Climate Dynamics manuscript No.(wil

Climate Dynamics manuscript No.
(will be inserted by the editor)
Global Warming and Drought in the 21st Century
Benjamin I Cook · Jason E Smerdon ·
Richard Seager · Sloan Coats
Received: date / Accepted: date
Abstract Global warming is expected to increase the frequency and intensity of
droughts in the 21st century, but the relative contributions from changes in moisture
supply (precipitation) versus evaporative demand (potential evapotranspiration;
PET) have not been comprehensively assessed. Using output from a suite of
general circulation model (GCM) simulations from version 5 of the state-of-the-art
Coupled Model Intercomparison Project (CMIP5), projected 21st-century drought
trends are investigated using an offline calculated index of soil moisture balance
(the Penman-Montieth based Palmer Drought Severity Index; PDSI). The PDSI
calculations are used to quantify the respective contributions of precipitation and
PET to projected drought trends. PDSI projections incorporating both precipitation
and PET changes from the GCMs vary regionally, with robust cross-model
drying in western North America, Central America, the Mediterranean, southern
Africa, and the Amazon and robust wetting occurring in the Northern Hemisphere
high latitudes and east Africa. These regional changes largely reflect the spatially
heterogeneous response of precipitation in the models, although drying in the
PDSI fields extends beyond the regions of reduced precipitation. This expansion
of drought areas is attributed to globally widespread increases in PET, caused by
increases in surface net radiation and the vapor pressure deficit. Increased PET
not only intensifies drying in areas where precipitation is already reduced, it also
drives areas into drought that would otherwise experience little drying or even
wetting from precipitation trends alone. This PET amplification effect is largest
Benjamin I Cook
NASA Goddard Institute for Space Studies
2880 Broadway, New York, NY 10025
Tel.: [phone]
E-mail: [e-mail]
Jason E Smerdon
Lamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10964
Richard Seager
Lamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10964
Sloan Coats
Lamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10964
2 Benjamin I Cook et al.
in the Northern Hemisphere mid-latitudes, and is especially pronounced in western
North America, Europe, and southeast China. Compared to PDSI projections
accounting for changes in precipitation only, the additional effect of increased PET
expands the percentage of global land area projected to experience significant drying
(PDSI≤ −1) by the end of the 21st-century from 23% to 43%. This integrated
accounting of both the supply and demand sides of the surface moisture balance
is therefore critical for characterizing the full range of projected drought risks tied
to increasing greenhouse gases and associated warming of the climate system.
1 Introduction
Extreme climate and weather events have caused significant disruptions to modern
and past societies (Coumou and Rahmstorf, 2012; Ross and Lott, 2003; Lubchenco
and Karl, 2012), and there is concern that anthropogenic climate change will increase
the occurrence, magnitude, or impact of these events in the future (e.g.,
Meehl et al, 2000; Rahmstorf and Coumou, 2011). Drought is one such extreme
phenomenon, and is of particular interest because of it’s often long-term impacts
on critical water resources, agricultural production, and economic activity (e.g.,
Li et al, 2011; Ding et al, 2011; Ross and Lott, 2003). Focus on drought vulnerabilities
has been intensified due to a series of recent and severe droughts in
regions as diverse as the United States (Hoerling et al, 2012a, 2013; Karl et al,
2012), east Africa (Lyon and DeWitt, 2012), Australia (McGrath et al, 2012), and
the Sahel (Giannini et al, 2003). Recent work further suggests that global aridity
has increased in step with observed warming trends, and that this drying will
worsen for many regions as global temperatures continue to rise with increasing
anthropogenic greenhouse gas emissions (Burke et al, 2006; Dai, 2013; Sheffield
and Wood, 2008).
There are significant uncertainties, however, in recent and projected future
drought trends, especially regarding the extent to which these trends will be forced
by changes in precipitation versus evaporative demand (also known as potential
evapotranspiration; PET) (Hoerling et al, 2012b; Sheffield et al, 2012). Drought is
generally defined as a deficit in soil moisture (agricultural) or streamflow (hydrologic);
as such, it can be caused by declines in precipitation, increases in evapotranspiration,
or a combination of the two. In the global mean, both precipitation
and evapotranspiration are expected to increase with warming, a consequence of
an intensified hydrologic cycle in a warmer world (Allen and Ingram, 2002; Huntington,
2006). The characteristics of changes in precipitation and PET trends at
the regional level, and the dynamics that drive such changes, are nevertheless more
uncertain, despite the fact that these changes are perhaps of greatest relevance to
on-the-ground stakeholders.
