2022年7月以來，長江流域正在遭遇1961年以來最嚴重的氣象幹旱，全流域持續高溫少雨，上遊來水少，水位顯著偏低，人類生活、農業生産、畜牧業用水等受到嚴重影響。事實上，近年來長江流域極端幹旱事件頻繁來襲，其背後的原因是什麼？如何評估最近的極端幹旱事件以及人類活動引起的增溫在其中的貢獻？要回答這些問題，需要将最近的水文異常放在長時間尺度的背景下進行探讨。

然而，由于當前器測記錄較短（水文觀測大多始于1950年代）以及工業革命以來人類活動對氣候的影響，無法獲取極端水文事件的長時間變化序列。因此，我們需要找到一種具有高分辨率、定年準确、且可以從機制上準确記錄區域水文變化的代用記錄。

樹木年輪中的氧同位素（δ¹⁸O）是研究極端水文氣候事件的絕佳材料。樹木每年生長一輪，可以達到年分辨率。樹木生長通過光合作用将二氧化碳和水（H₂O）合成有機物，樹輪中的氧同位素組成僅由植物吸收的H₂O同位素組成決定。

樹輪δ¹⁸O主要受兩個因素影響（圖1）：其一，樹木組成成分中的δ¹⁸O信号大部分來自于土壤，而土壤水大部分源自于降水，因而樹輪中的δ¹⁸O保留了降水δ¹⁸O的信号。其二，降水δ¹⁸O信号被固定在樹木的過程中，會受到區域蒸發的作用産生同位素分餾。蒸發和降水δ¹⁸O均與夏季（樹木生長季）氣候密切相關，而河流徑流的變化也主要受夏季溫度和降水的影響。在高溫少雨的極端幹旱年份，河流徑流量偏低；對于樹輪來說，高溫少雨導緻蒸發增強，樹輪δ¹⁸O值會偏高。因此，樹輪δ¹⁸O可以用于河流夏季徑流量變化的重建，進而獲取流域極端幹旱或洪澇事件的變化序列。

圖1 氣候要素（溫度和降水）控制樹輪氧同位素分餾和河流徑流量概念示意圖

最近，中國科學院地質與地球物理研究所新生代地質與環境院重點實驗室安文玲等，聯合中國氣象局成都高原氣象研究所的研究人員，在長江上遊地區采集樹木年輪樣品（圖2），利用樹輪氧同位素數據，重建了公元1260-2017年長江上遊徑流量變化，以及極端幹旱和洪澇事件的演化特征，并對未來長江上遊極端水文事件的未來趨勢提出重要建議。

圖2 研究區域地理位置（BY 為樹輪樣品采集點）

重建結果顯示，長江上遊夏季徑流量自1850年以來呈顯著下降趨勢，徑流量偏低的兩個時段為1650-1740年和1920-2017年（圖3）。根據水文學極端水文事件的定義（極端洪澇事件：徑流量>平均值 1個标準差；極端幹旱事件：徑流量<平均值-1個标準差），發現過去700多年來，長江上遊一共有72個極端洪澇事件，107個極端幹旱事件。通過分析極端幹旱和洪澇事件在四個時段（重建期、1850年之前、1850年之後和器測時段）的重現期，發現洪澇事件的重現期相對穩定，但極端幹旱事件的重新期自1850年之後顯著縮短。其中，器測時段（1951至2017年），每2.4年就會出現一次極端幹旱事件，而在整個重建期（700多年來），則是每6.3年出現一次（圖4a）。

圖3 過去700多年來（公元1260-2017年）長江上遊夏季徑流量變化曆史。徑流量超過藍色虛線的年份代表發生了極端洪澇事件，徑流量低于橙黃色虛線的年份代表發生了極端幹旱事件

圖4 長江上遊極端幹旱（a）和洪澇事件（b）重現期分析

研究團隊進一步以30年為窗口，建立極端幹旱和洪澇事件發生的時間變化序列（圖5a，b）。結果顯示，過去700多年來，1650-1740年和1920-2017年是極端幹旱事件發生最多的時期。而1970年來極端幹旱事件增加的趨勢尤為顯著，1970-2017年發生的極端幹旱事件達到18個，占所有極端幹旱事件總數的六分之一，達到有史以來的最高水平（圖5a）。

近50年極端幹旱事件增多的原因是什麼呢？在年際到年代際尺度上，河流徑流量的變化主要受溫度和降水量影響。溫度升高造成蒸發增強，降水量減少造成河流補給減少，均會導緻河流徑流量減少，極端幹旱事件增多。1850年工業革命以來，人類活動向大氣排放大量溫室氣體，導緻全球變暖。全球變暖背景下，我國絕大部分區域都出現了不同程度的增溫。長江上遊大部分區域位于青藏高原東南部，這一區域的夏季溫度1920年以來呈顯著的增溫趨勢（圖5c），持續的增溫會引起區域蒸發增強，從而導緻河流徑流量減少。另一方面，長江上遊區域降水量主要受南亞夏季風帶來的印度洋水汽量影響。而在全球增溫背景下，海洋增溫趨勢增強，海陸溫差減小，南亞夏季風随之減弱（圖5d），導緻水汽輸送減少，降水量減少，從而造成極端幹旱事件增多。

圖5 長江上遊極端幹旱（a）和洪澇事件個數（b）變化序列及其與青藏高原東南部溫度（c）、南亞夏季風（d）的關系。P95和P05分别代表序列的第95個百分位和第5個百分位值

上述結果揭示了最近50年來，區域增溫和南亞夏季風減弱導緻長江上遊地區極端幹旱事件頻發。根據最近的模型結果預測，全球增溫背景下，南亞夏季風的變率增強、區域蒸發也會有所增強，未來這一區域可能面臨更多的極端水文事件。

相關研究成果以 Hydrological extremes in the upper Yangtze River over the past 700 yr inferred from a tree ringδ¹⁸O record 發表在《地球物理學研究雜志》（Journal of Geophysical Research）上。研究工作受到國家自然科學基金（41772173, 41888101, 42022059, 41630529, 41877457）等多個項目資助。

來源：中國科學院地質與地球物理研究所

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