中国400 mm等降水量变迁与干湿变化研究进展 (2023)

气候变化已经对全球水资源分布和水循环产生了显著的影响。有研究表明，气候变暖导致水资源呈现“干的地方越干，湿的地方越湿”的变化分布，从而加剧世界水资源贫富差距^［1］。全球变暖导致全球干旱区面积扩张，未来持续变暖情景下，扩张将进一步加剧^［2］。中国西北地区是广阔的干旱、半干旱气候区，降水稀少，气候干湿变率较大，对干旱、洪涝等气象灾害的防范能力较弱^［3］。如果这一干湿变化预估成立，中国干旱、半干旱区的生态安全将受到严重威胁。

400 mm等降水量线是极具地理意义的干湿区划界线，它是中国半湿润和半干旱区的分界线、森林植被与草原植被的分界线、农耕文明与游牧文明的分界线、种植业与畜牧业的分界线^［4，5］。其东南侧为湿润和半湿润气候区，占全国43%的陆地国土面积，集聚了全国94%的人口和96%的GDP，显示出高密度的经济、社会功能；而西北侧为干旱和半干旱气候区，地广人稀，受生态胁迫，其发展经济、集聚人口的功能较弱，总体以生态恢复和保护为主体功能。400 mm等降水量线的变迁是关乎西北地区生态安全以及国家稳定的重要科学问题，在气候变暖背景下研究该线的变迁问题具有必要性和紧迫性。党中央国务院十三五规划在西部地区的首要工作是大力开展生态恢复和扶贫工作，努力缩小东西部贫富差距。分析现阶段中国干湿界线变迁和西北地区干湿变化，并基于未来排放情景进行干湿变化预估，可以加深对西北地区水分收支的理解，提高应对气象灾害风险的能力，对中国生态安全及社会经济发展具有十分重要的现实意义。

受观测资料的限制，干湿气候区的计算方法和指标、等级命名及划分标准等各不相同^［6］。目前主要采用的干湿区划指标除了400 mm等降水量线外，还有使用降水量和潜在蒸散量双因子的干燥度指数、使用综合考虑降水和地表多要素的帕尔默干旱强度指数（Palmer Drought Severity Index，PDSI），此外，水文学研究领域常用径流量、农业领域使用土壤湿度作为干旱指标。

20世纪50年代之前，降水量被广泛应用到气候区划和干湿气候变化研究中。一般将年降水量小于200 mm的区域划分为干旱区，200~400 mm为半干旱区，400~800 mm为半湿润区，大于800 mm为湿润区。在考虑降水量单一要素的前提下，400 mm等降水量线的变迁实质上是中国半湿润区和半干旱区的干湿变化问题。

20世纪50年代以后的研究发现，尽管降水量作为表征干湿程度的代用指标，具有计算简单、可获得性强的优点，但由于其只考虑了水分收入，未考虑水分支出，因而无法完全真实地反映一个地区的干湿状况^［7］。有研究表明，在温度降低、降水增加或者温度升高、降水减少的气候背景下，降水量的变化趋势基本和干湿变化的趋势一致，降水量变化可定性地表示干湿变化的特征。然而，在温度升高降水增加或者温度降低降水减少的条件下，降水量作为表征因子就无法如实反映干湿变化的特征，所以，除了降水量，干湿变化研究还需要考虑其他因素的影响^［8］。

于是，20世纪50年代开始，一些学者尝试采用干燥度指数的方法来反映干湿状况。干燥度指数定义为降水量和潜在蒸散量的比值（湿润度指数则是潜在蒸散量与降水量的比值，两者根本含义相同，以下合称干燥度指数），这一指数考虑了水分收入和支出两个过程，能够有效地反映特定地区的水分盈亏，在气象学等诸多领域得到了广泛应用^［7］。干燥度指数通常以0.5为半干旱区和半湿润区的划分阈值^{［5，9，10］}。其计算需要降水量和潜在蒸散发这两个要素，降水量可以直接通过观测获得，而潜在蒸散量无法直接观测获得，主要有Thornthwaite^［11］和Penman-Monteith^［12］两种估算方法。前者只考虑温度的影响，易于高估干旱，后者因具有清晰的物理意义而被更多地用于潜在蒸散发的计算。

