由气候变暖引起的湿润-干燥转变加剧了中国黄河流域的水资源短缺风险

《Journal of Hydrology X》：Warming-induced wetting-drying transitions amplify water scarcity risks in China’s Yellow River Basin

黄河流域（1981-2023）呈现空间异质性的湿润/干燥趋势：上游温暖湿润（降水+1.759mm/decade），中下游温暖干燥（降水-2.943mm/decade）。归因分析显示外部水汽源（欧洲占31%-50%，亚洲占31%-48%）贡献88.95%，内部循环11.05%。未来情景显示：1.5°C时85.35%区域可能持续变干；2-3°C时全流域转为湿润；4°C时中下游短暂变干后转为湿润。研究揭示了 Atlantic SST与AMO对区域水循环的调控作用，证实人类活动（GHG 31.67%, AER 38.42%）是主要驱动因素。

　　黄河流域（YRB）作为中国重要的农业和生态区域，近年来面临着日益严峻的水资源供需矛盾。随着全球气候变暖的加剧，该流域的湿润和干旱趋势及其背后的驱动因素成为研究重点。本文通过引入拉格朗日轨迹模型、奇异值分解技术以及最优指纹分析等方法，深入探讨了黄河流域在不同升温情景下的湿润与干旱变化，并分析了其可能的驱动机制。研究发现，从1981年至2023年，黄河流域的上中下游区域呈现出不同的湿润与干旱趋势。上流域呈现出明显的变暖和湿润趋势，而中下游地区则显示出变暖和干旱的趋势。这些变化主要受到外部水汽来源和内部水汽循环的共同影响，其中外部水汽来源贡献了88.95%，而内部循环仅占11.05%。外部水汽主要来源于欧洲和亚洲，分别贡献了31%-50%和31%-48%。此外，大西洋海表温度（SST）和人为因素在气候变暖对黄河流域的影响中扮演了重要角色。

在气候变暖的背景下，黄河流域的水循环过程加快，这一现象在黄河流域的水文特征中表现得尤为明显。根据克莱佩龙方程，温度每升高1°C，大气中的水汽含量会增加6-7%，从而加剧全球水循环。这种水汽含量的增加对中纬度地区的环流变化产生了显著影响，进而加剧了干旱和湿润区域之间的降水差异。然而，对于水汽变化如何影响流域的河流响应，目前尚不明确。黄河流域作为中国重要的生态和经济区域，其水资源的供需平衡面临诸多挑战。这些挑战不仅来自于气候变暖导致的不确定性变化，还受到人类活动带来的用水需求增加的影响。因此，有必要对黄河流域的湿润与干旱趋势及其驱动因素进行系统评估，以支持有效的水资源管理策略。

研究发现，自20世纪80年代以来，黄河流域的降水和蒸发呈现出从西北向东南逐渐增加的趋势，而温度则呈现出从西向东逐渐升高的趋势。上流域和下流域的降水均呈现出显著的增加趋势，其中上流域的年均降水增加速度为1.759 mm/decade，下流域则表现出降水强度的增加，这增加了华北平原发生洪水或突发性洪水的风险。相比之下，中流域的降水却呈现出显著减少的趋势，年均减少速度为-2.943 mm/decade，而蒸发则在上流域和中下游区域呈现出增加的趋势。整个研究期间，黄河流域的温度呈现上升趋势，其中上中下游的升温幅度存在差异。此外，黄河流域的降水和蒸发在中北部区域表现出较大的波动性，而温度的波动性则相对较小。

在不同升温情景下，黄河流域的湿润与干旱趋势呈现出显著的差异。在1.5°C升温情景下，预计85.35%的黄河流域将经历显著的变暖和干旱。然而，在2°C和3°C升温情景下，黄河流域将倾向于变暖和湿润。在4°C升温情景下，黄河流域可能会再次回到变暖和干旱的状态。这种变化趋势不仅与全球变暖有关，还受到多种外部和内部因素的影响，包括大西洋海表温度、人为因素、大气环流模式以及植被变化等。

研究进一步揭示了黄河流域水汽来源及其变化对降水的影响。通过拉格朗日轨迹模型，研究人员追溯了1981年至2023年间进入黄河流域的水汽路径，并发现其主要来源于欧洲和亚洲。其中，欧洲贡献了42%、31%和50%的水汽输入，而亚洲贡献了48%、40%和31%的水汽输入。此外，大西洋海表温度和人为因素对黄河流域的气候变暖和干旱趋势具有显著影响。在大西洋海表温度上升的背景下，黄河流域的上流域呈现出变暖和湿润的趋势，而中下游则呈现出变暖和干旱的趋势。这一现象可能与大西洋海表温度对水汽输送路径和强度的调控有关。

研究还发现，黄河流域的水汽预算和降水再循环对湿润与干旱趋势具有重要影响。在水汽预算方面，上中下游地区的水汽输入和输出呈现出显著的空间差异。黄河流域的东部边界是水汽输出的主要通道，占总输入水汽的90.2%。水汽输入则主要来自北部、南部和西部边界，分别占总输入水汽的9.0%、55.2%和35.8%。水汽输入在6月至8月达到高峰，占全年输入总量的79.81%。而11月至1月的水汽输入则相对较低。通过分析降水减去蒸发（PME）与水汽预算之间的关系，研究发现，PME的变化主要由水汽输入和蒸发之间的平衡决定。增强的水汽汇聚通常会导致PME的增加，而减少的水汽输入或增强的蒸发则会导致PME的减少，这表明了水汽输送和蒸发过程对区域湿润与干旱趋势的决定性作用。

