题目：Global Flash Droughts Characteristics: Onset, Duration, and Extent at Watershed Scales
期刊：Geophysical Research Letters
01 研究背景
干旱通常被描述为“蔓延的灾害”，因为其开始和结束时间具有不确定性，包括空间范围和时间跨度的广泛性。其中，突发干旱（Flash Drought，FD）较为典型，其特点是发生迅速，往往在几天到几周内加剧。与传统干旱相比，FD的特性使其预测和应对更具挑战性，尽管许多研究探讨了全球范围内气候因素对FD的影响，但少有研究深入分析流域尺度FD的具体情况。然而，流域是了解水收支、进行干旱风险评估和管理水资源的重要水文单位，在气候变化和人类用水需求日益增加的背景下，了解流域尺度FD的变化情况尤为重要。
基于此，Maheshwari等人（2024）在全球范围内，对气候因素驱动的FD特征以及全球流域尺度下干湿期的持续时间进行定量分析，主要关注FD特征的三个关键方面：开始时间、持续时间以及范围。
02 研究数据与方法
2.1 研究区域
该分析在全球范围内以流域尺度进行，流域边界来自 HydroSHEDS 数据库（http://www.hydrosheds.org），以深入了解 FD 特征的变化及其驱动因素。
2.2 研究数据
本研究主要关注暖季，即北半球的 4 月中旬至 9 月中旬，南半球的 10 月中旬至 3 月中旬。研究使用MERRA-2 提供的1980-2019 年逐小时，空间分辨率为0.5°×0.625°的根区土壤水分（RZSM）（m3/m3）、降水量（P）（mm/day）、总蒸散量（ET）（mm/day）、显热通量（SH）（W/m2）、潜热通量（LH）（W/m2）和 2m 气温（Tair）（K）数据。此外，还考虑了如湿润期长度（ P > 1 mm的连续天数）和干旱期长度（没有降水的天数）等因素。
2.3 突发干旱的识别
本研究基于Koster等（2019）的发现定义了FD，同时调整了FD发生的具体时间跨度，以适应不同地区的地理、气候和土地覆盖特征。研究重点关注FD的3个特征，分别为FD-Onset（开始时间）、FD-Dur（持续时间）、FD-Extent（范围）。其次，在特定位置“j”和一年中的给定日期“k”构建了RZSM累积分布函数（CDF）。该CDF基于1980-2019年的”k-6”、“k-3”、“k”、“k+3”和“k+6”天（即40年中每一年的5天）提取200个RZSM值，该方法能够捕捉到区域差异和季节变化。此外，使用五个额外的采样日期来提高数据质量，以减少估算RZSM百分位数时的噪声波动。
然后基于以下几个标准识别FD，并量化其特征：
（1）FD的识别：通过构建特定地点和特定日期的根区土壤湿度（RZSM）的累积分布函数（CDF）识别FD。CDF基于1980-2019年期间的200个RZSM值计算得到。为避免事件重叠，在给定年份内只考虑一个FD事件。
（2）FD的开始时间（FD‐Onset）：当RZSM从高于40百分位下降到低于20百分位，并且蒸发量（ET）从至少4/5的气候学蒸发量减少到3/5或更低时，识别为FD发生。
（3）FD的持续时间（FD‐Dur）：从RZSM下降至20百分位以下开始，直到再次上升超过20百分位为止的时间段，记为FD持续时间。
（4）FD的范围（FD‐Extent）：FD的格点数量相较于流域内总格点数量，记为FD范围。
通过对流域尺度上FD特征的40年时间序列进行线性趋势的综合分析，将趋势显著（p < 0.1）的流域称为热点区域。此外，研究还考虑了1980-2019年的气候变量（如平均温度、降水量、蒸发散等）的年均值和标准差，并利用变异系数（coefficient of variation，CV）量化这些变量在流域内的时空变异性，以评估它们对FD特征的影响。最后，使用Spearman相关系数（仅关注p < 0.1）评估流域尺度上气候变量与FD特征之间的相关性。
03 主要发现
3.1 FD的全球热点区域和时空变化趋势
FD平均发生时间在17.23~28.72天之间，而FD平均持续时间约为21.09天。FD的范围同时表现出空间扩张和收缩趋势（图1）。大部分流域的FD范围在扩大，而中亚地区的FD范围却在缩小。FD在南半球的扩张和加剧速度比北半球更快，持续时间也更长。平均而言，全球FD范围的扩张速度超过了减少速度，这一现象可以归因于降水量低于平均水平和气温异常升高，两者共同导致了RZSM迅速耗尽。而FD范围的缩小可能是由于平均降水量增加以及高海拔地区气温上升导致的融雪提前，改变了水文过程。其次，雨季平均持续时间在增加，但全球范围内降水量的平均值和标准差都显著减少，这表明可能没有足够的降水来充分渗透土壤和饱和RZSM，从而导致FD事件的发生。此外，全球干旱期的持续时间有所增加。
图1 全球流域FD范围的平均年变化率（%）（p < 0.1）。色条表示变化幅度，颜色越深表示变化越大。条形图表示每个区域的气候因素、干湿时长和FD特征之间的Spearman 相关性（p < 0.1）（以黑色突出显示）。条形的颜色对应于FD特征：红色：FD-Extent，橙色：FD-Dur，金色：FD-Onset。
