题目：Anthropogenic climate change has reduced drought recovery probabilities across the western US
期刊：Communications Earth & Environment
01 研究背景
长期干旱会对生态系统造成损害，并减少流域和市政供水的水量。因此，水资源管理者需要探究了解干旱可能持续时间，或在某一特定日期前恢复的概率，以便做出更好的管理决策。而评估干旱持续时间，以及应对干旱影响的措施，旨在确定在特定时间内干旱恢复概率（PDR）。
过去二十年，由于自然可变率和人为气候变化的共同作用，美国西南部经历了异常且持续的干旱。有研究将该地区干旱开始的快速加剧以及干旱整体严重性的增加归因于人为气候变化。其他研究使用模型预测了由于人为气候变化，干旱的频率和持续时间将增加。但目前学界尚未有研究探讨气候变化是否以及如何影响了干旱发生后观察到的PDR。
基于此，Williams等人（2024）基于自校准帕尔默干旱严重指数数据（scPDSI），分析了1901–2021年美国西部干旱恢复概率变化，并结合观测数据和耦合模型相互比较项目第6阶段（CMIP6）模式数据，通过将历史数据和无人为气候变化的反事实数据对比，研究量化了人类活动对干旱恢复的影响。
02 研究数据与方法
2.1 研究数据
研究采用来自耦合模型相互比较项目第6阶段（CMIP6，https://esgf-node.llnl.gov/search/cmip6/）的23个气候模型（表1）的历史（1850–2014）和未来强迫试验（SSP2-45），变量为降水（pr）、最低和最高温度（Tmin、Tmax）、风速、比湿（SH）和向下短波辐射。采用Penman-Monteith方法计算每月观测和基于模型的蒸散量（ETo）和帕尔默干旱严重指数（scPDSI）。
此外，采用了大气环流模式（GCM）数据，从而增加样本量并用来说明气候变化对变率的影响。通过将观测数据减去基于GCM的多模式平均趋势来创建反事实观测数据，从而捕捉没有人为气候变化的平均情况。
表1 CMIP6中使用的模型和相应数量的集合成员
2.2 创建试验数据
通过将每个月scPDSI的值初始化为-4，并在随后的24个月中使用每个流域的观测和反事实ETo和降水数据的空间平均值，运行独立的scPDSI创建试验数据集。还需要将土壤湿度初始化为每个月度数据的第2百分位数。这种方法不仅增加了干旱观测的样本量，从而提供统计上更稳健的样本，而且还控制了干旱的程度。
2.3 计算干旱恢复
定义每个月的干旱和干旱恢复分别为低于第10百分位数和高于第30百分位数。这遵循美国干旱监测（USDM）的百分位中断：低于第10百分位数对应于严重（D2）至异常（D4）干旱，而超过第30百分位对应于无干旱。为了评估阈值选择相关的不确定性，还使用两种不同的干旱和恢复定义阈值，重新计算了基于模型数据的PDR。
在本研究中，定义干旱恢复为在目标月份内达到非干旱状态（例如，对于第18个月的PDR，指的是在第18个月恢复，而不是在第18个月之前恢复）。为了计算特定月份（mt）的PDR，首先将数据筛选为所有处于干旱状态的日期（m0），以及随后24个月内的数据。在此基础上统计各月份是否仍处于干旱状态（scPDSI<干旱恢复定义）或已脱离干旱状态（scPDSI>=干旱恢复定义）。随后，通过对二元结果进行求和并将其除以干旱实例的总数，计算出原始概率。
使用了多种统计检验来确定显著性。首先，为检验观测数据中观察到的轨迹和反事实轨迹之间的显著差异，使用了McNemar检验。为比较观测和试验数据中历史轨迹和近期轨迹的差异，对干旱后每个月份的scPDSI值分布进行了t检验。两个检验均使用p值<0.05作为显著性的判定标准。最后，为了利用基于模型的数据比较历史轨迹和近期轨迹的显著性，通过对23个模型的PDR值进行自助法（bootstrapping）计算了95%置信区间（CI）。如果近期轨迹的平均PDR值超出了每个模型历史轨迹CI的范围，则定义为显著性差异。
为了确定恢复所需的月份，统计了初始干旱条件满足后的24个月内的scPDSI值。如果在这24个月内未发生恢复，则将该值设定为25。
03 主要发现
3.1 气候变化导致干旱恢复的可能性降低
结果显示，在过去二十年间，美国西部大部分地区的干旱恢复速度较前几十年更慢（图1）。观测数据中历史（1901–1980年）的五个区域在严重干旱后18个月的PDR为44%–65%，其中最高的是上科罗拉多河流域（UCB）和下科罗拉多河流域（LCB），而太平洋西北地区（PNW）的PDR最低（图1）。PNW历史PDR较低主要反映了该地区在1920–1930年代经历的异常持久的干旱（图2）。因此，由于内部变率的影响，在近期（2000–2021年），PNW的PDR变化不明显。然而，观测数据显示，2000–2021年间，其他区域在第18个月的PDR（30%–47%）显著低于1901–1980年（56%–65%）。这些结果表明，由于试验轨迹中的干旱初始强度相同，PDR的下降与干旱的初始严重程度无关。
排除气候变化的一级影响的反事实模拟表明，PDR的减少部分是由于气候变化（图1，顶部和中间行）。在西南部流域，18个月时观察到的PDR下降的三分之一到全部可以通过人类活动引起的气候趋势来解释。对于PNW和加利福尼亚（CA），尽管气候变化的贡献在试验轨迹的某些部分是统计显著的，但其贡献较低。
