骤旱发生的全球分布、趋势和驱动因素

文摘 2024-05-03 21:12 四川

论文信息

英文：Global distribution, trends, and drivers of flash drought occurrence

中文：骤旱发生的全球分布、趋势和驱动因素

期刊：Nature Communications

作者：Jordan I. Christian, Jeffrey B. Basara, Eric D. Hunt, Jason A. Otkin, Jason C. Furtado, Vimal Mishra, Xiangming Xiao & Robb M. Randall

引用格式：Christian, J.I., Basara, J.B., Hunt, E.D. et al. Global distribution, trends, and drivers of flash drought occurrence. Nat Commun 12, 6330 (2021).

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26692-z

Abstract

摘要

骤旱的特征是在一段时间内干旱迅速加剧，对农业、水资源、生态系统和人类环境产生影响。应对这些挑战需要对骤旱的发生有一个基本的了解。本研究通过蒸发胁迫异常和标准化蒸发胁迫比，识别了1980-2015年全球骤旱热点地区。骤旱热点地区包括巴西、萨赫勒地区、东非大裂谷和印度，美国中部、俄罗斯西南部和中国东北部地区也有显著的局部热点区。在研究期间，15个研究区域中有6个区域经历了统计上显著增加的骤旱。相比之下，三个研究区的干旱频率显著下降。最后，研究结果表明，需要开展多种途径的研究，以进一步了解骤旱的区域驱动因素以及骤旱与社会经济影响之间的复杂相互作用。

研究背景

骤旱是一种重要的亚季节性现象，对农业、经济和社会构成多方面的挑战。由骤旱所带来的陆地表面迅速干燥，农业部门可能受到破坏，并因作物产量下降和牲畜生产减少而遭受重大经济损失。干旱的迅速加剧会对环境造成过度的蒸发胁迫，从而严重影响生态系统，并导致具有连锁响应的复合极端事件，如野火发生风险增加、水资源枯竭、空气质量下降和粮食安全下降等。

由于骤旱影响广泛，并且与亚季节相关的预测较难，科学界提出的一个关键问题是要提高对骤旱事件的认识。因此，研究人员开展了改进骤旱检测、评估和监测的研究。此外，在美国、巴西、非洲南部、西班牙、俄罗斯西部和澳大利亚都发生了骤旱。在这些区域研究的基础上，下一个关键步骤是量化骤旱的全球分布、季节性频率、发生趋势以及其发展的驱动因素。

虽然以往通过案例研究和区域分析在骤旱研究方面取得了一定的进展，但仍存在一个关键的科学问题：全球哪些区域最容易发生骤旱？为了解决这一问题，本研究基于1980-2015年的四个全球再分析数据集确定了骤旱事件的空间分布。研究结果揭示了基于再分析的骤旱发展热点共识最强的区域、骤旱发生频率的季节特征、骤旱空间覆盖的变化趋势以及骤旱发生的相关驱动因素。在此基础上，讨论了全球骤旱热点的影响，包括驱动骤旱加剧的可能物理机制以及与骤旱加剧带来的社会影响。

研究数据与方法

图1 研究数据与方法

利用4个全球再分析数据集生成骤旱特征的时空复合数据。这四个数据集包括MERRA、MERRA-2、ERA-Interim和ERA5。再分析数据集的选择依据是其对用于突发干旱分析的关键地表变量的全球覆盖范围、对卫星时代的时间关注以及它们对陆地和大气耦合模型的纳入。每日ET和PET分别来自1980 - 2015年的四个全球再分析数据集。每日PET是从使用粮农组织Penman-Monteith方程的每个再分析数据集得出的。蒸发胁迫比(ESR)的日值由日ET与PET之比计算。在每个网格点计算和标准化 ESR 的平均值，以计算标准化ESR(SESR)，此外还需要进行SESR时间变化的标准化。

研究结果

第一部分：Global flash drought occurrence

全球骤旱的发生

图 2 土地覆盖类型和骤旱发生情况。a 2015年MODIS第6版使用国际地圈-生物圈计划分类给出了土地覆盖类型（MCD12C1）。b来自四个再分析数据集的平均旱灾频率表示为1980年至2015年发生旱灾的年份百分比。黑色轮廓表示图中用于时间分析的领域。

分析：

在研究方法部分中的ET是指实际蒸发蒸腾量，PET是指潜在蒸发蒸腾量，两者可用于标准化蒸发胁迫比SESR的计算。实际蒸发蒸腾量是指在实际情况下地表的蒸发蒸腾量，潜在蒸发蒸散量是指在无限水资源条件下地表可能达到的最大蒸发蒸散量。SESR代表环境的整体蒸发胁迫。当土壤湿度充足、表面温度和蒸汽压较低、天空多云时，整体蒸发胁迫SESR变为正值。相反，当土壤水分耗尽、表面温度和蒸汽压增加、天空晴朗时，整体蒸发胁迫SESR变为负值。整体蒸发胁迫SESR类似于蒸发胁迫指数（ESI），其中两个指数都是通过ET和PET的比值计算出来的，然后进行标准化。然而，SESR主要通过基于再分析的变量得出，而ESI则通过卫星观测得出。