Precipitation projections in general circulation models (GCMs) have large uncertainties
compared to other model variables, such as temperature (e.g., Knutti
and Sedlacek, 2013). The most confident estimates indicate that precipitation will
increase in mesic areas (e.g., the wet tropics, the mid- to high latitudes of the
Northern Hemisphere, etc) and decrease in semi-arid regions (e.g., the subtropics).
This is generally referred to as the ‘rich-get-richer/poor-get-poorer’ mechanism,
and is caused by both thermodynamic (warming and moistening of the
atmosphere) and dynamic (circulation) processes (Chou et al, 2007, 2013; Held
GLOBAL WARMING AND DROUGHT 3
and Soden, 2006; Neelin et al, 2003; Seager et al, 2010).
Evapotranspiration includes both the physical (evaporation) and biological
(transpiration) fluxes of moisture from the surface to the atmosphere. Evapotranspiration
is expected to increase in the future due to increased evaporative demand
by the atmosphere, driven by increases in energy availability at the surface (surface
net radiation) and vapor pressure deficits (the difference between saturation
and actual vapor pressure; VPD). Increased radiative forcing from anthropogenic
greenhouse gases (GHG) is expected to increase surface net radiation in most areas
by inhibiting longwave cooling, while GHG-induced warming of the atmosphere
is expected to increase the VPD. Importantly, VPD increases with warming, even
at constant relative humidity (e.g., Anderson, 1936). Given the fact that the wellmixed
nature of GHGs will drive widespread patterns of global warming, shifts in
evaporative demand are likely to be more spatially homogenous and widespread
than precipitation changes.
The idea that increased evaporative demand in a warmer world will enhance
drought is not new (e.g., Dai, 2011), but it is important to understand where precipitation
or evaporation changes will be dominant individual drivers of drought
and where they will work in concert to intensify drought. To date, however, little
has been done to quantify and explicitly separate the relative contribution
of changes in precipitation versus evaporative demand to the magnitude and extent
of global warming-induced drought. To address this question, we use output
from a suite of 20th and 21st-century GCM simulations, available through the
Coupled Model Intercomparison Project version 5 (CMIP5, Taylor et al, 2012) to
calculate an offline index of soil moisture balance (the Penman-Monteith based
Palmer Drought Severity Index). This index provides an ideal and flexible estimation
of surface moisture conditions, allowing us to vary inputs such as model
precipitation, temperature, and surface energy availability, which in turn allows
us to separate and quantify the influence of specific variables on future drought
projections. Our analysis thus addresses three questions: 1) What are the relative
contributions of changes in precipitation and evaporative demand to global and
regional drying patterns?, 2) Where do the combined effects of changes in precipitation
and evaporative demand enhance drying?, 3) In which regions, if any, are
increases in evaporative demand sufficient to shift the climate towards drought
when precipitation changes would otherwise force wetter conditions?
2 Data and Methods
2.1 CMIP5 Model Output
We use GCM output available from the CMIP5 archive, the suite of model experiments
organized and contributed from various modeling centers in support
of the Fifth Assessment Report (AR5) of the Intergovernmental Panel on Climate
Change (IPCC). Output from the historical and RCP8.5 model scenarios is
used. The historical experiments are run for the years 1850–2005 and are forced
with observations of transient climate forcings over the last 150 years (e.g., solar
variability, land use change, GHG concentrations, etc). These experiments are
initialized in 1850 using output from long, unforced control runs with fixed preindustrial
climate forcings. The RCP8.5 scenario (2006–2099) is one of a suite of
4 Benjamin I Cook et al.
future GHG forcing scenarios; RCP8.5 is designed so that the top of the atmosphere
radiative imbalance will equal approximately +8.5 W m-2 by the end of
the 21st-century, relative to pre-industrial conditions. The RCP8.5 scenario runs
are initialized using the end of the historical runs. Our analysis is restricted to
those models (Table 1) with continuous ensemble members spanning the historical
through RCP8.5 time periods.
2.2 Penman-Monteith Palmer Drought Severity Index
Simulated soil moisture within the GCMs is not easily separated into contributions
from precipitation or PET, making it difficult to identify the extent to which soil
moisture trends in the models are driven by changes in supply and/or demand.
