2022年7月以来，长江流域正在遭遇1961年以来最严重的气象干旱，全流域持续高温少雨，上游来水少，水位显著偏低，人类生活、农业生产、畜牧业用水等受到严重影响。事实上，近年来长江流域极端干旱事件频繁来袭，其背后的原因是什么？如何评估最近的极端干旱事件以及人类活动引起的增温在其中的贡献？要回答这些问题，需要将最近的水文异常放在长时间尺度的背景下进行探讨。
然而，由于当前器测记录较短（水文观测大多始于1950年代）以及工业革命以来人类活动对气候的影响，无法获取极端水文事件的长时间变化序列。因此，我们需要找到一种具有高分辨率、定年准确、且可以从机制上准确记录区域水文变化的代用记录。
树木年轮中的氧同位素（δ18O）是研究极端水文气候事件的绝佳材料。树木每年生长一轮，可以达到年分辨率。树木生长通过光合作用将二氧化碳和水（H2O）合成有机物，树轮中的氧同位素组成仅由植物吸收的H2O同位素组成决定。
树轮δ18O主要受两个因素影响（图1）：其一，树木组成成分中的δ18O信号大部分来自于土壤，而土壤水大部分源自于降水，因而树轮中的δ18O保留了降水δ18O的信号。其二，降水δ18O信号被固定在树木的过程中，会受到区域蒸发的作用产生同位素分馏。蒸发和降水δ18O均与夏季（树木生长季）气候密切相关，而河流径流的变化也主要受夏季温度和降水的影响。在高温少雨的极端干旱年份，河流径流量偏低；对于树轮来说，高温少雨导致蒸发增强，树轮δ18O值会偏高。因此，树轮δ18O可以用于河流夏季径流量变化的重建，进而获取流域极端干旱或洪涝事件的变化序列。
图1 气候要素（温度和降水）控制树轮氧同位素分馏和河流径流量概念示意图
最近，中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境院重点实验室安文玲等，联合中国气象局成都高原气象研究所的研究人员，在长江上游地区采集树木年轮样品（图2），利用树轮氧同位素数据，重建了公元1260-2017年长江上游径流量变化，以及极端干旱和洪涝事件的演化特征，并对未来长江上游极端水文事件的未来趋势提出重要建议。
图2 研究区域地理位置（BY 为树轮样品采集点）
重建结果显示，长江上游夏季径流量自1850年以来呈显著下降趋势，径流量偏低的两个时段为1650-1740年和1920-2017年（图3）。根据水文学极端水文事件的定义（极端洪涝事件：径流量>平均值 1个标准差；极端干旱事件：径流量<平均值-1个标准差），发现过去700多年来，长江上游一共有72个极端洪涝事件，107个极端干旱事件。通过分析极端干旱和洪涝事件在四个时段（重建期、1850年之前、1850年之后和器测时段）的重现期，发现洪涝事件的重现期相对稳定，但极端干旱事件的重新期自1850年之后显著缩短。其中，器测时段（1951至2017年），每2.4年就会出现一次极端干旱事件，而在整个重建期（700多年来），则是每6.3年出现一次（图4a）。
图3 过去700多年来（公元1260-2017年）长江上游夏季径流量变化历史。径流量超过蓝色虚线的年份代表发生了极端洪涝事件，径流量低于橙黄色虚线的年份代表发生了极端干旱事件
图4 长江上游极端干旱（a）和洪涝事件（b）重现期分析
研究团队进一步以30年为窗口，建立极端干旱和洪涝事件发生的时间变化序列（图5a，b）。结果显示，过去700多年来，1650-1740年和1920-2017年是极端干旱事件发生最多的时期。而1970年来极端干旱事件增加的趋势尤为显著，1970-2017年发生的极端干旱事件达到18个，占所有极端干旱事件总数的六分之一，达到有史以来的最高水平（图5a）。
近50年极端干旱事件增多的原因是什么呢？在年际到年代际尺度上，河流径流量的变化主要受温度和降水量影响。温度升高造成蒸发增强，降水量减少造成河流补给减少，均会导致河流径流量减少，极端干旱事件增多。1850年工业革命以来，人类活动向大气排放大量温室气体，导致全球变暖。全球变暖背景下，我国绝大部分区域都出现了不同程度的增温。长江上游大部分区域位于青藏高原东南部，这一区域的夏季温度1920年以来呈显著的增温趋势（图5c），持续的增温会引起区域蒸发增强，从而导致河流径流量减少。另一方面，长江上游区域降水量主要受南亚夏季风带来的印度洋水汽量影响。而在全球增温背景下，海洋增温趋势增强，海陆温差减小，南亚夏季风随之减弱（图5d），导致水汽输送减少，降水量减少，从而造成极端干旱事件增多。
图5 长江上游极端干旱（a）和洪涝事件个数（b）变化序列及其与青藏高原东南部温度（c）、南亚夏季风（d）的关系。P95和P05分别代表序列的第95个百分位和第5个百分位值
上述结果揭示了最近50年来，区域增温和南亚夏季风减弱导致长江上游地区极端干旱事件频发。根据最近的模型结果预测，全球增温背景下，南亚夏季风的变率增强、区域蒸发也会有所增强，未来这一区域可能面临更多的极端水文事件。
相关研究成果以 Hydrological extremes in the upper Yangtze River over the past 700 yr inferred from a tree ringδ18O record 发表在《地球物理学研究杂志》（Journal of Geophysical Research）上。研究工作受到国家自然科学基金（41772173, 41888101, 42022059, 41630529, 41877457）等多个项目资助。
来源：中国科学院地质与地球物理研究所
