水资源开发利用并不能因为降水增加、径流增加、生态环境改善等部分暖湿化的征兆就贸然改变已有的用水方式和用水结构,而是应该持以审慎的态度、遵循可持续发展的思路。

目前关于气候干湿变化的研究主要考虑气象因子的变化,而关于水资源方面的研究较少,尤其是陆地水储量。其中监测资料的缺乏以及已有资料时间尺度较短制约了水资源方面的研究。另外,由于西部地区历史气象和水文观测站点都较少,气候模式模拟存在较大的不确定性,西北西部地区这种暖湿化的迹象是短期的,还是长期的,未来变化趋势如何,都有待进一步深入研究。

致谢：

真诚感谢匿名评审专家在论文评审中所付出的时间和精力,评审专家对摘要的凝炼、引言的充实（文献回顾部分）、标题的完善（湿润指数、径流）、内容（添加未来干湿气候变化文献回顾）等的修改意见,使本文获益匪浅。

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Drought is expected to increase in frequency and severity in the future as a result of climate change, mainly as a consequence of decreases in regional precipitation but also because of increasing evaporation driven by global warming. Previous assessments of historic changes in drought over the late twentieth and early twenty-first centuries indicate that this may already be happening globally. In particular, calculations of the Palmer Drought Severity Index (PDSI) show a decrease in moisture globally since the 1970s with a commensurate increase in the area in drought that is attributed, in part, to global warming. The simplicity of the PDSI, which is calculated from a simple water-balance model forced by monthly precipitation and temperature data, makes it an attractive tool in large-scale drought assessments, but may give biased results in the context of climate change. Here we show that the previously reported increase in global drought is overestimated because the PDSI uses a simplified model of potential evaporation that responds only to changes in temperature and thus responds incorrectly to global warming in recent decades. More realistic calculations, based on the underlying physical principles that take into account changes in available energy, humidity and wind speed, suggest that there has been little change in drought over the past 60 years. The results have implications for how we interpret the impact of global warming on the hydrological cycle and its extremes, and may help to explain why palaeoclimate drought reconstructions based on tree-ring data diverge from the PDSI-based drought record in recent years.

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The arid region of Northwest China, located in the central Asia, responds sensitively to global climate change. Based on the newest research results, this paper analyzes the impacts of climate change on hydrology and the water cycle in the arid region of Northwest China. The analysis results show that: (1) In the northwest arid region, temperature and precipitation experienced

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Zika virus (ZIKV) has recently caused a pandemic disease, and many cases of ZIKV infection in pregnant women resulted in abortion, stillbirth, deaths and congenital defects including microcephaly, which now has been proposed as ZIKV congenital syndrome. This study aimed to investigate the in situ immune response profile and mechanisms of neuronal cell damage in fatal Zika microcephaly cases. Brain tissue samples were collected from 15 cases, including 10 microcephalic ZIKV-positive neonates with fatal outcome and five neonatal control flavivirus-negative neonates that died due to other causes, but with preserved central nervous system (CNS) architecture. In microcephaly cases, the histopathological features of the tissue samples were characterized in three CNS areas (meninges, perivascular space, and parenchyma). The changes found were mainly calcification, necrosis, neuronophagy, gliosis, microglial nodules, and inflammatory infiltration of mononuclear cells. The in situ immune response against ZIKV in the CNS of newborns is complex. Despite the predominant expression of Th2 cytokines, other cytokines such as Th1, Th17, Treg, Th9, and Th22 are involved to a lesser extent, but are still likely to participate in the immunopathogenic mechanisms of neural disease in fatal cases of microcephaly caused by ZIKV.

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