对SESR进行计算后，还需通过一种综合性的旱灾识别方法进行处理，该方法结合了与干旱快速加剧和影响相关的多个标准，其结果可以展示全球骤旱的发生情况。

如图2中显示，全球骤旱发生频率最高的区域位于热带和亚热带地区，在1980-2015年间有30-40%的年份发生过骤旱，包括巴西、萨赫勒地区、东非大裂谷及印度的很大一部分地区。这4个主要区域中有3个区域的突发干旱变异系数小于0.3，说明在四个分析数据集之间存在很好的一致性。其他位于热带地区的、骤旱发生比较少但也很显著的区域包括墨西哥中部、印度支那半岛和澳大利亚北部，在研究期内的20~ 30%的年份都有骤旱发生。这些区域中，各数据集只在印度支那半岛和澳大利亚北部有很好的一致性（变异系数小于0.3）。中纬度地区的美国中部、伊比利亚半岛、小亚细亚、俄罗斯西南部、中国东北部，骤旱的发生率为10-20%，区域的变异系数较高（0.3~0.6之间）。

第二部分：Temporal flash drought characteristics

骤旱时序特征

图 3 每月骤旱发生情况。地图上用黑色标出的每个领域的四个再分析数据集（黑线）的平均闪电干旱发生率的月分布。绿色阴影区域表示四次重新分析之间的可变性（标准偏差）。

分析：

骤旱的发生、及其发生的时间是农业影响的一个关键组成部分，因此本团队对于全球干旱热点地区和作物种植广泛的地区的旱情月分布情况做出了一定的研究。

该研究区域是在全球热点地区选择的，这些地区在研究年份中有30%以上发生了骤旱。这些地区包括巴西、萨赫勒、东非大裂谷和印度。对其他研究区域进行了研究，其中区域最大骤旱频率超过15%，包括美国中部、墨西哥中部、伊比利亚半岛、小亚细亚、俄罗斯西南部、中南半岛、中国东北部和澳大利亚北部。

为了量化部分地区的旱灾季节性，对另外三个地区也进行了调查，如热带雨林，也就是本次研究的亚马逊，南半球中纬度地区，如阿根廷和澳大利亚东南部。在所分析的15个地点中，有8个都是地区性骤旱发生率最高的地区，也是主要农业生产地区，农田面积至少占给定领域总土地面积的20%。这些地区包括美国中西部的玉米带、伊比利亚半岛的大麦生产区、俄罗斯西部的小麦带、小亚细亚的小麦生产区、印度和中南半岛的水稻生产区、中国东北部的玉米生产区以及萨赫勒的小麦和高粱生产区。另外两个地区不一定是当地骤旱热点，但却是重要的农业地区。这些地区包括玉米和小麦生产区横跨阿根廷的潘帕斯和澳大利亚东南部。

在所分析的15个地点中，有8个都是地区性骤旱发生率最高的地区，也是主要农业生产地区，农田面积至少占给定领域总土地面积的20%。这些地区包括美国中西部的玉米带、伊比利亚半岛的大麦生产区、俄罗斯西部的小麦带、小亚细亚的小麦生产、印度和中南半岛的水稻生产区、中国东北部的玉米生产以及萨赫勒的小米和高粱生产。另外两个地区不一定会出现当地骤旱热点，但却是重要的农业地区。这些地区包括玉米和小麦生产横跨阿根廷的潘帕斯和澳大利亚东南部。对于每个地区，骤旱事件按干旱迅速发展开始的月份划分。每个月发生的频率按每个月对该地区每年突发干旱总发生贡献的百分比计算。对热带和亚热带地区，期末调查了突发干旱的全年发生情况；对中纬度地区，调查其在主要发生季节的情况（北半球为3到10月，南半球为9到4月）。

对于北半球中纬度的大多数地区，骤旱的季节性是很明显的。对美国中部、俄罗斯西南部和中国东北部来说，最有可能发生骤旱的季节在在5月至7月之间。伊比利亚半岛和小亚细亚地区则是例外。伊比利亚半岛的突发干旱高峰在6月和9月，小亚细亚地区则在整个生长季都频率增加。南半球突发干旱发生频率的每月分布与北半球不同。比如阿根廷的农区突发干旱每月都有不同，而澳大利亚则在生长季节接近尾声时出现峰值。热带和亚热带地区的突发干旱季节性也很明显，其发展模式阶段取决于它们所在的半球。

