【论文分享】武汉大学遥感测绘领域《Nature》子刊揭示城市化与极端干旱最新成果!

科技   2024-08-24 10:00   北京  

学研录


近日,武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室在Nature子刊《自然·城市》(Nature Cities)发表高水平论文:Widespread global exacerbation of extreme drought induced by urbanization揭示全球范围城市化导致的极端干旱加剧
测绘遥感国重的2022级博士生黄舒哲为论文第一作者,王超副教授与中国地质大学国家地理信息系统工程技术研究中心陈能成教授共同通讯作者。

文章信息:Huang, S., Wang, S., Gan, Y. et al. Widespread global exacerbation of extreme drought induced by urbanization. Nat Cities (2024).

研究合作者有武汉大学夏军院士、中国地质大学张翔教授和王思琪博士后、美国德州大学奥斯汀分校Dev Niyogi教授和美国西北大学Daniel Horton教授等国内外学者。

研究成果受到了国家自然科学基金、科技部国家重点研发项目、湖北省重点研发计划、湖北珞珈实验室基金、长江科学院开放基金和国家地理信息系统工程技术研究中心开放基金等联合资助。

文章下载链接:
https://doi.org/10.1038/s44284-024-00102-z

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文章引言    

在过去的半个世纪中,快速的城市化进程加速了城市面积扩张和人口集中。城市化产生的一系列气象、水文以及生态效应,一直是近几十年被重点关注的研究课题。尽管城市热岛效应和城市干岛效应的影响已经广为人知,但目前对局地干旱与城市化之间关联的定量认知仍然有限。

亟待解答的问题包括:城市化在多大程度上影响了局地干旱?城市化如何影响局地干旱?城市化对局地干旱的影响在未来是否还会持续?

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研究方法

针对以上科学问题,本研究基于高分辨率WRF模型,模拟并对比分析了全球六个代表性城市区域在高度城市化场景和无城市化场景下的干旱变化情况。
在前期发现长江流域典型城市群发展加剧了强弱降雨的不对称性和极端干旱的形成,以及对河道和地表径流具有增加作用的基础上,结合全球历史观测数据、高分辨率模型模拟以及未来情景预测数据,全面系统地分析了全球城市化对局地干旱的影响。

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研究结果

研究结果表明,从无城市化到高度城市化的转变导致了极端干旱严重程度增加了3%—9%。通过比较无城市化和高度城市化场景之间干旱关联因素的变化,研究发现城市区域愈加干燥和高温的环境极大地促进了局地干旱的加剧
具体来说,城市化伴随的频繁且快速的地表覆盖的转变,显著影响了局地的水分和能量平衡植被覆盖的减少以及不透水面的扩张,分别降低和增加了城市的潜热通量和显热通量,进一步导致了城市热岛效应的加剧和城市用水需求的增加
此外,城市化增加了大气水汽压差并降低了空气相对湿度,使得城市处于更加干燥的环境,即干岛效应。在这些因素的累积影响下,模拟结果显示城市区域的弱降雨受到了抑制,并进一步加剧了城市局地干旱的严重程度。
城市化导致的城市区域极端干旱的加剧,也将阻碍联合国2030年议程中至少5个可持续发展目标(SDGs)的实现,包括目标6“Clean water and sanitation”、目标11“Sustainable cities and communities”和目标15“Life on land”等。
该研究通过对城市化与局地干旱的关联的全面分析,定量揭示了城市化影响下极端干旱的加剧,并探讨了潜在机制
随着城市扩展和人口增长的持续,这些发现将增强对城市化在局地干旱发生发展过程中的作用的理解,为城市干旱的防灾减灾以及城市可持续发展提供理论支撑。