Moreover,

Kết quả (Việt) 1:

Khí hậu động lực bản thảo số(sẽ được chèn vào bởi các biên tập viên)Sự nóng lên toàn cầu và hạn hán ở thế kỷ 21Benjamin tôi nấu ăn · Jason E Smerdon ·Richard Seager · Áo khoác bành tô SloanNhận được: ngày / chấp nhận: ngàyTrừu tượng nóng lên toàn cầu dự kiến sẽ tăng tần số và cường độ củahạn hán ở thế kỷ 21, nhưng sự đóng góp tương đối của các thay đổi trong độ ẩmCác nguồn cung cấp (mưa) so với nhu cầu evaporative (tiềm năng evapotranspiration;PET) không có được đánh giá toàn diện. Sử dụng các đầu ra từ một bộlưu thông nói chung mô hình (GCM) mô phỏng từ phiên bản 5 của nhà nước-of-the-nghệ thuậtCùng mô hình Intercomparison dự án (CMIP5), dự kiến thế kỷ 21 hạn hánxu hướng đang điều tra bằng cách sử dụng một chỉ số tính diễn đàn của sự cân bằng độ ẩm của đất(Penman-Montieth dựa trên chỉ số mức độ nghiêm trọng của Palmer hạn hán; PDSI). PDSItính toán được sử dụng để định lượng sự đóng góp tương ứng của mưa vàVật nuôi với xu hướng khô hạn dự kiến. PDSI dự kết hợp cả hai mưavà PET thay đổi từ các GCMs thay đổi khu vực, với mạnh mẽ cross-người mẫusấy khô ở Tây Bắc Mỹ, Trung Mỹ, địa Trung Hải, phía namChâu Phi, và Amazon và mạnh mẽ ướt xảy ra ở Bắc bán cầuvĩ độ cao và Đông Phi. Những thay đổi khu vực chủ yếu là phản ánh các trong không gianCác phản ứng không đồng nhất của mưa trong các mô hình, mặc dù làm khô trong cácPDSI lĩnh vực mở rộng vượt ra ngoài vùng mưa giảm. Việc mở rộng nàytrong khu vực hạn hán là do tăng phổ biến rộng rãi trên toàn cầu trong PET, gây ra bởigia tăng bề mặt bức xạ ròng và áp suất hơi thiếu. Tăng PETkhông chỉ tăng cường sấy khô trong khu vực nơi mà mưa đã giảm xuống, nó cũngổ đĩa khu vực vào hạn hán sẽ kinh nghiệm nếu không chút sấy hoặc thậm chílàm ướt từ xu hướng mưa một mình. Hiệu ứng khuếch đại con vật CƯNG này là lớn nhấtBenjamin tôi nấu ănNASA Goddard Space Viện nghiên cứu2880 Broadway, New York, NY 10025Điện thoại: [phone]Thư điện tử: [e-mail] E SmerdonLamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10964Richard SeagerLamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10964Áo khoác bành tô SloanLamont-Doherty Earth Observatory, 61 Route 9W, Palisades, NY, 109642 Benjamin tôi Cook et al.trong các Bắc bán cầu giữa-vĩ độ, và đặc biệt là phát âm trong TâyBắc Mỹ, Châu Âu và đông nam Trung Quốc. So với dự báo PDSIkế toán cho những thay đổi trong mưa chỉ, có hiệu lực bổ sung tăng thú cưngmở rộng phần trăm dự kiến sẽ có kinh nghiệm làm khô đáng kể diện tích toàn cầu(PDSI≤ −1) vào cuối tháng 21 thế kỷ từ 23% đến 43%. Điều này tích hợpkế toán của cả hai bên cung cấp và nhu cầu của sự cân bằng độ ẩm bề mặtdo đó rất quan trọng cho characterizing đầy đủ các rủi ro dự kiến khô hạn ràng buộcđể gia tăng khí nhà kính và liên quan đến sự nóng lên của hệ thống khí hậu.1 giới thiệuCực sự kiện khí hậu và thời tiết đã gây ra sự gián đoạn quan trọng để hiện đạivà xã hội trong quá khứ (Coumou và Rahmstorf, năm 2012; Ross và Lott, 2003; Lubchencovà Karl, 2012), và có mối quan tâm anthropogenic khí hậu sẽ làm tăngsự xuất hiện, tầm quan trọng hoặc tác động của những sự kiện