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1、气候变化对非洲旱地及进出口商品流动的影响 M.穆里根 邱训平 郭重汕 摘 要： 运用“水世界政策支持系统”, 结合全球商品流动数据库, 研究 AR4 SRES 气候变化预设情景对非洲旱地和商品流动的影响。研究结果表明, 非洲旱地降水变化甚至是微小气温变化, 都可能会对局部和全球的食品-水供应产生重大影响。气候变化的地理分布与供应链相关的气候变化分布对比结果显示, 受气候变化影响的食品-水供应不仅会影响旱地局部人口, 而且世界各地依赖于该旱地商品供应的人口均会受此影响。关键词： 气候变化; 旱地; 商品流动; 影响研究; 非洲; 收稿日期：2016-07-20Received： 2016-07-
2、201 前言众所周知, 大气温室气体浓度增加会影响许多国家的气候, 所有国家的气温都会上升, 有些国家降雨量增加, 而有些则会减少。降雨变化可能对这些国家的食品-水-能源条件产生深远影响。这些变化对人口稠密的干旱国家的影响尤为明显, 因为其气候已处于临界状态, 农业系统水资源短缺。为缓解干旱或气候年际变化的影响, 许多国家提高了海外食品进口比例。气候变化导致部分国家的粮食和供水的安全性提高, 而有些国家安全性则降低, 但所有国家都会发生改变, 因为局部生产力和全球市场对这些变化会做出反应。粮食短缺国家食品依赖进口, 或其农业由外商直接投资, 其未来也取决于气候变化对食品-水可利用量的影响程度。
3、因此, 未来所有国家的食品安全取决于气候变化对局部食品-水的影响, 也包括这些国家所依赖的供应链的供应端。2 目标本文使用“水世界政策支持系统”和全球商品流动数据库, 研究 AR4 SRES 气候变化预设情景对非洲旱地及其出口商品流动的影响。假设非洲旱地气候变化将导致支撑商品向多国流通的水资源可利用量发生改变, 根据预测气候变化的地理分布相关的商品产地的地理分布差异, 对商品和国家造成的影响是不同的。因此, 本研究首次绘制非洲未来气候地图, 并说明气候在局部和全球商品供应链中对食品-水和能源的影响。水世界模型是一个复杂的水平衡模型, 它能模拟气候变化预设情景对世界任何地区基础水平衡的影响。20
4、13 年, 学者穆里根提供了模型使用说明和输入数据集。水世界模型使用与 World Clim 气候基准相关的三角法, 将分辨率缩小到 1 km, 将其基本气候条件同 SRES A2a 气候方案进行对比。SRES A2a 预设情景代表的是气温上升较快, 19902100 年间上升 3.50。将该预设结果作为小范围大气环流模式 (GCM) 下输出的月气温和月降雨量。由于多数 GCM 只提供每月气温和降水的变量, 所以只对这些变量进行研究。因为只需对降雨变化进行研究, 所以模型中假设全球商品流量、人口和土地利用均维持在基础水平附近。对于非洲, 1 km 的分辨率意味着对每幅地图进行 7 800 万像
5、素以上的计算。尽管存在挑战, 但考虑到复杂和详细的地理格局、农田轮番耕作、草地、旱地气候、气候对农业的重要性, 这一空间划分水平是很重要的。尽管研究区域是整个非洲大陆和离岛, 但关注的重点是非洲旱地。3 非洲旱地分布的重新调查根据雨量或雨量蒸发量比值 (P/P ET) 对旱地进行分类。先将非洲这些标准指标与提供备选评估旱地分布的新指标进行比较。相比季节性指标, 年度总指标更受到关注。最干旱土地是关注的重点, 根据联合国环境规划署的分类, 干旱分为“超级干旱”和“干旱”, 依据 World Clim 降雨数据, 年雨量小于 300 mm属于干旱。以此得到非洲旱地的分布, 面积总计约 1 500
