国际河流与生态安全研究院陈峰课题组揭示中国南水北调中线水源地汉江过去四个世纪径流变化

近日，云南大学国际河流与生态安全研究院陈峰研究员团队在国际知名学术期刊npj Climate and Atmospheric Science发表研究论文“Role of Pacific Ocean climate in regulating runoff in the source areas of water transfer projects on the Pacific Rim”（https://doi.org/10.1038/s41612-024-00706-1），重建了过去四个多世纪以来中国南水北调中线工程水源地——汉江径流变化，揭示了太平洋气候主导下的环太平洋水利工程源区复合干旱事件驱动机制。

为解决水资源分布与区域经济发展之间的不平衡问题，环太平洋地区开发了许多调水项目，突出的例子包括中国的南水北调工程和加利福尼亚州的调水工程。伴随全球变暖的加剧，环太平洋水利工程源区的干旱频率明显增加，对重要城市群的水安全产生了不利影响。长江及汉江作为我国南水北调中线工程的主要水源，在气候变化作用下干旱导致的不确定性对于工程运行稳定性提出新要求，例如2022年6月的长江流域极端干旱。与此同时，北美洲和南美洲的西海岸干旱频率同样增加。环太平洋水利工程水源地的径流持续减少，加速了区域到大规模的森林退化，并持续破坏了水生生态系统，受影响的地区包括环太平洋一些世界上最重要的灌溉农业和工业区，严重影响了全球供应链。因此，亟需加强环太平洋地区水文气候代用数据和历史资料的研究，以期同步描绘主要水利工程水源地复合干旱事件及其潜在驱动机制，为增强对极端气候事件带来的水资源不确定性的科学理解和规划未来的干旱适应性策略提供数据支撑。

研究团队聚焦上述问题，通过大量野外采集和实验室分析工作提供了公元1580年以来汉江长期径流变化的树木年轮证据，结合美国西南部和智利中部的代用资料，并利用水文气候同化及模拟数据确定影响环太平洋复合干旱事件的驱动机制。研究结果表明，过去四个多世纪汉江流域干旱频发，并与历史文献记录的干旱事件及长江下游径流变化相吻合，对于南水北调中线工程运行稳定性和长三角经济圈发展存在显著影响（图1-2）。基于南北美水文代用资料及古水文气候同化数据（PHYDA）的研究表明，ENSO经向动态变化影响了环太平洋复合干旱事件包括反向以及协同干旱的发生。通常认为，汉江干旱往往与厄尔尼诺现象有关，南北美则与拉尼娜现象有关。然而，当厄尔尼诺现象发生在中西太平洋而东太平洋偏冷时，协同干旱风险同样存在（图3）。通用地球系统模式上千年集合（CESM-LME）结果同样支持这一点，当厄尔尼诺现象发生时，异常高的海温导致热带太平洋东-西向海平面气压梯度减弱，太平洋沃克环流减弱，进而导致东亚夏季风减弱，输送向中国东部北方的水汽明显较少，最终导致南水北调中线水源地汉江流域的干旱发生。此时，东太平洋偏冷的海温异常导致海陆热力差异减弱，与汉江同步呈现大陆向海洋的水汽输送异常，协同干旱出现。我们进一步探讨了未来气候情景下的环太平洋水利工程源区的径流变化预估情况，研究显示径流量存在持续下降的风险，中西厄尔尼诺型海温异常以及协同干旱风险上升（图4）。

包含汉江在内的环太平洋水利工程源区因其地理位置和水资源的战略意义，了解复合干旱尤其是协同干旱的发生规律对于区域供水和粮食生产尤其重要。在全球变暖影响下，环太平洋地区干旱频率和严重程度均有所增加，调水项目作为缓解中国和南北美洲水资源不平衡问题的重要途径，在现代水资源管理规划时必须考虑太平洋气候作用下的复合干旱事件驱动机制。这项研究提供了汉江历史径流变化的长期视角，并更新了环太平洋复合干旱事件驱动机制的综合视角，对地区社会经济发展和供水稳定具有重要意义。

云南大学为该文的第一作者单位，国际河流与生态安全研究院陈峰研究员为论文第一作者和通讯作者，其他参与者包括武汉大学、德国美因茨大学、英国剑桥大学、美国亚利桑那大学、瑞典哥德堡大学、中国科学院大气物理研究所和阿根廷国家科学与技术研究理事会的多位学者。该研究得到了国家自然科学基金委青藏高原地球系统基础科学中心(41988101)、国家自然科学基金（32061123008）等项目共同资助。

论文信息：Feng Chen, Shijie Wang, Qianjin Dong, Jan Esper, Ulf Büntgen, David Meko, Hans W. Linderholm, Tao Wang, Weipeng Yue, Xiaoen Zhao, Martín Hadad, Álvaro González-Reyes, Fahu Chen. (2024). Role of Pacific Ocean climate in regulating runoff in the source areas of water transfer projects on the Pacific Rim. npj Climate and Atmospheric Science. (https://doi.org/10.1038/s41612-024-00706-1)。

图1 径流重建的时空特征。a：树轮采样单和水文站点位置图。b：本研究与美国西南部和智利中部的重建结果分别对应于亚洲、北美和南美网格化上年8至当年7 月PDSI的空间相关模式（1955-2014年）。c：重建的公元1580-2022年汉江径流量，以及11年低通滤波。插图显示了观测期间上年8月实际径流与估算径流的对比。此外，还显示了CMIP6 SSP2-4.5和SSP5-8.5多模式在 "历史"（公元1902-2014 年）和"未来"（公元2015-2100年）期间的模拟径流变化。

图2 历史记录的干旱和洪水事件期间的径流特征。a：公元1580-1955年57次历史洪水、b：公元1580-1955年54次历史干旱、c：公元1955-2014年13次观测干旱和d：公元1955-2014年14次观测洪水的汉江径流重建的叠加历时分析（SEA）结果。虚线和点线分别表示99%和95%的显著性。e：基于树轮的汉江径流重建与长江径流观测数据。

图3 环太平洋水文气候变化与太平洋气候之间的关系。a：PHYDA中所有年份的 SST 和 PDSI 的合成异常，对应于中国汉江的干旱状况以及美国西南部和智利中部的湿润状况。b：PHYDA中与中国汉江、美国西南部和智利中部共同干旱相对应SST和PDSI的合成异常。PDSI和SST数据为1580-2000年期间的异常值。c：CESM-LME中与中等ENSO经向指数（ELI）条件相应年份的降水和850hPa水蒸汽输送异常的复合数据（矢量，其中uq和vq乘以1000）。降水和水汽数据是1580-2005年期间的异常数据。d：低ELI条件下的类似复合数据。

图4 CMIP6对中国汉江、美国西南部和智利中部水文气候变化的未来预估。a：汉江流域径流重建、观测和CMIP6预估的核密度分布图。b：在SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，2023-2100年期间汉江流域（HJRB）、美国西南部（SWUS）和智利中部（CC）的未来径流变化。垂直虚线代表各自的平均值。c：在重建、CESM-LME和CMIP6未来情景下，汉江干旱条件下其他两个地区中至少有一个发生干旱的概率。d：c中涉及年份汉江流域、美国西南部和智利中部地区径流变化的盒须图。e：在重建、CESM-LME和CMIP6未来情景中，所有厄尔尼诺发生情况下的中低ELI概率。