trong tương lai (ví dụ:Meehl et al, năm 2000; Rahmstorf và Coumou, năm 2011). Hạn hán là một cực như vậyhiện tượng, và quan tâm đặc biệt vì tác động lâu dài thườngngày quan trọng nước tài nguyên, sản xuất nông nghiệp và hoạt động kinh tế (ví dụ:Li et al, năm 2011; Đinh et al, năm 2011; Ross và Lott, 2003). Tập trung vào lỗ hổng hạn hánđã được tăng cường do một loạt các hạn hán tại và nghiêm trọng trongkhu vực khác nhau như Hoa Kỳ (Hoerling et al, 2012a, 2013; Karl et al,2012), Đông Phi (Lyon và DeWitt, 2012), Úc (McGrath et al, 2012), vàSahel (Giannini và ctv., 2003). Tại công việc hơn nữa cho thấy rằng khô cằn toàn cầuđã tăng lên trong bước với quan sát thấy xu hướng nóng lên, và rằng sấy này sẽlàm trầm trọng thêm cho nhiều khu vực như nhiệt độ toàn cầu tiếp tục tăng với sự gia tănglượng phát thải khí nhà kính anthropogenic (Burke et al, 2006; Dai, 2013; Sheffieldvà gỗ, 2008).Có những sự không chắc chắn đáng kể, Tuy nhiên, trong tương lai gần đây và dự kiếnxu hướng khô hạn, đặc biệt là liên quan đến mức độ mà những xu hướng này sẽ bị buộcbởi những thay đổi trong mưa so với evaporative nhu cầu (còn được gọi là tiềm năngevapotranspiration; PET) (Hoerling et al, 2012b; Sheffield et al, 2012). Hạn hán lànói chung được định nghĩa là một mức thâm hụt trong đất ẩm (nông nghiệp) hoặc streamflow (thủy văn);như vậy, nó có thể được gây ra bởi giảm trong mưa, tăng evapotranspiration,hoặc một sự kết hợp của hai. Trong toàn cầu có nghĩa là, cả hai mưavà evapotranspiration dự kiến sẽ tăng với sự nóng lên, một hệ quả củamột chu kỳ hydrologic tăng cường trong một thế giới ấm hơn (Allen và Ingram, 2002; Huntington,Năm 2006). các đặc tính của những thay đổi trong mưa và PET xu hướng lúcở cấp độ khu vực, và các động thái mà lái xe thay đổi như vậy, là Tuy nhiên nhiều hơn nữakhông chắc chắn, mặc dù thực tế là những thay đổi này có lẽ là lớn nhất liên quan đếncác bên liên quan trên mặt đất.Mưa dự trong mô hình lưu thông nói chung (GCMs) có sự không chắc chắn lớnso với các biến mô hình khác, chẳng hạn như nhiệt độ (ví dụ: Knuttivà Sedlacek, 2013). Ước tính tự tin nhất cho thấy rằng mưa sẽtăng ở khu vực thấp (ví dụ như, các vùng nhiệt đới ẩm ướt, giữa-để các vĩ độ cao của cácBắc bán cầu, vv) và giảm ở khu vực bán khô cằn (ví dụ như, các cận nhiệt đới).Điều này thường được gọi là cơ chế 'giàu-get-phong phú hơn/người nghèo-get-nghèo',và được gây ra bởi cả hai nhiệt (sự nóng lên và barest của cáckhí quyển) và quá trình năng động (lưu thông) (Chou et al, năm 2007, 2013; Tổ chứcSỰ NÓNG LÊN TOÀN CẦU VÀ HẠN HÁN 3và Soden, 2006; Neelin et al, 2003; Seager et al, 2010).Evapotranspiration bao gồm cả các vật lý (bay hơi) và sinh học(tiếng) chất của độ ẩm từ bề mặt cho không khí. Evapotranspirationdự kiến sẽ tăng trong tương lai do nhu cầu tăng lên evaporativebởi bầu không khí, thúc đẩy bởi tăng trong năng lượng sẵn có tại bề mặt (bề mặtnet bức xạ) và áp suất hơi thâm hụt (sự khác biệt giữa bão hòavà áp suất hơi thực tế; PHÓ). Tăng bức xạ buộc từ anthropogenickhí nhà kính (GHG) dự kiến sẽ tăng bề mặt bức xạ ròng trong hầu hết các vùngbằng cách ức chế longwave làm mát, trong khi khí nhà kính gây ra sự nóng lên của khí quyểndự kiến sẽ tăng phó. Quan trọng, phó tăng với sự nóng lên, thậm chítại độ ẩm tương đối không đổi (ví dụ như, Anderson, 1936). Cho một thực tế rằng wellmixedbản chất của GHGs sẽ lái xe các mô hình phổ biến rộng rãi của sự nóng lên toàn cầu, thay đổi trongevaporative nhu cầu có khả năng đồng nhất và phổ biến rộng rãi hơn trong không gianhơn mưa thay đổi.