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科学问题
干旱在全球次季节时间尺度频繁发生，并可能在几周内发展为严重干旱。与缓慢演变的常规干旱相比，这些快速发生的干旱被称为“突发干旱”。突发干旱既可能是长期干旱的开始阶段也可能对植被生长产生重大影响，并可能引发热浪或野火等复合极端事件。突发性干旱由降水不足和异常高的蒸散量导致，蒸散量异常升高会迅速耗尽土壤水分。突发干旱频发对目前为检测缓慢演变的干旱而开发的干旱监测和预测能力提出了挑战。然而，对于突发干旱是否已成为新常态，目前尚未达成共识，因为缓慢干旱也可能增加。![]()
在这项研究中，论文调查了全球干旱发生速度的变化并定义了突发干旱和缓慢干旱之间的区别。首先，根据土壤水分下降速度将次季节干旱分为突发干旱和缓慢干旱，并评估了过去64年全球各地生长季节的突发干旱分布情况。然后，根据CMIP6气候模型估计了突发干旱次数与次季节干旱总数之比的全球趋势以及次季节干旱发生速度的全球趋势，并将这些趋势进行归因。论文还展示了这些趋势在不同的IPCC SREX（政府间气候变化专门委员会关于极端事件的特别报告）地区是如何变化的。
具体地，作者首先识别了突发干旱和缓慢干旱事件（图2）。论文将每日土壤湿度数据汇总为五天平均值，然后根据1951-2014年生长季节（北半球为4月至9月，南半球为10月至3月）将土壤水分转换为百分位数。突发干旱事件应符合以下标准：
（1）5日平均土壤湿度从第40百分位以上下降到第20百分位，每个5日的平均下降率不低于5%；
（2）当土壤湿度降至第20百分位以下，如果土壤湿度开始增加或平均下降率低于每5日5%，则开始阶段结束；
（3）如果土壤湿度再次上升到20%以上，则突发干旱终止；
（4）突发干旱事件必须持续至少20天，包括开始阶段和持续阶段。
次季节干旱事件除了第一条改为：
（1）5日平均土壤湿度从第40百分位以上下降到第20百分位；
不再限制干旱发生速率以外，其他均与突发干旱定义一致，然后通过从所有次季节干旱中排除所有突发干旱来识别缓慢干旱。
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注：（A）黑色实线显示了2013年突发干旱期间网格点（96.5°E，24.5°N）的5天平均土壤湿度百分位数（SM）。红色的星星和蓝色的方框分别显示了开始和持续阶段。（B）与（A）相同，但针对1987年的缓慢干旱事件。使用的数据来源于1951~2014年生长季节（4月至9月）ERA5全球再分析数据。然后，进行归因分析。作者以全球平均突发干旱率为例说明了检测和归因的步骤（图3）。在过去的64年里，作者推导出了CMIP6多模型集合的平均突发干旱率，其中包括ANT（=ALL-NAT；代表所有人为强迫）和自然（NAT）强迫，以及相应的OBS(三个再分析数据的平均值)系列。还计算并顺序收集了不同CMIP6-CTL模拟块的全球平均突发干旱率。为了减少年际变化的噪声，对所有时间序列应用了非重叠的两年平滑处理（图3中的右侧面板）。然后，作者使用了最优指纹方法来检测人为信号。该方法将观察到的变化（Y）与模型模拟的变化（X）回归为：Y=βX+e。在这里，X表示为目标变量的ANT和NAT强迫（例如，ANT和NAT系列的全球平均突发干旱率）。缩放因子（β）表示模型模拟的响应，以匹配观测值。噪声项（e）表示使用CTL集合估计的内部变异性。作者使用总最小二乘法（TLS）解决回归问题，该方法明确地解释了估计响应中的不确定性。TLS需要两个独立的e估计值来分别估计β因子的最佳拟合和相应的5~95%不确定性范围。CTL模拟被分为两组（例如e1和e2，分别代表奇数年和偶数年），并被重塑为两个噪声矩阵，其列对应于类Y向量（例如e1和e2）。e1用于获得算子P和β因子的最佳估计。e2用于估计β的方差，并为β因子提供置信区间。β因子中的不确定性可以衡量是否检测到特定的外部强迫。如果β的90%置信区间高于零，则可以认为在5%的显著性水平上检测到相应的信号因子。归因趋势是通过将β因子与模型模拟的线性趋势（Tr）相乘来计算的。同样，通过将Tr乘以相应的β因素的不确定性范围，估算出可归因趋势的5~95%不确定性范围。然后将可归因的趋势及其不确定性与观察到的趋势进行比较，以计算不同信号（如ANT和NAT）的贡献。
研究结果