6、万 km。如果使用联合国环境规划署 1997 年定义的干旱指标 (P/P ET0.2) , 则干旱面积为 1 600 万km, 旱地进一步延伸到了非洲西南部和非洲之角。通常使用前者对气候干旱进行测量, 目前尚未看到有人使用云频率进行测量。云频率可能与干旱有关, 较低云频率意味着降雨概率更小, 而相应的太阳直射负荷更高。用 MOD35 云产品来评估每 l km 像素上所观测到的云量。研究云量不足 30%的区域的观测结果后发现, 北非、撒哈拉、撒哈拉以南非洲, 其标准干燥指数与云量呈类似分布, 但在非洲南部、马达加斯加西南部、肯尼亚和坦桑尼亚有显著的延伸, 延伸后总面积为 1 700 万 km。干
7、旱地区土地生物潜能低, 但是在有上游来水, 进行大量灌溉或较大雾水等补偿性环境条件下, 土地生产力不会下降。还可通过植物自身生产力评估来表征真正的旱地。2009 年, 穆里根提供了一个全球干物质平均生产力数据集, 系列为 19982008 年, 长达 11 a。干物质生产力代表生物量每日固定的生长量。研究结果显示, 干物质生产力水平同标准干旱指数分布 (覆盖面积大约 1 700 万km) 明显相似。本文将继续使用标准干旱指标, 气候上定义的旱地可能并不是水文意义上或生产能力方面的干旱。3.1 非洲干旱与水-食品-能源间的关系对旱地区域内用于粮食生产 (包括农田和牧场) 、水和能源供应 (如建坝
8、后形成的库区) 的土地分布, 以及需要提供食品、饮用水和能源的当地居民数量展开了调查。2008 年, 拉玛古迪等学者, 将农业数据与卫星映射土地利用的土地覆盖数据相结合, 绘制出农田和牧场分布图, 这是自 2000 年以来对全球农业展开的唯一一次全面研究。研究结果显示, 非洲干旱地区农田面积 270 万 km (占非洲总面积的 8.9%) , 人口 1.1 亿 (占非洲总人口的 13%) 。人口依据 2007 年使用 Land Scan 全球人口数据库计算而得。这是能获得的最详细的全球人口数据库。非洲干旱区牧场面积达 690 万 km (占总面积的 23%) , 人口 1.185 亿 (占非洲
9、总人口的 14%) 。非洲旱地中, 约 290 万 km 为库区, 用于供水或水力发电。该集水区多数区域干旱严重。3.2 非洲旱地的气候变化气候变化将直接影响本国的年总降水量和年均温度变化, 还间接影响邻国, 甚至对依赖进口粮食、食品及水资源和能源的边远地区带来影响。根据已有资料, 目前非洲旱地向中东和北非地区出口重要的粮食、食品、水资源及能源。此外, 在非洲旱地的众多海外直接投资商承诺, 将在高收入国家无生产力的旱地的食品-水-能源需求与低收入国家有生产力的旱地的供应之间建立更加紧密的联系。降水对粮食和水资源直接造成重大影响, 其变化应引起重视。同时也考虑了气温变化的影响, 但鉴于诸多不确定
10、性, 本研究不能对特定农作物的生长和多变量下气候变异做全面分析。3.3 非洲旱地各流域的气候变化SRES A2a 2050s 预设情景由 5 个 GCM 模块组成, 包括CCCMA_CGCM31、CSIRO_MK30、IPSL_CM4、MPI_ECHAM5 和 UKMO_HADCM3。A2a 是SRES 高排放源预设情景, 预测到 2100 年全球升温超过 3。按流域和国家对非洲旱地年均气温和年总降水量的内部变化情况展开了研究。从流域层面来看, 预测整个地区旱地温度将增加 l3, 流域内气温上升最高的为“北部内陆”和“南部内陆”流域。大部分非洲旱地流域降雨量增加, 少部分流域减少。降雨量显著增
11、加的流域包括整个北部内陆旱地、东北海岸、东非大裂谷、雪贝利 (Shebelli) 和朱巴 (Juba) 。尼罗河流域旱地降雨量属中度增长。从国家层面来看, 旱地地区气候变暖最强烈的是阿尔及利亚、马里和博茨瓦纳, 降水增加最多的是阿尔及利亚、毛里塔尼亚、埃塞俄比亚、肯尼亚和索马里, 而降水减少最多的则是莫桑比克、安哥拉、尼日利亚和喀麦隆。对于非洲地区, 由 World Clim 获得的像素级长系列年均温度和卫星气候观测到的长系列年总实测蒸发量 (E) 之间, 存在弱相关关系。研究发现, 较高的气温确实在空间上对应更高的实测 E, 气温平均升高 1, 导致 E 增加 19 mm。这意味着全球气温上