Ý tưởng rằng tăng evaporative nhu cầu trong một thế giới ấm hơn sẽ tăng cườnghạn hán không phải là mới (ví dụ như, Dai, năm 2011), nhưng nó là quan trọng để hiểu nơi mưahoặc thay đổi sự bay hơi sẽ là chi phối các trình điều khiển cá nhân của hạn hánvà nơi họ sẽ làm việc trong buổi hòa nhạc để tăng cường hạn hán. Đến nay, Tuy nhiên, ítđã được thực hiện để định lượng và rõ ràng tách sự đóng góp tương đốiCác thay đổi trong mưa so với các nhu cầu evaporative độ lớn và mức độhạn hán gây ra sự nóng lên toàn cầu. Để giải quyết câu hỏi này, chúng tôi sử dụng đầu ratừ một bộ 20 và thế kỷ 21 GCM mô phỏng, có sẵn thông qua cácKết hợp mô hình Intercomparison dự án phiên bản 5 (CMIP5, Taylor et al, 2012) đểtính toán một chỉ số diễn đàn của sự cân bằng độ ẩm của đất, (Penman-Monteith dựaPalmer hạn hán nghiêm trọng Index). Chỉ số này cung cấp một ước tính lý tưởng và linh hoạtđiều kiện độ ẩm bề mặt, cho phép chúng tôi thay đổi đầu vào như mô hìnhmưa, nhiệt độ, và bề mặt năng lượng sẵn có, mà lần lượt cho phépchúng tôi riêng biệt và định lượng sự ảnh hưởng của biến cụ thể trên hạn hán trong tương laidự đoán. Phân tích của chúng tôi do đó địa chỉ ba câu hỏi: 1) những gì là các thân nhânnhững đóng góp của các thay đổi trong mưa và evaporative nhu cầu toàn cầu vàkhu vực khô mẫu?, 2) mà làm những ảnh hưởng kết hợp của những thay đổi trong mưavà evaporative nhu cầu tăng cường sấy?, 3) trong khu vực đó, nếu có,tăng evaporative nhu cầu đủ để thay đổi khí hậu hướng tới hạn hánkhi mưa thay đổi nào nếu không ép buộc điều kiện ẩm ướt?2 dữ liệu và phương pháp2.1 CMIP5 Mô hình đầu raChúng tôi sử dụng GCM đầu ra có sẵn từ các kho lưu trữ CMIP5, bộ thí nghiệm mô hìnhtổ chức và đóng góp từ các mô hình Trung tâm hỗ trợcủa thứ năm báo cáo đánh giá (AR5) của Panel liên chính phủ về khí hậuThay đổi (IPCC). Sản lượng từ các lịch sử và RCP8.5 mẫu kịch bản làđược sử dụng. Các thí nghiệm lịch sử được chạy trong năm 1850-2005 và buộcvới các quan sát thoáng qua khí hậu forcings 150 năm qua (ví dụ như, năng lượng mặt trờibiến đổi, sử dụng đất thay đổi nồng độ khí nhà kính, vv). Các thí nghiệmkhởi tạo trong 1850 sử dụng đầu ra từ long, unforced kiểm soát chạy với cố định preindustrialkhí hậu forcings. Kịch bản RCP8.5 (2006-2099) là một trong một bộ4 Benjamin tôi Cook et al.khí nhà kính trong tương lai buộc kịch bản; RCP8.5 được thiết kế để phía trên cùng của bầu khí quyểnsự mất cân bằng bức xạ sẽ bằng khoảng +8.5 W m-2 vào cuốithế kỷ 21, liên quan đến điều kiện tiền công nghiệp. Chạy kịch bản RCP8.5được khởi tạo bằng cách sử dụng sự kết thúc của chạy lịch sử. Phân tích của chúng tôi là bị giới hạnnhững mô hình (bảng 1) với các thành viên toàn bộ liên tục bao trùm các lịch sửthông qua RCP8.5 thời gian thời gian.2.2 chỉ số mức độ nghiêm trọng Palmer hạn hán penman-MonteithMô phỏng đất ẩm trong các GCMs không dễ dàng tách ra thành những đóng góptừ mưa hoặc PET, làm cho nó khó khăn để xác định mức độ mà đấtđộ ẩm xu hướng trong các mô hình được thúc đẩy bởi những thay đổi trong cung cấp và/hoặc nhu cầu.Hơn nữa,