在干旱程度较低的潮湿地区，突发干旱往往比缓慢干旱更频繁地发生（图1A），其中突发干旱频率是其他地区的两到三倍。相比之下，缓慢发生的干旱具有较小的空间变异性。突发干旱通常持续30至45天，而缓慢干旱通常持续40至60天。不确定性在大多数湿润和半湿润地区较低，但在干旱地区较高。突发干旱率较高的地区也具有较快的干旱发生速度（图1B），这与较大的降水不足和/或蒸散增加有关。与缓慢干旱相比，全球大部分陆地地区在突发干旱开始阶段出现更大的降水亏缺。除了降水不足之外，蒸散量的增加加速了土壤水分的流失，这导致欧洲、北亚、华南、北美东部和西北部以及亚马逊等潮湿地区发生突发干旱的可能性更高。在干旱程度较高的地区（如中国北部、印度西部和非洲部分地区），开始阶段蒸散量的减少表明降水不足是突发干旱的主要驱动因素。鉴于全球陆地蒸散量在气候变暖的情况下增加，据推测，全球干旱的发生可能会加速。在这项研究中提供了稳健的估计，从1951年到2014年，全球平均突发干旱率（P < 0.1）和次季节干旱发生速度（P < 0.1）呈上升趋势（图2A, B），这意味着次季节干旱发展得更快，并在全球范围内从缓慢干旱转变为突发干旱。为了评估全球趋势是否对突发干旱的定义敏感，作者增加和降低了干旱起点和终点以及干旱发生速度的土壤水分阈值，发现全球上升趋势仍然显着（P < 0.1）。图4 全球平均突发干旱率和次季干旱发生速度变化的归因
注：（A）1951年至2014年全球平均突发干旱事件与次季节干旱事件之比（%）的观测和模拟异常。黑线表示基于三个全球再分析数据集（OBS，三个再分析的平均值）的结果，红线和蓝线分别表示基于CMIP6气候模式模拟的集合平均值结果，分别具有ALL和NAT 强迫。粗线是10年滑动平均值，粉红色和青色阴影分别显示ALL和NAT集成模拟的5%到95%范围。（C）1951年至2014年期间突发干旱率变化的双信号 [ANT（ALL-NAT）和NAT]分析对缩放因子（左轴）和归因增加趋势（%/年，右轴）的最佳估计。用于检测和归因的时间序列是不重叠的2年平均值。误差线表示其相应的5%到95%不确定性范围。（B）和（D）与（A）和（C）相同，表示 1951年至2014年次季节干旱开始速度变化的异常（%/pentad）、比例因子和归因趋势（%/pentad/年）最先进的 CMIP6/ALL 多模式集成模拟（P < 0.1）很好地捕捉了全球突发干旱率上升趋势（图2A, B），该模式同时考虑了人为气候强迫（ANT，例如，温室气体和气溶胶的人为排放）和自然气候强迫（NAT，太阳和火山活动）。CMIP6/ALL 集成模拟还粗略地捕捉了突发干旱率和次季节干旱发生速度的空间模式。然而，仅考虑自然气候强迫的 CMIP6/NAT 集成模拟并未捕获全球趋势（图2A, B）。比例因子β的最佳估计表明，只有ANT（ALL-NAT；人为强迫）信号是可检测到的，对突发干旱率和次季节干旱发生速度的增加分别贡献了48%（10%~86%）和39%（13~70%）（图 2C, D）。因此，在过去 64 年中，全球向更频繁的突发干旱过渡是受人为气候变化的影响。超过74%的IPCC SREX区域快速干旱率增加，推动了全球向突发干旱的显著过渡，特别是东亚和北亚、欧洲、撒哈拉沙漠和南美洲西海岸显著增加（P < 0.1）（图3A）。此外，次季节干旱的发生速度在大多数地区都有所增加，在北亚、澳大利亚、欧洲、撒哈拉沙漠和南美洲西海岸显著增加（P < 0.1）（图3B）。这些地区发生突发干旱比率和次季干旱发生速度的显著增加（图3A, B）主要是因为发生突发干旱的频率和发生速度增加。开始阶段速度加快但突发干旱率降低的地区表明，从缓慢干旱到突发干旱的过渡可能不稳定（图3A, B）。例如，东非、巴西东北部和北美西部的突发干旱比率出现历史性下降（图3A），但突发干旱和缓慢干旱的频率都有所增加。一旦未来开始阶段速度增加到一定水平，这些区域最终可能会切换到更稳定的过渡。也有一些地区（如北美东部、南美洲南部、澳大利亚北部和东南亚）的突发和缓慢干旱频率降低，但干旱发生速度加快。除亚马逊和西非外，几乎所有地区都显示出快速干旱比率和/或次季节性干旱发生速度的增加趋势（图3A, B）。对于亚马逊地区，没有证据表明从干旱过渡到突发干旱，因为干旱发生速度降低，突发干旱频率也降低，而缓慢干旱频率增加。对于西非，突发干旱和缓慢干旱都会增加，而突发干旱发生得更快，缓慢干旱发生得更慢，这表明即使没有明显的过渡信号，干旱情况也会更加极端。具有不同干旱阈值的不确定性分析结果相似。由于对全球变暖的响应存在区域差异，因此在区域尺度上预测干旱变化比在全球尺度上预测干旱变化更具挑战性。CMIP6 气候模式集合模拟大致捕捉了突发干旱率和次季节干旱发生速度的历史变化，67%和81%的IPCC SREX区域在气候模式和观测之间显示出相同的比率和速度趋势（图3A, B）。在2015~2100年的中等排放情景（SSP245）下，未来预测显示几乎所有 IPCC SREX 区域的突发干旱率和次季节干旱发生速度都呈显著上升趋势 （P < 0.1）（图3C, D）。在更高的排放情景（SSP585）下，大多数地区的增长趋势变得更强。对于不同的干旱阈值和不同的气候模型集，预测结果相似。尽管59%的地区的突发干旱只会增加，而大多数地区的缓慢干旱会减少，但大多数地区的突发和缓慢干旱的发生速度都会增加。因此，当未来发生干旱时，它们更有可能是突发干旱。尽管气候模型预测存在不确定性，但结果表明，在更温暖的未来，向突发干旱的过渡更加稳定和迅速，而高排放情景将导致更大的突发干旱风险和更快的发生速度，这对气候适应构成重大挑战。![]()
