原文：Huang J, Yu H, Guan X, et al. Accelerated dryland expansion under climate change[J]. Nature Climate Change, 2016, 6(2).
摘要
干旱地区孕育着全球38%的人口，同时也是对气候变化和人类活动最敏感的地区之一。预测干旱地区的面积变化对于尽早采取行动阻止全球荒漠化的蔓延是十分必要的。然而，对于近58年（1948~2005年）来说，干旱区扩张在CMIP5（5th Coupled Model Intercomparison Project， 第五次耦合模式比较计划）模拟中被低估。在本研究中，使用历史资料订正CMIP5的预测结果，我们发现干旱区扩张速率将加速，并在本世纪末将导致干旱区将会覆盖全球面积的一半以上。在RCP8.5和RCP4.5的碳排放情形下，相比于1961~1990年，干旱区的面积将分别增长23%和11%，达到全球陆地面积的56%和50%。这样的干旱扩张将会减少碳固存和地区加强升温，导致目前的干旱区的增温速度是湿润区的两倍。在RCP8.5的碳排放情形下，加剧的干旱、加强升温以及快速增长的人口将会在不久的将来增加发展中国家土地退化和荒漠化的风险，78%的干旱区扩张以及50%的人口增长均发生在发展中国家。
主要内容
研究背景
干旱区是指降水（precipitation）被地表蒸发（evaporation）和植物蒸腾（transpiration）作用所抵消的地区。干旱区的土壤相对来说不太肥沃，且地表植被稀疏，干旱区的生态系大体上非常脆弱。受到全球变暖、经济快速发展、人口增长以及城市化的影响，荒漠化和土地退化在干旱区非常普遍。也有研究表明水文气候强度（hydroclimatic intensity）的增加将会成为21世纪升温的主要标志，这将导致更低频次的、更小范围的降水事件以及干旱事件持续时间的延长。
水文气候强度：全球水循环的强度，研究表明全球变暖会加快全球水循环，从而增加极端干旱和极端降水事件发生的强度。水文气候强度指数（HY-INT）定义为降水强度（precipitation intensity, PINT）和干旱事件持续时间（dry spell length, DSL）的乘积。
这种趋势可能会引起干旱区的扩张，并进一步增加受水资源匮乏和土地退化影响的人口分数。了解气候变化将如何影响未来的干旱区面积扩张对于保护和适应战略至关重要。CMIP5根据不同的排放情形产生了一些预测结果，并为将干旱区保持为可再生资源提供了关键的参考。本研究证实了CMIP5的模拟结果，并使用历史观测资料订正模式输出的结果，为未来干旱区时空演变提供了一个清晰的认识。我们的研究结果可能促使决策者及早做出反应来有效的缓解即将到来的全球荒漠化。
一个地区的干旱程度通常用干旱指数（aridity index, AI）来衡量。干旱区定义为AI<0.65的地区，进一步可以分为以下几类。
| 干旱指数 | 分类 |
|---|---|
| AI<0.05 | 极度干旱（hyper-arid） |
| 0.05≤AI<0.2 | 干旱（arid） |
| 0.2≤AI<0.5 | 半干旱（semiarid） |
| 0.5≤AI<0.65 | 干旱半湿润（dry subhumid） |
干旱指数：年降水量与年潜在蒸散（potential evapotranspiration, PET）的比值。
资料和方法
我们使用的观测资料来源于CPC（Climate Prediction Center），模拟数据来自CMIP5中的二十多个全球气候模式。由于CMIP5模式的集合平均（CMIP5-EM）可以滤除模式间变率的不确定分量，且能最好地代表对施加的外部强迫的相应，相比于CMIP5单个模型的成员，它能做出更好的预测。因此在我们的研究中使用它（CMIP5-EM）的模拟结果来反映干旱区的变化。
结果
为了保证未来（2006-2100年）预测的可靠性，评估CMIP5-EM对干旱区变化的历史（1948-2005年）模拟结果是至关重要的。图1、表1比较了全球AI的历史观测值和CMIP5-EM这58年的模拟结果。从表中可以看出，模式结果明显低估了干旱区的扩张速度和程度。