Kết quả (Việt) 2:

Khí hậu Dynamics bản thảo số
(sẽ được chèn vào bởi các biên tập viên)
Hâm nóng toàn cầu và hạn hán trong thế kỷ
21, Benjamin tôi Nấu · Jason E Smerdon ·
Richard Seager · Sloan Coats
nhận: ngày / Được chấp nhận: ngày
Tóm tắt sự nóng lên toàn cầu dự kiến sẽ tăng tần số và cường độ của
hạn hán trong thế kỷ 21, nhưng những đóng góp tương đối từ những thay đổi về độ ẩm
cung cấp (lượng mưa) so với nhu cầu bay hơi (bốc hơi tiềm năng;
PET) đã không được đánh giá một cách toàn diện. Sử dụng đầu ra từ một bộ các
mô hình lưu thông nói chung (GCM) mô phỏng từ phiên bản 5 của nhà nước-of-the-nghệ thuật
Cùng mẫu Intercomparison Project (CMIP5), dự kiến hạn hán thế kỷ 21
xu hướng được khảo sát bằng một ẩn số tính toán cân bằng độ ẩm của đất
(các Penman-Montieth dựa Palmer Hạn hán Severity Index; PDSI). Các PDSI
tính toán được sử dụng để định lượng sự đóng góp tương ứng của lượng mưa và
PET với các xu hướng hạn hán dự. PDSI dự kết hợp cả kết tủa
và PET thay đổi từ các GCM khác nhau trong khu vực, với cross-mô hình mạnh mẽ
làm khô ở miền tây Bắc Mỹ, Trung Mỹ, Địa Trung Hải, phía nam
châu Phi, và Amazon và làm ướt mạnh xảy ra ở Bắc bán cầu
vĩ độ cao và phía đông châu Phi . Những thay đổi trong khu vực chủ yếu là phản ánh không gian
phản ứng không đồng nhất của lượng mưa trong các mô hình, mặc dù làm khô trong các
lĩnh vực PDSI mở rộng ra ngoài các vùng giảm lượng mưa. Sự mở rộng này
của khu vực hạn hán là do trên toàn cầu tăng phổ biến rộng rãi trong PET, gây ra bởi
sự gia tăng bề mặt bức xạ net và thâm hụt áp suất hơi. Tăng PET
không chỉ tăng cường phơi ở những nơi có lượng mưa đã giảm, nó cũng
thúc đẩy khu vực vào hạn hán mà nếu không sẽ gặp chút khô hoặc thậm chí
làm ướt từ xu hướng lượng mưa một mình. Hiệu ứng khuếch đại PET này là lớn nhất
Benjamin tôi Nấu
Viện Goddard NASA Nghiên cứu Không gian
2880 Broadway, New York, NY 10025
Tel .: [phone]
E-mail: [e-mail]
Jason E Smerdon
Lamont-Doherty Trái đất Đài quan sát, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10.964
Richard Seager
Lamont-Doherty, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10.964
Sloan Coats
Lamont-Doherty, 61 Route 9W, Palisades, NY, 10.964
2 Benjamin tôi Nấu et al.
ở Bắc bán cầu vĩ độ trung bình, và được đặc biệt rõ rệt ở miền tây
Bắc Mỹ, Châu Âu, và Đông Nam Trung Quốc. So với dự PDSI
chiếm thay đổi lượng mưa chỉ, tác dụng bổ sung tăng PET
mở rộng tỷ lệ diện tích đất toàn cầu dự kiến sẽ trải nghiệm sấy đáng kể
(PDSI≤ -1) vào cuối của thế kỷ 21 từ 23% đến 43%. Điều này tích hợp
kế toán của cả hai phía cung và cầu cân bằng độ ẩm bề mặt
là do quan trọng cho việc xác định đầy đủ các rủi ro hạn hán dự trói
để tăng khí nhà kính và kết hợp sự ấm lên của khí hậu.