PDSI由美国气象学家韦恩·帕尔默于1965年提出^［13］，最初被用于农业领域的干旱监测，之后被广泛应用于气象水文等其他领域的干旱监测和预估。PDSI也是一个基于水量供需关系的干旱指数，其计算不仅需要降水量和潜在蒸散发量，还需当地下垫面土壤的最大有效持水量。该指数不仅考虑当前的水分供需状况，还考虑前期干湿状况及其持续时间对当前干旱状况的影响^［14］。因为计算所需的要素多，在早期的研究中没有得到广泛使用，直到21世纪，随着土壤湿度模拟性能的提高而重新受到重视。

本研究中，区分半干旱区和半湿润区的干旱指标等值线统称为干湿界线，包括400 mm等降水量线、0.5的干燥度指数等值线和零等值线的PDSI。除了这3个干旱指标，还有很多其他变量也可用于干旱研究^［15］，例如，径流量和土壤湿度分别用于表征水文和农业领域的干旱。由于这些变量不便用于干旱区和湿润区的气候区划，因而本研究未进行分析。

目前已有很多研究采用不同的指标对中国干湿气候进行分区，分析了干湿气候分界线的平均位置，得出了一些较为一致的结论。尽管因为使用的数据不同，分析时间段不同，不同学者研究的干湿气候界线的位置略有差异，但是所有研究均一致显示，中国干湿气候区划界线呈东北—西南走向，穿过华北地区的东部与中部、西北地区中部、西南地区西藏中东部，和中国季风北边缘区具有较好的空间一致性^{［7，9，16~18］}。例如，谭云娟^［5］对比了基于降水量和干燥度指数表征的干湿分区，结果显示基于400 mm等降水量和干燥度指数划分的范围大体一致，干湿分界线的走向相同，两指标对应的干湿分区面积相当，但分界线不重合。较基于年降水量指标而言，基于年干燥度的干湿区划在100°E以西的半湿润区向西北方向扩张；而100°E以东的半干旱区向东或东南方向延伸。

一些学者将等降水量线的空间位置分解到纬向和经向两个方向，获取等降水线上离散点的经度和纬度，再采用加权平均位置的变化来表征和描述等降水量线的整体位移特征^{［4，5，19，20］}。王浩等^［20］利用1956—2000年黄河流域及周边地区的1 026个雨量（水文）站逐日降水数据，分析了黄河流域400 mm等降水量线的空间变化，认为研究区400 mm等雨量线的加权平均位置坐标在105°00′04″E，36°57′54″N。马超等^［19］分析了中国大陆1951—2012年752个站点的逐年降水观测值，认为中国大陆400 mm等雨量线加权平均位置坐标在105°56′E，36°51′N。刘洁^［4］分析了1960—2016年多年平均中国北方半干旱界线，认为西段数据稀少，不确定性较大，仅考虑400 mm等降水量线的中东段，认为多年加权平均位置位于108°26′31″E，38°57′25″N。

使用基于中国2 472个气象台站观测资料的网格化降水（CNgrid）^［21］、GPCC（the Global Precipitation Climatology Centre）^［22］和CRU（the Climate Research Unit）^［23］3套降水数据，我们分析了1961—2019年中国400 mm等降水量线分布特征。研究表明，中国大陆降水量均呈现出从东南向西北逐渐减小的分布规律。3套数据在东部气候区降水空间分布较为一致，而在西北地区存在一定差异，CNgrid融合了更多站点观测数据，更好地刻画降水分布的细节特征（图1），例如，它更清晰地反映出青藏高原北部柴达木盆地和祁连山地区的降水分布。

从400 mm等降水量线的多年平均位置来看，在33°N以北，3套数据都显示400 mm等降水量线呈东北—西南走向，在33°N附近的黄河流域呈东—西走向，而在33°N以南，CNgrid和GPCC显示400 mm等降水量线位于90°E附近，呈南—北走向；而CRU呈东—西走向，向西延伸到80°E左右（图1b）。CRU数据显示高原南部均为半湿润区，半湿润区范围比CNgrid和GPCC大。总体而言，3套数据的400 mm等降水量线在东部地区具有较好的一致性，而在青藏高原存在较大差异，其中，CRU结果与其他两套数据之间差异明显。