由于观测发现的变化是由自然变率和外部强迫共同作用的，上述的不一致性可能是由于自然变率、模型配置的不确定性以及模型外部变率的不确定性引起的。因此仅仅使用CMIP5-EM模式本身是不足以预测未来干旱区的变化，且订正是十分必要的。通过建立历史资料和模式结果的映射关系，我们对CMIP5-EM模式进行了订正。后验独立验证表明，订正后的干旱区变化的模拟与观测结果更一致。这说明从历史资料建立的这种关系也可以运用到预测中去，订正CMIP5-EM的预测对于评估全球干旱强度和空间变化是十分有用的。
从图 2 中可以看出，历史中的干旱扩张被CMIP5-EM模拟严重的低估了。订正后的CMIP5-EM减少了这种低估和空间变化，以至模拟和观测相当。值得注意的是，最大的扩张发生在半干旱地区，在RCP8.5和RCP4.5的情形下，都能解释接近一半的干旱区面积扩张，并且占到了干旱区总面积的三分之一。
第一个三十年的扩张并不明显，随后扩张逐渐变得显著，在本世纪末主宰了全球陆地。
- 干旱区变化并没有遵循“干的更干、湿的更湿”的变化模式；
- 78%的干旱扩张发生在发展中国家，且变湿的面积比变干的面积少很多，且在发展中国家和发达国家的分布相等；
上述结果说明：发展中国家的生存环境将会变得更加脆弱。
机制
预计干旱扩张和增暖将会持续，因此这两个因子（干旱和全球变暖）可能通过气候和动力机制联系在一起。全球变暖引饱和水气压差（vapor pressure defict, VDP）和蒸发能力（evaporative demand）增加，土壤湿度减少，从而引起敢惹通量增加、潜热通量减少，这可能会进一步恶化干旱扩张，甚至对极端温度有更大的影响。
饱和水气压差：某一给定温度时的饱和水汽压和实际水汽压的差值，是反映空气湿度的一个参量。温度升高时，大气中能容纳更多的水汽，使得VDP增大。（类似于温度露点差）
蒸发能力：在供水充分的条件下，单位时间从单位蒸发面面积逸散到大气中的水分子与从空气返回到政法面的水分子数之差（当为正值时）称为蒸发能力，又称蒸发潜力、蒸发力或可能蒸发。当VDP增加时，植物需要从根部吸收更多的水分用来蒸发，使得蒸发量变大，土壤变干。
从图 4 可以看出，全球增温最显著的地方发生在干旱区，增速分别是湿润区的2.1倍和全球平均的1.5倍。此外，土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）储备随温度升高而降低，随土壤含水量增加而增加。水土流失引起的土地破坏也可能造成碳排放。因此，在全球变暖的背景下，干旱区的扩张将会减少SOC储备，并将二氧化碳排入大气。与此同时，土地破坏和减少的土壤湿度严重限制了总初级生产量（gross primary production, GPP），也影响了植物吸收二氧化碳的并储存的光合作用率。图 4b中，GPP和AI呈正相关，湿润区的GPP是干旱区的5倍左右。通过这两个过程，干旱区的土壤储存更少的碳，并将更多的二氧化碳排入大气，加剧全球变暖。这些过程导致了一个正反馈的循环，干旱扩张和全球变暖两者相互加强。不幸的是，CMIP5并不能在没有很大不确定度的情况下重现这种过程，因为在部分CMPI5模式中不包含全球碳循环的过程。
初级生产量：通过光合作用过程，利用光作为能量来源；也可以通过化能合成作用，使用化合物的氧化或还原作为能量来源。这是生态系统中最基本的能量固定，所以具有奠基石的作用。在初级生产中，有一部分是北植物自己呼吸作用消耗了，只有剩下的部分才能用于植物的生长和繁殖，这部分就是“净初级生产量”（NPP），包括呼吸消耗在内的全部生产称为“总初级生产量”（GPP）。
结论
- 干旱区将继续扩张，且大部分的扩张将会发生在发展中国家。和发达国家相比，发展中国家的干旱区对于气候、环境和人类活动引起的扰动更加敏感。
- 干旱区的增温速率是湿润区的两倍。增加同样的温度对于居住在干旱区的平穷和脆弱的人口来说有更大的影响，导致贫困增加，土地和生态环境的破坏，水土流失以及更进一步的荒漠化。
- 到2025年，干旱区将会占据全球51%的陆地面积，并承受着全球51%的人口增长。其中的50%将发生在发展中国家，而只有1%发生在发达国家。发展中国家任何干旱子类地区的人口增长率都比湿润地区的高。人口增加将会需要更多的农业生产，这能很快的引起敏感的干旱区的土地破坏。