1 Giới thiệu
cực khí hậu và thời tiết các sự kiện đã gây ra đáng kể sự gián đoạn để hiện đại
xã hội và quá khứ (Coumou và Rahmstorf, 2012; Ross và Lott, 2003; Lubchenco
và Karl, 2012), và có lo ngại rằng sự thay đổi khí hậu do con người gây sẽ làm tăng
sự xuất hiện, độ lớn, hoặc tác động của các sự kiện trong tương lai ( ví dụ,
Meehl et al, 2000; Rahmstorf và Coumou, 2011). Hạn hán là một cực đoan như
hiện tượng, và là mối quan tâm đặc biệt vì nó thường tác động lâu dài
về nguồn lực quan trọng nước, sản xuất nông nghiệp và hoạt động kinh tế (ví dụ như,
Li et al, 2011; Ding et al, 2011; Ross và Lott, 2003). Tập trung vào các lỗ hổng hạn hán
đã được tăng cường do một loạt các đợt hạn hán gần đây và nghiêm trọng ở
các vùng khác nhau như Hoa Kỳ (Hoerling et al, 2012a, 2013; Karl et al,
2012), phía đông châu Phi (Lyon và DeWitt, 2012), Australia (McGrath et al, 2012), và
các Sahel (Giannini et al, 2003). Công trình gần đây tiếp tục cho thấy hạn hán trên toàn cầu
đã tăng lên trong bước với xu hướng ấm lên quan sát, và làm khô này sẽ
tồi tệ hơn cho nhiều khu vực như nhiệt độ toàn cầu tiếp tục tăng với sự gia tăng
phát thải khí nhà kính nhân tạo (Burke et al, 2006; Đại, 2013; Sheffield
và . Wood, 2008)
Có điều không chắc chắn đáng kể, tuy nhiên, ở gần đây và dự kiến trong tương lai
xu hướng hạn hán, đặc biệt là liên quan đến mức độ mà các xu hướng này sẽ bị buộc
bởi những thay đổi về lượng mưa so với nhu cầu bay hơi (còn được gọi là tiềm năng
bốc hơi nước; PET) (Hoerling et al, 2012b; Sheffield et al, 2012). Hạn hán là
thường được định nghĩa như là một thâm hụt độ ẩm của đất (nông nghiệp) hoặc dòng chảy (thủy);
như vậy, nó có thể được gây ra bởi sự suy giảm lượng mưa, tăng bốc hơi nước,
hoặc kết hợp cả hai. Trong trung bình toàn cầu, cả lượng mưa
và bốc hơi nước được dự kiến sẽ tăng lên cùng với sự nóng lên, một hệ quả của
một chu trình thủy tăng cường trong một thế giới ấm hơn (Allen và Ingram, 2002; Huntington,
2006). Các đặc điểm của những thay đổi về lượng mưa và các xu hướng PET ở
cấp độ khu vực, và các động lực mà lái xe thay đổi như vậy, tuy nhiên vẫn hơn
không chắc chắn, mặc dù thực tế rằng những thay đổi này có lẽ liên quan lớn nhất đối với
các bên liên quan trên-the-mặt đất.
Dự Lượng mưa nói chung mô hình lưu thông (GCM) có sự không chắc chắn lớn
so với các biến số khác mô hình, chẳng hạn như nhiệt độ (ví dụ, Knutti
và Sedlacek, 2013). Các ước tính tự tin nhất cho thấy lượng mưa sẽ
tăng trong khu vực mesic (ví dụ, các vùng nhiệt đới ẩm ướt, giữa các vĩ độ cao của
Bắc bán cầu, vv) và giảm ở các vùng bán khô hạn (ví dụ, cận nhiệt đới).
Điều này được gọi chung là '-phong phú giàu có được, / kém-càng nghèo hơn' cơ chế,
và được gây ra bởi cả hai nhiệt động lực học (sự nóng lên và làm ẩm của
không khí) và năng động (lưu thông) các quy trình (Chou et al, 2007, 2013; tổ chức
GLOBAL WARMING VÀ HẠN HÁN 3
và Soden, 2006; Neelin et al, 2003;. Seager et al, 2010)
bốc hơi nước bao gồm cả thể chất (bay hơi) và sinh học
(hơi) thông lượng ẩm từ bề mặt lên bầu khí quyển. Bốc hơi nước
được dự kiến sẽ tăng trong tương lai do nhu cầu bay hơi
của bầu khí quyển, do sự gia tăng khả năng lượng tại bề mặt (bề mặt
bức xạ net) và thâm hụt áp suất hơi (sự khác biệt giữa bão hòa
và áp suất hơi thực tế; VPD). Tăng xạ buộc con người từ
các loại khí nhà kính (GHG) dự kiến sẽ tăng bề mặt bức xạ ròng trong hầu hết các khu vực
bằng cách ức chế làm mát sóng dài, trong khi nóng lên khí nhà kính gây ra của khí quyển
được dự kiến sẽ tăng VPD. Quan trọng hơn, VPD làm tăng sự ấm lên, thậm chí
ở độ ẩm tương đối không đổi (ví dụ, Anderson, 1936). Với thực tế là các wellmixed
chất của khí nhà kính sẽ lái xe mô hình phổ biến của sự nóng lên toàn cầu, sự thay đổi trong
nhu cầu bay hơi có thể sẽ là không gian nhiều hơn đồng nhất và phổ biến rộng rãi
hơn những thay đổi lượng mưa.