研究发现400 mm等降水量线位置存在明显的年代际变化。王浩等^［20］研究发现1956—2000年黄河流域400 mm等降水量线有向东和向南移动的趋势， 且东移趋势显著。马超等^［19］提出1951—2012中国大陆年降水量总体呈下降趋势，400 mm等降水量线整体东移6°42′，整体北移2°26′。李雪萍等^［18］研究了1960—2013年中国573个气象站的降水量数据，结果表明400 mm等降水量线的中心向东和向南的扩张趋势，但年代际波动较大。20世纪70年代、21世纪初东移，20世纪80~90年代和21世纪10年代初西移；在华北中东部波动强烈。刘洁^［4］分析了1960—2016年气象站点资料，发现57年来400 mm等雨量线中东段存在向西和向南移动的趋势，由400 mm等降水量划分的半干旱区面积呈微弱的减小趋势，年代际波动明显，20世纪70~80年代呈减小趋势，90年代呈明显增加趋势，之后又减小。其中21世纪初是干旱化最严重的时段。

我们分析了1961—2019年CNgrid、GPCC和CRU 3套数据，发现400 mm等降水量线变化存在鲜明的区域、数据和年代际差异。3套数据显示400 mm等降水量线中段（93°~111°E）和东段（111°E以东）变化一致，在西段（93°E以西）存在明显差异。近60年来，东段和西段变化较大，中段变化较小（图2）。其中，东段的年代际波动剧烈，在20世纪70年代和21世纪00年代显著东移，在20世纪90年代西移。中段（93°~111°E）的位置比较稳定，只在2010s位置偏北。西段（93°E以西）位于青藏高原，受融合的观测数据限制，数据之间分析结果差距较大。CNgrid和GPCC的加权平均经度呈显著减小趋势，而CRU加权平均经度则表现为略微增加趋势。

CNgrid、GPCC和CRU 3套数据都显示1961—2019年中国干旱区面积比例呈显著减小趋势，变化率为-1.11%/10a，而半干旱区的面积比例显著增加，增加率为0.58%/10a（图3）。总之，近60年干旱区面积呈显著减小趋势，半干旱区面积呈增大趋势。400 mm等降水量线东段年代际波动显著，中段变化较小，西段数据间差距较大。

一些学者使用干燥度指数，利用台站观测资料和各种气象分析资料对中国干湿分界线移动、干旱半干旱区现阶段的面积盈缩和干湿变化趋势进行了详细分析。大多数学者认为自20世纪后半叶以来，中国半干旱区总面积有所扩张，但存在空间差异，西北东部和华北以干旱化趋势为主要特征，这种干旱化的趋势在近15年不断加剧^{［6，16，24~29］}。空间分布上，分界线整体具有分段波动特征，中段稳定，东段波动较大，变干与变湿地区并存^［30~32］。东北和黄土高原地区干旱程度增幅较大，内蒙古东部半干旱区东伸、范围扩大，陕西北部半干旱区、范围扩大，而位于新疆的极干旱区范围缩小，北疆和青藏高原西部等地区气候湿润程度增加幅度较大^{［24，33~36］}。

尹云鹤等^［9］利用干燥度指数，研究了1961—2010年中国半干旱地区面积变化，发现50年间半干旱区显著扩张，主要集中在西北地区、华北地区和青藏高原，相比20世纪60年代，21世纪初半干旱区面积增长了34%，干旱区面积萎缩了21%。在青藏高原，西北地区和北方地区，分别有11%、1%和10%的干旱区转化为半干旱区。相比1985年以前，1986年以后的半干旱区面积扩张在西部主要表现为向干旱区扩张。上述结果均佐证了西北西部的暖湿化的观点。

气候是影响固态水资源形成、发育过程的首要因子。因此，中国固态水资源的分布总体上与特定的气候带相契合，具有一定的纬度地带性和垂直地带性规律。中国东北地区受纬度地带影响较大，其余大部分地区位于中纬度带，受纬度带影响较小，但是，西部的青藏高原海拔高、气候寒冷，固态水资源分布受海拔影响显著。