在过去一个世纪中，严重干旱后18个月的PDR显示了观测数据中的显著多年代际变率，以及最近几年干旱恢复减缓的趋势，所有地区在2000年后PDR较低（图2）。基于气候模型的PDR平均估计显示，所有地区在最近几十年PDR有所下降。对于每个模型，估算了气候变化信号从内部变率中显现的出现时间（Time of Emergence，ToE）。基于模型的中位数ToE对于CA、PNW和LCB最早，范围为1980至1995年，早于图1中最近的时间段（2000–2021年）。
图1 使用观测数据（上）、试验数据（中）和基于模型的数据（下）的干旱恢复概率（PDR）。水平灰线表示基于干旱恢复定义的无条件概率。概率表示干旱发生后若干个月内的恢复情况。在观测和实验图表中，星号表示具有统计显著性差异（p<0.05）的结果：红色星号表示观测轨迹与反事实轨迹之间的显著差异（McNemar检验）。黑色星号表示历史轨迹（1901–1980年）与近期轨迹（2000–2021年）之间的显著差异（t检验）。底部图表显示了多模型平均PDR估算值。历史轨迹与近期轨迹之间的统计显著性差异以黑色星号表示，显著性定义为近期轨迹的多模型平均值落在历史轨迹均值的95%置信区间之外。
图2 满足严重干旱条件后18个月的PDR时间序列。概率使用每5年更新一次的滑动21年窗口显示，窗口以目标年份为中心（例如，1950年的窗口为1940–1960年）。水平灰线表示1900–1980年的多模型平均干旱恢复概率（PDR）。对于观测数据（棕色），仅包含具有足够干旱实例数量（n≥15）的窗口。使用观测数据的试验得到的PDR用绿色表示，CMIP6模型的PDR用黑色表示。黑线和灰色区域分别表示多模型平均值及其95%置信区间。红线及其阴影区域表示基于气候模型输出的中值出现时间（Time of Emergence，ToE）。
3.2 PDR的减少由非冬季ETo增加所驱动
在每个地区，气候变化导致的模拟PDR在非冬季月份的恢复速度变慢，主要是由于ETo的增加（图3）。除了格拉兰贝流域（GB）之外，至少四分之三的模型表明春季（AMJ）和/或夏季（JAS）月份的恢复速度放缓。例如在CA，与历史时期相比，近期夏季基于模型的PDR中位数变化每月慢约1.5个百分点（或整个季节慢约4.5个百分点，图3）。模型显示，所有地区的非冬季月份ETo都有显著增加，这是图3所示简单水文平衡（P-ETo）下降的主要原因。结果表明，非冬季月份PDR变慢主要是由人类活动导致的ETo增加所驱动。
图3 箱形图展示了历史（1900–1980年）和近期（2000–2040年）轨迹之间每月PDR异常变化（Δ（PDR异常）/Δ（月份））。每月值按季节（JFM、AMJ、JAS、OND）进行分箱。箱体的上下边界表示23个CMIP6模型的四分位数范围。负值表示历史时期干旱恢复概率的月增长速度比近期更快。p值表示冬季和夏季之间差异的统计显著性。棕色箱形图表示当代时期各模型的P-ETo气候异常值。
3.3 干旱恢复所需时间增加
通过基于模型的数据展示了在UCB、LCB、PNW和CA地区，现在干旱恢复所需的时间平均延长了约1至4个月（图4）。模型表明，在历史气候（1901–1980年）下，严重干旱后大约需要一年时间恢复，而在近期气候（2000–2040年）下，平均需要13至16个月（图4）。对于除GB外的所有地区，恢复时间延长是显著的（t检验p值<0.05），23个模型中的15至21个显示干旱恢复时间更长。
图4 使用基于模型的数据，计算历史时期（1901–1980年）和近期（2000–2040年）达到干旱恢复所需的月份数。对于每次模拟，取每次干旱的恢复中位数月份，并从中得出多模型中位数。如果恢复在24个月内未发生，则该值设定为25。箱形图展示了23个CMIP6模型的四分位数范围。
04 主要结论
（1）干旱恢复概率减少，近几十年（2000–2021年）干旱恢复的概率比历史（1901–1980年）低约25–50%。
（2）至少三分之一的恢复概率降低可归因于人为气候变化。气候模型集合显示，由于气候变化的蒸发需求增加，干旱恢复时间增加了约1–4个月。
（3）干旱恢复的减缓主要发生在春季和夏季，这段时间蒸发需求显著增加。随着气候进一步变暖，未来干旱恢复概率将继续下降。
05 引发思考
本研究采用多线证据法，即采用观测数据、试验数据和模型模拟数据的结合分析，提供了多种角度下对气候变化影响的分析。通过构建无气候变化的反事实数据，更精准地量化人为气候变化对干旱恢复减缓的贡献。
编者注
以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以原文为主。
原文出处
Williams, E.L., Abatzoglou, J.T., Hegewisch, K.C. et al. Anthropogenic climate change has reduced drought recovery probabilities across the western US. Commun Earth Environ 5, 546 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01640-z
文字来源：张煦雯
图片来源：https://www.nature.com/
编辑：张煦雯
审核：谷天顺 周海轩