第三部分：Changes in spatial coverage of flash drought

骤旱的空间覆盖变化

图 4 骤旱发生趋势。平均骤旱的空间覆盖率(百分比)来自四个再分析数据集(黑线)，地图上用黑色标出的每个域。绿色阴影区域代表四次再分析之间的变异性(标准差)，较粗的蓝线代表骤旱空间覆盖的趋势线。用红色突出显示的p值是使用Mann-Kendall检验在90%置信水平上的统计显著趋势。

分析：

为定量分析突发干旱随时间的空间覆盖情况，本次研究计算了每个区域每年骤旱的空间覆盖情况，对每个时间序列应用Mann-Kendall检验，以确定每个区域每年突发干旱覆盖的变化趋势是否显著。

结果表明，15个研究区域中，有6个区域的突发干旱覆盖面积呈明显上升趋势(p < 0.1)，有2个区域呈明显下降趋势(p < 0.1)。各区域的变化幅度也各不相同（图3）。比如，美国中部和伊比利亚半岛骤旱的空间覆盖发生了适度变化(~4%)，并呈现出具有统计学意义的趋势。相比之下，小亚细亚、印度、萨赫勒地区的突发干旱覆盖情况变化幅度较大，在36年间变化了14~26%。

需要指出的是本研究给出的仅仅是位于1980-2015之间36年的变化趋势情况，并不代表这些趋势可以扩展至将来。此外，由于研究周期相对较短，分析中揭示的显著趋势也可能包含在气候的内部变化中，并可能随着较长的记录周期而变化。

第四部分：Drivers of flash drought development

骤旱发展的驱动因素

图 5 快速干旱发生的驱动因素。地图上以黑色标出的每个域的四个再分析数据集中出现SPI异常(SPI ≤- 1)、PET异常(PET ≥ 1)、SPI和PET异常(SPI ≤- 1和PET ≥ 1)以及SPI或PET异常(SPI ≤- 1或PET ≥ 1)的骤旱事件的百分比。黑色虚线代表所有四个再分析数据集之间的平均值。

分析：

骤旱有两个关键驱动因素：降水的严重缺乏和蒸发需求的增加。当一段较长时间内(例如几个星期)出现降水不足时，土壤水分因蒸发蒸腾作用而枯竭，从而增加蒸发胁迫和陆地表面干燥的可能性。此外，持续的大气条件可以通过增加日照和蒸汽压差放大地表的蒸发需求，从而增加蒸发蒸腾胁迫。虽然已知降水不足和正PET异常共同促进了骤旱的发生，但每种驱动因素对快速干旱加剧的相对贡献暂时是未知的。

图 6 骤旱的驱动因素

为了量化大量的降水和异常的PET对骤旱发展的贡献，该研究对15个研究区域内每个骤旱事件时段的标准化降水指数和标准化PET异常值进行计算，并确定了骤旱期间发生的图5右下角所示的异常频率情况。

在15个研究区域的骤旱事件中，大规模正蒸发需求异常导致的发生率与大规模降水亏损导致的发生率相近（SPI为33%，PET为31%）。也就是说两个驱动因素的贡献是差不多的。而骤旱发生的主要驱动因素在全球各地各不相同。例如在欧洲的三个调查区，PET异常导致的骤旱较多，而在美洲的几个调查区，SPI异常为骤旱发生的主要因素。除了降水不足和蒸发需求增加对骤旱发展的个别贡献外，还研究了15个研究区域低于平均水平的降水和高于平均水平的PET的共同贡献。在所有研究区域中，约有20%的骤旱事件在骤旱发展过程中同时表现出较大的降水不足和PET异常。北半球和南半球的大多数中纬度研究区域在骤旱期间同时发生SPI和PET异常的频率相对较低（5-16%，不包括美国中部），而热带和亚热带地区的频率明显较高（20-34%）。

讨论

⚫通过对干旱快速发展的气候学分析，揭示了全球骤旱发展的优先区域。

⚫在暴发性干旱分析中，用于确定植被影响的关键水文变量是土壤湿度。

⚫骤旱的发展是由降水不足和高于平均水平的蒸发需求同时发生所驱动的。在SPI和PET大异常贡献率较低的地区，土壤类型和土地覆盖类型可能会增加骤旱发展的复杂性。

⚫造成全球骤旱热点地区优先发生的几个因素有：

⬛ 陆-气耦合在骤旱发展中的作用

⬛ 反气旋

⬛ 气候特征会影响骤旱事件的空间分布

⚫降雨量年际变率相对较高的地区也有增加骤旱风险的趋势。

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