在潜在驱动因素方面，研究通过最优指纹方法分析了不同外部强迫对黄河流域降水变化的影响。结果显示，人为因素（如温室气体和气溶胶）对降水变化的贡献显著，其中气溶胶的贡献为38.42%，温室气体的贡献为31.67%。相比之下，所有强迫因素（ALL）的贡献相对较小，仅占16.36%。这一发现表明，尽管自然因素对黄河流域的降水变化也有一定影响，但人为因素在驱动降水变化中扮演了更为关键的角色。此外，大西洋海表温度和大西洋多年代振荡（AMO）对黄河流域的降水变化具有显著影响，其中大西洋海表温度与PME之间的相关系数达到0.62，且在99%的置信水平上具有统计显著性。大西洋多年代振荡的正相位会增强从大西洋输送的水汽，导致黄河流域湿润；而负相位则可能抑制水汽输送，加剧干旱。

在未来的气候变暖情景下，黄河流域的湿润与干旱趋势可能进一步演变。研究预测，在1.5°C升温情景下，尽管PME呈现下降趋势，但降水仍高于蒸发，这可能增加黄河流域的洪水风险。而在2°C、3°C和4°C升温情景下，蒸发量将显著超过降水量，这表明黄河流域的干旱趋势可能加剧。特别是在4°C升温情景下，整个黄河流域将经历显著的变暖和干旱，这可能对区域的水资源供需平衡产生深远影响。尽管不同升温情景下降水和蒸发的变化趋势存在差异，但总体而言，随着温度的上升，蒸发量的增加可能超过降水的变化，导致PME的持续减少，从而加深水资源的紧张状况。

黄河流域的水汽输送路径和来源对于理解其降水变化至关重要。研究发现，水汽来源呈现出明显的季节性差异。冬季和春季主要受到欧洲-西亚-中亚的西风路径影响，而夏季则主要受到西太平洋-南海-华南的季风走廊影响。秋季则是这两个季节性路径之间的过渡期。此外，水汽输送路径的季节性变化对流域的水资源管理具有重要意义。例如，在夏季，当西太平洋副热带高压增强并向北扩展，低层急流持续存在时，下游地区的洪水和突发性洪水风险将增加。而在冬季和春季，当干燥的大陆性西风占据主导地位时，水汽输入减少，春季干旱的风险上升。因此，需要根据季节特点制定相应的水资源储存和调配策略，以增强洪水应对能力和预防干旱。

黄河流域的水资源管理面临着多重挑战。一方面，全球变暖导致的水资源变化加剧了流域的干旱趋势；另一方面，人类活动的增加进一步加剧了水资源的紧张状况。因此，有必要对黄河流域的水资源变化进行综合评估，并结合多种模型和数据进行分析。通过将降水、蒸发、温度和水汽通量等变量纳入分析框架，可以更全面地理解流域的水文变化趋势及其驱动因素。此外，研究还发现，尽管气溶胶和温室气体对降水变化的影响信号存在，但它们的贡献率相对较低，表明人为因素在流域的水资源变化中可能并不是唯一主导因素。

研究还指出，黄河流域的水资源变化不仅受到气候因素的影响，还受到土地利用变化和植被动态的制约。例如，灌溉农田向城市或工业用地的转变可能导致土壤水分减少，从而抑制地表蒸发。此外，长期的气候变暖可能加剧植被压力，进一步降低地表蒸发能力。这些因素的综合作用可能使黄河流域的水资源供应更加不稳定，从而增加水资源短缺的风险。因此，水资源管理策略需要充分考虑这些复杂的相互作用，以实现可持续发展。

研究结果表明，黄河流域的水资源变化趋势具有显著的空间异质性。上流域的湿润趋势主要受到外部水汽输入的增强和水汽汇聚的增加所驱动，而中下游的干旱趋势则可能与水汽输入减少和蒸发增强有关。此外，全球变暖对黄河流域的水汽输送路径和汇聚区域产生了显著影响，特别是在大西洋海表温度和人为因素的共同作用下，水汽输送路径和汇聚区域可能发生变化，从而影响流域的水资源供需平衡。

在未来的水资源管理中，需要采取更加灵活和前瞻性的策略。例如，在1.5°C升温情景下，尽管PME呈现下降趋势，但降水仍高于蒸发，这可能为流域提供一定的水资源保障。而在更高升温情景下，蒸发量的增加可能超过降水的变化，导致PME的持续减少，从而加剧水资源短缺。因此，需要根据不同升温情景制定相应的水资源调配和储存策略，以降低未来可能面临的水资源危机。

综上所述，黄河流域的水资源变化趋势受到多种因素的共同影响，包括气候变化、人为活动、水汽输送路径和植被变化等。未来的研究需要进一步探索这些因素之间的相互作用，并通过更精细的模型和数据进行分析，以提高对黄河流域水资源变化趋势的预测精度。此外，政策制定者需要根据研究结果，采取更加科学和有效的水资源管理措施，以确保黄河流域的生态和经济可持续发展。