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2024年10月，中国地质大学（武汉）顾西辉教授团队在Journal of Geophysical Research: Atmospheres期刊发表了题为“Anthropogenic exacerbation in dry-hot probability and consequential record-shattering droughts in the middle and lower reaches of the Yangtze River”的学术论文（https://doi.org/10.1029/2024JD041603）。
在2019年8月至11月期间，长江中下游地区经历了持续的干热气候（高温与少雨并存），引发了破纪录的“伏秋连旱”事件，造成了严重的农业和经济损失。然而，人为气候变化对该地区干热事件发生概率的影响，及其如何影响“伏秋连旱”的发生仍不明确。基于此，本文利用基于观测数据、高分辨率的大样本集合和第六阶段耦合模式比较计划（CMIP6）模式模拟数据，采用自校准帕默尔干旱指数（scPDSI）和表层土壤湿度（SSM）评估干旱的严重程度，探讨人为气候变化背景下，长江中下游地区的“伏秋连旱”对20至21世纪动态变化干热条件的响应。
研究结果表明，从1901–2000年到2001–2020年，极端干旱发生的概率从18%增至35%，而干旱与低降水同时出现的概率则从57%上升到75%。然而，两时期低降水的发生概率稳定在约20%左右（图1）。基于此，推测高温在干旱概率变化中起到了关键作用。研究发现，高温与干旱同时发生的概率在这两个时段分别为33%和100%，高温事件本身的发生概率则从36%增至90%，导致干热事件发生的总体概率从15%上升到45%（图1）。这一结果表明，高温的增加显著提高了低降水向干旱转化的可能性。
图1 基于观测的近地表气温、降水、自校准帕默尔干旱指数和表层土壤湿度的标准化异常值
进一步分析长江中下游夏秋季节气温与降水的耦合关系及其变化，结果显示气温与降水之间呈显著负相关。对比两个时期的差异可以发现，过去20年高温与低降水事件的耦合概率明显增加（图2）。在此基础上，结合scPDSI和SSM指标，构建了降水、气温与干旱的三维耦合关系。结果表明，干旱的分布已从主要位于降水负距平象限转移至干热象限，干热象限的干旱分布概率由33.3%增至85.7%。CMIP6模型模拟数据提供了更多样本支持，两个时期在干热象限中的分布概率分别由44.3%增至73.4%，进一步验证了观测结果的可靠性（图3）。这一结果揭示了在气候变暖背景下，高温与低降水事件的同步性增强了长江中下游地区夏秋季节干旱事件的发生概率。
图2 1901–2020年长江中下游夏秋季节降水与气温的关系及其变化
图3 1901–2020年长江中下游“伏秋连旱”的发生与降水和气温的关系
在观测到干热概率增加的基础上，本研究利用大样本集合数据及CMIP6不同强迫情景的模拟数据，评估了人为气候变化对干热概率的影响。结果显示，人为气候变化导致了1901–2020年长江中下游8–11月降水的减少和气温的增加，使干热事件的发生概率呈上升趋势（每世纪增加17%；图4）。通过概率乘法因子分析历史时期（1961–2020年）与未来时期（2041–2100年）干热事件的依赖性变化，研究发现，在高排放情景下，未来时期的概率乘法因子是历史时期的5.5倍，表明未来干热条件的依赖性显著增强（图5）。在未来高排放情景下，设置4个不同等级的干热条件（轻度、中等、极端和异常）。分析表明，轻度和中等干热条件的发生概率有所减少，而极端和异常干热条件的概率则分别以每世纪11%和10%的速率增加，且干热条件最终趋向于与干旱条件重合（图6）。这一结果表明，在高排放情景下，未来长江中下游地区的干热事件强度将进一步加剧，极端和异常事件的发生概率显著提升。
图4 人为强迫对长江中下游降水、气温和干热概率的影响
图5 模拟的干热依赖性（概率乘法因子）在1961–2020年和2041–2100年两时期对比
图6 未来（2015–2100）不同等级的干热条件变化预估
为厘清高温和低降水在干旱形成中的具体作用，本文分别计算了二者的附加影响量（图7）。在相同等级的干热条件下，未来时期引发的干旱程度显著高于历史时期（1961–2020年：–1SD，2041–2100年：–1.56SD）。相比之下，仅考虑高温的附加影响远小于仅考虑降水的附加影响，且高温的附加影响呈减弱趋势（1961–2020年：–0.1SD，2041–2100年：–0.001SD），而低降水的附加影响则由–0.54SD增至–0.91SD。这说明了低降水在干旱形成过程中起主导作用，且未来随着高温事件发生概率的增加，干旱对低降水条件的敏感性进一步增强，即在未来相同强度的低降水将引发更严重的干旱事件（图7）。
图7 “伏秋连旱”对干条件、热条件和干热条件的响应
图8 1961–2020年和2041–2100年长江中下游地区极端干、热和干热概率的空间变化
以2019年“伏秋连旱”事件的状态作为高温、低降水和干旱的阈值进行分析，评估了未来超过2019年“伏秋连旱”事件的再现概率。结果表明，与1961–2020年相比，2041–2100年热条件的发生概率急剧上升（由0.73%增至91.6%），干旱条件的概率也显著提升（由0.68%增至1.25%），干热条件的联合概率随之大幅增加（从0.05%增至1.22%，图8）。这些干热条件概率的上升，使得再现或超越2019年“伏秋连旱”事件的总体概率从历史时期的1.59%提高至17.82%（图9）。当发生与2019年同等级的干旱事件时，气温的平均偏差由历史时期的0.5SD增至未来的7.48SD，而降水的平均偏差则从-0.76SD增加至-0.19SD。这一结果表明，在未来气温显著上升的背景下，即便降水负距平相对较小，仍可能引发与2019年同等级的严重干旱事件。这说明未来气温的快速上升将显著提高干旱事件对降水负距平的敏感性，使得极端干旱事件在较轻微的降水不足条件下更易发生。
最后，本文采用10年为窗口估算了20–21世纪干条件、热条件和干旱的发生概率。结果显示，20世纪热条件和干条件的平均发生概率分别为0.1%和1.1%，而进入21世纪后，热条件的发生概率显著上升至66.3%，干条件的发生概率也略微增加至1.9%。这种变化导致干热条件在20世纪几乎不存在，但在21世纪出现，并达到1.45%。这一趋势意味着整个21世纪内再次发生或超过2019年“伏秋连旱”事件的概率达14.9%，而到本世纪最后十年，这一概率将进一步上升至44.8%（图9）。这表明，在气候变暖的背景下，未来发生极端干热事件的风险显著增加，可能对长江中下游地区的生态系统和社会经济造成深远影响。
图9 20–21世纪与2019年同等级的“伏秋连旱”发生概率的变化及其干热特征
中国地质大学（武汉）环境学院大气科学系2020级博士生冯舒云为论文的第一作者，中国地质大学（武汉）顾西辉教授为通讯作者。论文作者还包括中国地质大学（武汉）硕士生管延松，墨尔本大学王全君教授，中山大学郑炎辉博士，中国地质大学（武汉）王伦澈教授、张翔教授和孔冬冬副教授。
图文：冯舒云
编辑：冯舒云
审核：管延松