400 mm等降水量线和干湿界线的西段位于青藏高原，属于高寒气候区，是固态水资源的富集区，被称为“亚洲水塔”，对气候变化的响应敏感。西段固态水资源变化不仅影响居住在当地的1千万人口，而且对其下游16亿人口也有重要影响^［37］。全球变化条件下，高寒气候区的固态水资源变化引起了全世界的高度关注。Yao等^［38］总结了青藏高原及周边地区82条冰川变化情况，发现27条冰川处于稳定或前进状态，55条冰川处于后退状态，藏东南地区冰川后退速率最大，冰川物质损失幅度呈现从喜马拉雅山向高原腹地减小的格局。孙美平等^［39］基于第一、二次冰川编目数据研究，发现祁连山冰川变化也呈现明显的经度地带性分异规律，东段冰川退缩较快，而中西段则较慢，且东西段冰川面积减少速率差异极大。与此同时，Scherler等^［40］利用卫星遥感手段获得了兴都库什—喀喇昆仑—喜马拉雅286条冰川2000—2008年末端进退的变化信息，Bolch等^［41］收集了兴都库什—喀喇昆仑—喜马拉雅地区200多条冰川末端变化资料，结果都表明冰川末端变化存在很大的空间差异，喀喇昆仑山地区少量冰川稳定或前进，其他地区冰川处于不断后退之中。变暖背景下，青藏高原内流区的冰川稳定或前进现象说明，气温变化不是冰川变化的唯一影响因子。结合青藏高原降水变化的空间分布，有理由相信降水在其中发挥了重要作用。

固态水资源变化主要集中在400 mm等降水量西段的高海拔山区，寒冷的气候导致降水多以固态形式降落，直接增加积雪的累积量。另一方面，积雪的覆盖面积较大，且直接暴露在大气中，通过圈层相互作用，产生较大的气候效应。高分辨率动力降尺度模拟结果再现了观测的降水和降水减实际蒸发（P-E）呈现出青藏高原西北部的内流区呈现显著增大，而东南部呈现减小的分布特征^{［42，43］}。受固态水资源变化影响，温度变化在5 000 m高度呈现出最大的变暖特征^［44］。除此以外，近年来一系列地表环境要素变化也呈现出青藏高原内流区异于边缘区域的变湿特征，比如，冰川显示出异于高原边缘地区的增长趋势^{［38，45］}，湖泊面积和数量呈现增加趋势^{［46，47］}，内流区水量出现增大趋势^［48］，高寒草原草甸界线西移^［49］，这些现象都间接佐证了400 mm等降水量线西段青藏高原上干湿过渡区短期内呈现出湿润化现象。

气候变化已经对全球水资源分布和水循环造成了显著的影响。变暖背景下的干湿变化对干旱区和半干旱区水资源，以及中国生态安全都有着重要影响。

国际耦合模式比较计划（Coupled Model Intercomparison Project， CMIP）对中国范围降水评估分析均表明，全球模式对中国区域降水的气候态具有一定的模拟能力，但存在系统偏差；模式之间差异明显^［50~56］。全球模式对极端降水指数年际变率的模拟能力都较差，模式集合的总体模拟能力高于单一模式^［57］。中国大部分范围降水将增加，仅在东南南部减少^［58］。21世纪中国区域极端降水事件将增多， 强度增强，且变化幅度与增暖幅度成正比，未来长江中下游地区、东南沿海和青藏高原会有更频繁的极端降水事件，而由于北方干旱和半干旱地区无雨日数的减少，干旱形势可能会有所缓解^［57］。中国全域降水将增加，北方和青藏高原地区增加较多，21世纪末期降水量增加30%以上，南方地区增加的比例则较少，通常在10%以下^［59］。

我们对18个CMIP6气候模式的降水预估结果进行集合平均。研究表明，在SSP126、SSP245和SSP585 3种情景下，21世纪中国大陆降水量持续增加，到21世纪末，3种情景下降水量分别增加13%、17%和29%（图4）。降水增加百分率最高的区域位于西北半干旱区，华北和东北地区次之，南方地区增加率最小。到21世纪末，在SSP585情景下，全国大部分地区降水量增加率在10%以上，西北干旱区增加了90%以上。