Ý tưởng cho rằng nhu cầu tăng lên bay hơi trong một thế giới ấm hơn sẽ tăng cường
hạn hán không phải là mới (ví dụ, Đại, 2011), nhưng điều quan trọng là phải hiểu nơi lượng mưa
hoặc bay hơi thay đổi sẽ được trình điều khiển cá nhân chi phối của hạn hán
và nơi họ sẽ làm việc trong buổi hòa nhạc để tăng cường hạn hán. Đến nay, tuy nhiên, rất ít
đã được thực hiện để định lượng một cách rõ ràng và tách biệt các đóng góp tương đối
của thay đổi lượng mưa so với nhu cầu bay hơi với độ lớn và mức độ
của sự nóng lên toàn cầu gây ra hạn hán. Để giải quyết câu hỏi này, chúng tôi sử dụng đầu ra
từ một bộ 20 và GCM thế kỷ 21 mô phỏng, có sẵn thông qua các
phiên bản mẫu Intercomparison Project Cùng 5 (CMIP5, Taylor et al, 2012) để
tính toán một chỉ số ẩn của sự cân bằng độ ẩm của đất (các Penman -Monteith dựa
Palmer Hạn hán Severity Index). Chỉ số này cung cấp một ước lượng lý tưởng và linh hoạt
của các điều kiện độ ẩm bề mặt, cho phép chúng ta thay đổi các đầu vào như mô hình
lượng mưa, nhiệt độ, và khả năng lượng bề mặt, do đó cho phép
chúng tôi để tách và định lượng ảnh hưởng của các biến cụ thể về hạn hán tương lai
dự. Phân tích của chúng tôi do đó giải quyết ba câu hỏi: 1) tương đối là gì
đóng góp của những thay đổi về lượng mưa và nhu cầu để bay hơi toàn cầu và
mẫu khô khu vực ?, 2) Nơi nào ảnh hưởng kết hợp của những thay đổi về lượng mưa
và bốc hơi nước tăng cường nhu cầu sấy ?, 3) Trong trong đó khu vực, nếu có, là
gia tăng nhu cầu bay hơi đủ để thay đổi khí hậu đối với hạn hán
khi thay đổi lượng mưa nếu không sẽ buộc điều kiện ẩm ướt hơn?
2 liệu và phương pháp
2.1 CMIP5 mẫu Output
Chúng tôi sử dụng đầu ra GCM có sẵn từ các kho lưu trữ CMIP5, các bộ thí nghiệm mô hình
tổ chức và đóng góp từ các trung tâm mô hình khác nhau trong hỗ trợ
của Báo cáo đánh giá lần thứ năm (AR5) của Ban Liên chính phủ về Khí hậu
Thay đổi (IPCC). Đầu ra của kịch bản mô hình lịch sử và RCP8.5 được
sử dụng. Các thí nghiệm lịch sử đang chạy cho các năm 1850-2005 và được buộc
với các quan sát của forcings khí hậu thoáng qua cách đây hơn 150 năm qua (ví dụ, năng lượng mặt trời
biến đổi, thay đổi sử dụng đất, nồng độ khí nhà kính, vv). Những thí nghiệm này được
khởi tạo vào năm 1850 bằng cách sử dụng đầu ra từ lâu, unforced chạy điều khiển với tiền công nghiệp cố định
forcings khí hậu. Kịch bản RCP8.5 (2006-2099) là một trong một bộ
4 Benjamin tôi Nấu et al.
Kịch bản GHG buộc trong tương lai; RCP8.5 được thiết kế sao cho phần trên của bầu không khí
mất cân bằng bức xạ sẽ bằng khoảng 8,5 W m-2 vào cuối của
các thế kỷ 21, tương đối điều kiện để tiền công nghiệp. Chạy kịch bản RCP8.5
được khởi tạo bằng cách sử dụng sự kết thúc của lịch sử chạy. Phân tích của chúng tôi là giới hạn cho
những mô hình (Bảng 1) với các thành viên liên tục quần bắc qua lịch sử
qua các thời kỳ lần RCP8.5.
2.2 Penman-Monteith Palmer Hạn hán Severity Index
Simulated độ ẩm của đất trong GCM không dễ dàng tách ra thành các khoản đóng góp
từ kết tủa hoặc PET, làm cho nó khó khăn để xác định mức độ mà đất
xu hướng ẩm trong mô hình được điều khiển bởi những thay đổi trong cung ứng và / hoặc nhu cầu.
Hơn nữa,