图5 IPCC SREX区域平均突发干旱率和次季节干旱发生速度的历史和未来趋势。
注：（A）根据三次全球再分析数据的平均时间序列，从1951~2014年，突发干旱事件与次季节性干旱事件的区域平均比率的观测趋势（%/年）。（B）与（A）相同，但表述的是区域平均次季节干旱发生速度的趋势（%/pentad/year）。（C）和（D）在 SSP245 情景下，基于CMIP6气候模式集合均值模拟的2015年至2100年区域平均突发干旱率的未来趋势（%/年）和发生速率（%/pentad/year）。个人评价
本文区分了突发干旱和缓慢干旱，刻画了全球突发干旱的时空格局，并进行了归因和预测。结果表明，干旱加剧的速度正在加快，在过去64年间，全球有74%的区域更多的向突发干旱转变，未来，预计这种转变将扩大到大多数陆地区域，在高排放情景下，这一转变的增长幅度更大。强调了在更温暖的未来适应这种突发干旱的紧迫性。在表述结果时，语言精炼，重点突出，逻辑缜密，文字信息量非常高，值得学习。但是可能受篇幅限制，论文正文和附录的方法部分较为简单，缺少对数据处理过程的详细说明。A global
transition to flash droughts under climate changeAbstract：
Flash droughts have occurred frequently
worldwide, with a rapid onset that challenges drought monitoring and
forecasting capabilities. However, there is no consensus on whether flash
droughts have become the new normal because slow droughts may also increase. In
this study, we show that drought intensification rates have sped up over
subseasonal time scales and that there has been a transition toward more flash
droughts over 74% of the global regions identified by the Intergovernmental
Panel on Climate Change Special Report on Extreme Events during the past 64
years. The transition is associated with amplified anomalies of
evapotranspiration and precipitation deficit caused by anthropogenic climate
change. In the future, the transition is projected to expand to most land
areas, with larger increases under higher-emission scenarios. These findings
underscore the urgency for adapting to faster-onset droughts in a warmer
future.
Citation：
Xing Yuan et al., A global transition to flash
droughts under climate change. Science 380, 187-191 (2023). DOI:10.1126/science.abn6301
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