12、升 13, 可导致 E 每年最大上升 60 mm。这明显小于多数非洲区域所预测的降雨增加量。理想情况下, 可以对整个非洲进行水世界水平衡模型模拟, 检查气候变化对水平衡的影响 (包括对 E、雾输入和融雪的影响) 。由于这在大陆尺度上是做不到的, 而降雨量变化在气候变化中显然占主导地位 (与 E 相比) , 所以仅对降雨进行研究。3.4 GCM 不确定性使用 5 个 GCM 模块, 有助于管理不同模型之间的显著不确定性, 但研究结果完全取决于所使用的气候情景和 GCM, 反映了预测变化的中心趋势。GCM 单个模型结果可能远离中心趋势, 不同气候情景对应不同的未来降雨。GCM 降雨量预测结果尤其在
13、量级、空间模式和变化方向上呈现不确定性。3.5 降雨变化对非洲旱地的直接影响对非洲旱地主要农田和牧场未来的雨量变化及大坝集水区水资源和能源的地理分布进行了研究。结果显示, 旱地农田地区, 降雨量每年整体增加 59mm, 其中90%区域降雨增加, 9%区域降雨量减少。旱地牧场年均降雨量变化为100 mm, 其中 95%区域降雨量增加, 5%降雨量减少。居住区 (人口密度大于 10 人/km) 检查结果显示, 平均降雨量仍然是增加的, 其中 91%区域降雨量增加, 影响人口 l 亿人, 9%降雨量减少, 影响人口 1 700 万人。大坝集水区降雨量变化对生活、工农业的用电及用水产生影响。非洲旱地大
14、坝集水区平均降雨量变化研究结果显示, 降雨量年均变化为+66 mm, 大坝上游 92%的区域降雨量增加, 8%区域为减少。旱地内各集水区平均降雨量变化高达+81 mm, 其中 95%区域为降雨量增加, 而 5%区域为减少。预测结果表明, 气候变化提高了非洲旱地农田和牧场的生产力, 在这些相似区域内的大坝集水区形成更多的水资源。总之, 气候变化对以上地区水资源、食品和能源产生正面影响, 而它与本地的、下游的和沿线供应链间存在潜在的利益关系。气候变化是否会导致生产力增加, 这在很大程度上将取决于投资条件、土壤条件、土地管理、很多其他生物物理和社会经济因素。将非洲旱地预测条件与整个非洲气候变化情景进
15、行比较, 通过了解旱地气候变化程度, 反映整个大陆预测情景的变化。4 整个非洲的降雨变化旱地气候变化影响反映了非洲降雨量增加的总体模式。整个非洲农田区域年均降雨量预计增加 32 mm, 其中 64%区域增加, 36%减少。牧场年均降雨量预计增加 64 mm, 其中 64%区域增加, 36%区域减少。居住区年均降雨量增加 32mm, 其中 70%地区增加, 直接影响人口 5.9 亿人, 29%区域减少, 直接影响人口 2.7 亿人。非洲大坝集水区每年降雨量增加 33 mm, 其中 85%区域增加, 15%区域减少。最大的盆地降雨量增加很小, 与预测的 ET 变化近似, 从而可能会抵消这些变化。预
16、计大坝集水区降雨增加最大的为加纳的艾卡索博 (Akasombo) 大坝系统, 而对于位于非洲中西部和东南部的大坝, 预计降雨量减少。总体而言, 在气候变化下, 预计非洲大坝集水区每年会产生更多的径流, 电站发电量会因此增加。降雨量增加的季节性和强度很重要, 尤其是如果这些变化意味着大坝集水区会产生更多的泥沙进入水库, 则这可能减少库容和损坏发电机, 从而抵消了预期的发电量增加所带来的效益。4.1 降雨量预测鉴于以上降雨量增加不同于先前使用其他 GCM 模型、预设情景和旱地定义的研究成果, 本文对其他 GCM 效果和排放方案进行了研究, 以了解 5 个 GCM 总平均值的异常程度。研究结果显示, 最干旱地区的所有模型预测结果为降雨量增加。A1b 方案不确定性更大, 在过度干旱地区和非洲之角, 多数 GCM 预测为降雨量增加, 但在北非沿海为降雨量减少, 在非洲西南部, 多数预测为降雨量减少。根据使用的排放方案, 预计旱地居住区降雨增加或减少。4.2 非洲旱地降雨变化沿食品-水-能源供应链的传播使用水世界供应链模型来研究