南美洲的许多流域同时表现出三种FD特征，成为本研究的热点区域（图2）。FD发展速度平均每年增加约0.12天，持续时间每年增加约0.15天，特别是在巴西南部，其关键驱动因素主要包括降水不足、气温升高和湿润期缩短。非洲中部许多流域也同时表现出三种FD特征，这些区域可能正在进入一个长期的干旱阶段。FD在非洲的扩张受到多种因素的显著影响，包括平均降水量下降、降水量的标准差下降、平均气温和感热通量升高。中亚的一些流域，包括高山地区，如高山区亚洲、喜马拉雅山脉和天山山脉，FD范围显著减少。
图2 全球流域FD发生时间和持续时间的年平均变化率（p < 0.1）。上图和下图分别是以每年天数为单位的FD发生年平均变化率和FD持续年平均变化率。色条表示变化幅度，颜色越深表示变化越大。
3.2 气候和土地覆盖类型下的 FD 特征
在30个Köppen气候类型中，热带湿润草原（Aw）、温带海洋性（Cfb、Cfc）和地中海气候（Csb）覆盖地区表现出显著的FD特征变化（表1）。热带湿润草原（Aw）气候类型的FD范围扩张最为显著，年均增长率约为0.6%，这与该地区湿润和半湿润气候条件有关，容易受到FD的影响。其他受影响的气候类型包括热带季风气候（Am）、亚热带湿润气候（Cfa）和温带海洋性气候（Cfb）。
在15个国际地圈-生物圈计划（IGBP）土地覆盖类型中，常绿阔叶林（EBF）覆盖地区同时表现出三种FD特征，FD范围每年扩张约0.39%。其他受影响的土地覆盖类型包括封闭灌木地、稀树草原、草地和农田。稀树草原的FD范围在扩张，而其他草地的FD发展速度更快，持续时间更长。
表1 不同气候/土地覆盖类型评估的突发干旱特征（FD-Onset、FD-dur 和 FD-Extent）的年平均变化率（p < 0.1）
3.3 提高对FD的早期预警系统
本研究根据1980-2019年的气象变量数据以及对历史FD的记录绘制了一张全球流域脆弱性地图，这些流域容易发生FD并表现出一种或多种 FD 特征（图3）。其中包括中美洲、欧洲、澳大利亚东南部、巴基斯坦和中非在内的许多地区，已经经历了与干旱相关的事件，如山洪暴发、极端高温和野火。此外，南半球的流域，如南非和南美洲，更易受到FD的影响，并表现出多种FD特征。相比之下，北半球流域大部分地区只表现一种FD特征，这种差异表明，在FD发生时，南半球的流域可能更加脆弱。
图3 全球流域的脆弱性，确定出现一种或多种突发干旱特征（FD-Onset、FD-Dur 和 FD-Extent）的流域。
04 主要结论
（1）南美洲流域FD正在扩张和加剧，主要受气温升高和降水减少的双重影响；中非流域FD特征与南美洲流域类似，但气温升高的影响更为显著；相反，中亚流域对FD的响应复杂，主要由于降水的显著增加。
（2）气候条件和干湿期的长度显著影响FD范围，这一规律体现了流域内的地球物理连通性。南半球流域的FD扩张速度和持续时间均超过北半球，反映出降水和温度模式的变化。
（3）湿润和半湿润气候对FD表现出高度敏感性，而EBF和草原等土地覆盖类型表现出FD的3个特征，突显了它们在长期干旱条件下的脆弱性。
05 引发思考
本研究基于特定的FD定义和MERRA-2数据集，在全球流域尺度上识别FD的热点区域，分析了FD的特征和变化趋势，评估了不同气候和土地覆盖类别对FD的影响。研究结果为FD高风险地区的早期预警提供了支持，基于历史数据绘制的脆弱性地图有助于识别易受FD和复合灾害影响的地区。此外，研究指出FD识别在不同数据集和定义下具有可扩展性，这一观点或将成为未来相关领域的研究重点。
编者注
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原文出处
Neelam, M., & Hain, C. (2024). Global flash droughts characteristics: Onset, duration, and Extent at watershed scales. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL109657. https://doi.org/10.1029/2024GL109657
参考文献
Koster, R. D., Schubert, S. D., Wang, H., Mahanama, S. P., & DeAngelis, A. M.(2019). Flash drought as captured by reanalysis data: Disentangling the contributions of precipitation deficit and excess evapotranspiration. Journal of Hydrometeorology, 20(6), 1241–1258. https://doi.org/10.1175/jhm-d-18-0242.1
文字来源：王锐婕
图片来源：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com
编辑：王锐婕
审核： 罗楚玉 陈盈