受降水量增大的影响，中国400 mm等降水量线西段和东段的加权平均经度均呈显著的减小趋势，中段比较稳定（图4）。SSP126、SSP245和SSP585情景下加权平均经度减小的速率依次增大，且变化显著的模式数依次增加。400 mm等降水量线西段和中段加权平均纬度均增大，东段变化不明显（图5）。SSP585情景下的变化速率要大于其他2种情景。受经纬度变化影响，SSP126、SSP245和SSP585 3种情景下，中国干旱区面积比例显著减小，湿润区面积比例显著增加。

也有学者使用全球和区域气候模式结果，采用干燥度指数或PDSI进行预估，认为在增暖大背景下，尽管降水量呈增加趋势，但是蒸散发增加趋势大于降水量，因此中国未来整体暖干化趋势加剧，半干旱区面积会进一步扩大；在干旱区内部，各个子区域的干湿变化分异也愈加显著^{［17，58~62］}。Gu等^［63］基于CMIP5预估的降水和4个水文模型计算的实际蒸散发，对比了径流量表征的水文干旱和降水量表征的干旱，结果显示未来中国东部和西部集水区降水（径流）随着温度的升高呈现不同的变化，东北部和西部集水区降水（径流）随温度升高以单调递增为主，干旱风险减弱，而在中部和南部集水区的干旱风险将加剧。基于第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）提供的12个模式资料（温度、降水参数），Li等^［62］研究不同共享社会经济路径情景下中国西北地区未来近100年（2015—2099年）的气候变化与干旱状况，研究表明，在SSP126、SSP245和SSP585情景下，中国西北地区的降水表现为增加趋势。然而，PDSI显示，在SSP245和SSP585情景下西北区域均有变干倾向，特别是在21世纪后期。从空间分布格局上看，未来新疆和宁夏较其他省份地区将面临更为严重的干旱。

气候变化背景下，受温度升高的影响，固体水资源发生了剧烈变化。冰川、冻土、积雪大多呈现消融状态，积雪响应最快^［64~68］；冰川退缩最为严重^［69~71］。青藏高原冰川和雪线大多位于5 000 m高度附近，剧烈变化的冰川和积雪与大气相互作用显著。未来气候变化情景下，如果气温升高2.0~4.0 °C，唐古拉山冰川将消失45%~64%^［69~71］，多年冻土面积将减少39%~81%^［72~74］，积雪雪深会减少25%~50%^［66］，如果温度继续升高，大多数固态水资源将消融殆尽^［70］。

需要注意的是，目前的干湿变化预估研究大多基于全球气候模式比较计划（CMIP5或CMIP6）的模拟结果，而全球气候模式的水平分辨率大多为2°~4°，不足以准确描述陆地表面土壤、植被的复杂分布规律^{［56，75，76］}，尤其在青藏高原，冰冻圈的广泛存在加剧了圈层相互作用的复杂程度，使得全球气候模式对降水、蒸散发等水循环要素模拟还存在很大的不确定性^{［77，78］}，比如，全球气候模式在青藏高原存在显著的冷湿偏差^{［76，77］}。

基于区域气候模式的动力降尺度研究，可以更准确地描述地表特征分布，使用更适合中小尺度过程的物理参数化方案，从而有效减小全球气候模式在青藏高原模拟的冷湿偏差，更准确模拟随海拔分布的变暖特征和干湿变化的空间分布特征^{［44，75，76，79］}；冰雪过程模拟性能的提高有效地改进了水循环过程的模拟^［77］；基于动力降尺度模拟的干湿变化（P-E）预估结果弱于全球气候模式预估结果^{［43，80，81］}。诸多研究表明，未来气候变化情景下极端降水事件显著增加，洪涝灾害相对增多^{［82，83］}。最近的研究发现，有效处理湖泊过程，开展对流域尺度模拟可以进一步提高高海拔地区气候的模拟性能^{［84，85］}。鉴于计算资源限制，超高分辨率动力降尺度研究还未大规模开展。因此，有针对性地改进陆面过程模式，开展超高分辨率的动力降尺度研究，是准确预估干湿变化的有效途径，有望为中国大陆，尤其是干湿过渡区的生态安全提供科技支撑。