图1 |城市化对各种干旱指标的影响。a、 b、使用100公里城乡缓冲阈值的六个干旱指标中具有不同类型城市化效应(UE)的站点(a)和城市(b)的比例。蓝色、橙色和红色条分别表示具有统计显著负UE、统计显著正UE和不显著UE的站和/或城市。c–f,UE在极端SPEI和干旱严重程度下在世界各地台站和城市的空间分布。子图显示了UE的统计分布。负UE和/或正UE表示城市化加剧和/或缓解干旱条件:UE在极端SPEI(站)上的分布(c),UE在极端PEI(城市)上的分配(d),UE对干旱严重程度(站)的分配(e)和UE对干旱严重程度(城市)的分布(f)。g、 UE分别根据城市规模的数据,对四个不同气候带的极端SPEI和干旱严重程度进行了评估。负UE和正UE的可视化。

图2|基于WRF模拟的城市化导致的极端SPEI和干旱严重程度的百分比变化。为了加深城市化对当地干旱影响的理解,对各大洲的六个选定城市群进行了WRF模拟,即亚洲的长三角城市群、欧洲的马德里(MAD)城市群、北美的IWI城市群、南美的圣保罗城市群、非洲的开普敦城市群和澳大利亚的新南威尔士州城市群。a、 六个选定地区的位置和城市发展。b、 每个地区极端SPEI和干旱严重程度变化率的空间分布和箱式图。变化率被定义为URB情景中干旱指标与NOURB情景相比的相对变化。积极的变化表明干旱指标因城市化而加剧。灰色背景是主要城市区域,虚线表示州和/或省边界。方框图中的变化率对应于灰色背景区域内计算的干旱指标。对于每个方框图,方框的中心线、下线和上线分别表示中位数和25%和75%的分位数。下限和上限表示最小值和最大值,其范围基于1.5×四分位数间距。

图3 |城市化对当地干旱影响的潜在机制示意图。a、 城市化如何通过气象和人为反馈影响干旱的潜在机制。上下箭头表示由于城市化而导致的变量的增加和减少。图中还显示了六个区域内每个变量的平均变化率(Ave.CR)。a中的树和建筑组件是通过vectorpocket和/或macrovector(Freepik.com)设计的。ET,蒸散量。b、 六个地区WRF模拟变量的变化率的箱图,包括相对湿度(RH)、VPD、温度、光降雨量、PET、潜热通量和显热通量。对于每个方框图,方框的中心线、下线和上线分别表示中位数和25%和75%的分位数。下限和上限表示最小值和最大值,其范围基于1.5×四分位数间距。

图4|基于月度SPEI的不同IPCC-AR6地区城市化对当地干旱发展影响的未来预测。中心地图显示了每个IPCC-AR6区域的位置和范围。对于每个子图,左轴分别显示了城市(蓝线)和农村(橙线)地区SPEI的时间变化。每月SPEI是根据三个HighResMIP模型的集合平均值计算。右侧面板中的条形图表示由Sen斜率计算的相应城市或农村序列的趋势。通过曼恩-肯德尔趋势检验的条形图用斜线表示。选定的IPCC-AR6区域包括北美洲西部(WNA)、北美洲中部(CNA)、北美东部(ENA)、中美洲北部(NCA)、中南美洲南部(SCA)、加勒比地区(CAR)、南美洲西北部(NWS)、南美国北部(NSA)、南美东北部(NES)、西南部南美洲(SWS)、南美季风(SAM)、南美东南部(SES)、北欧(NEU)、西欧和中欧(WCE)、东欧(EEU)、地中海(MED)、西非(WAF)、中非(CAF)、东非南部(SEASEASEASEAS)F)、南部非洲东部(ESAF)、西西伯利亚(WSB)、东西伯利亚(ESB)、西亚和中亚(WCA)、东亚和中亚(ECA)、东亚(EAS)、阿拉伯半岛(ARP)、南亚(SAS)、东南亚(SEA)、东澳大利亚州(EAU)和南澳大利亚州(SAU)。

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期刊信息

文章发表期刊:Nature Cities》(中科院1区Top期刊|最新IF50.5)

期刊周期:周刊

官方网址:https://www.nature.com/natcities/

投稿链接:https://mts-nature.nature.com/cgi-bin/main.plex


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