400 mm等降水量线是极具地理意义的半干旱区和半湿润区的干湿界线。除400 mm等降水量线外，干燥度指数0.5线、PDSI 0线也常被用于半干旱区和半湿润区区划研究，统称为干湿界线。

中国400 mm等降水量线和干旱指数定义的干湿界线位置基本一致，总体呈现东北—西南走向，它们的差异具有鲜明的分段特征：位于东北平原和华北平原的东段、黄土高原的中段和位于青藏高原的西段。不同干湿界线在中段和东段分布基本一致，而在西段存在较大的数据差异。同时，所有干湿界线的年际和年代际变化也呈现鲜明的分段特征，中段变化最小，东段年代际尺度波动剧烈，西段近60年来稳步西移北抬。

未来排放情景下，中国400 mm等降水量线以西移和北抬为主，其中，东段和西段西移明显，中段略有东扩。而干旱指标预估中国干湿过渡带呈现干旱化趋势凸显了温度变化对地表蒸散发的影响。随着温度的升高，绝大多数全球气候模式预估21世纪末青藏高原固态水资源将大量消失。需要引起注意的是，降水量和降水概率密度分布的改变，更容易引发洪涝和滑坡等灾害的发生。西北地区乃至全国气候以及地表环境的脆弱性将急剧增加。

纵观干湿变化研究发现，使用400 mm等降水量线与使用干旱指数干湿变化的研究结果存在较大差异。早期研究受制于资料的可获取性和研究手段的不完善，仅将年平均降水量作为判断标准，干湿变化研究结果受降水观测数量和质量的限制；之后，随着高频数据的增多，极端降水/干旱事件频率对干湿变化的影响也纳入研究范畴；同时，随着观测站点及观测要素的增多，以及计算能力的提升，更多干旱指数被引入干旱研究。众多干旱指数的提出和更多的观测资料，尤其是高频数据的使用逐步完善和丰富了干湿变化研究，与此同时，也带来很大的不确定性。

（1）除等降水量线外，干旱指数的计算需要引入其他变量，更多变量的使用可能导致干旱指数计算结果存在较大差异。比如，干燥度指数和帕尔默干旱强度指数都需要使用潜在蒸散发表征水分支出，然而，潜在蒸散发受计算方法和数据的影响较大。诸多研究表明潜在蒸散发对温度变化异常敏感，因此干旱指数变化研究更强烈地体现出温度变化的影响。

（2）除了等降水量线、干燥度指数和PDSI指数外，还有少量研究使用其他指标用于干湿变化研究，例如，使用土壤湿度表征土壤干旱等。土壤湿度和实际蒸散发一样，尽管可以通过观测获得，但是由于观测资料的匮乏和数据的质量问题，目前，很多干旱研究多使用陆面或水文模拟获得，而模拟结果的变化趋势对驱动数据和模式性能的依赖性很强，对结果会有极大的影响。

（3）基于观测的干旱指数研究中将温度和降水量作为独立变量分别使用，认为温度的升高减小了降水增加对地表水分的补给作用，进而加剧干旱化程度。然而，降水和气温是地球系统的有机组成部分，温度变化不仅可以通过热力学过程影响蒸散发（直接影响），也可以通过大气环流的调整影响降水（间接影响）。对二者使用不同的数据源或计算方法的分析，即割裂二者之间的相互影响，对干湿变化结果有重要影响。

（4）全球气候模式预估结果存在很大的不确定性，模式间差异明显。模式的不确定性是很重要的不确定性来源，为了避免单一模式误差，集合平均方法常被采用，集合平均结果往往受到模拟性能较差结果影响。降水数据如此，地表其他要素的预估更是如此。研究过程中首先需要对现阶段模拟结果进行全面客观地评估，进而甄别使用预估结果。

加强中国西部地区降水观测；深入认识陆地表层生态系统过程，完善陆面过程模式中复杂下垫面条件水热交换过程，改进地表实际蒸散发的模拟性能；构建适合中国东、西部特色的地球系统模式，提高中国区域气候模拟性能，开展有效的区域气候动力降尺度研究，获得协同变化的高时空分辨率的多要素气候变化数据；使用表征地表实际水分收支的干旱指数，是进一步提升中国干湿变化研究的有效途径。