题目：Severe and long-lasting meteorological drought events develop from precipitation deficits of mixed continental and oceanic origin
期刊：communications earth & environment
01 研究背景
干旱是最具破坏性的水文气候灾害之一，影响着环境系统和社会经济。降水不足是推动干旱发生和加剧的最重要因素，受到许多物理过程的影响，比如大气环流和热力学过程等，它们共同作用导致陆地降水的形成。陆地降水的水汽来源大部分来源于海洋，少部分来自陆地。无论源自海洋还是陆地的水汽输送不足都在沿海地区和大陆内部造成了明显的局部效应，但对于地球表面的大部分区域而言，海洋和大陆降水源降水不足对干旱事件的影响仍然不明确。
基于此，Vicente-Serrano（2024）等人对1980-2018年间的全球气象干旱事件进行了分类，利用拉格朗日粒子扩散模型追踪导致干旱的降水不足的来源，进一步研究了海洋和大陆降水不足对全球气象干旱事件的影响。
02 研究数据与方法
2.1 研究数据
本研究使用来自欧洲中期天气预报中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF）的ERA-Interim再分析数据（http://apps.ecmwf.int/datasets），该数据集提供了1980-2018年的全球气象数据，水平分辨率为1°，垂直高度共61层。
在数据处理方面，研究使用了Nieto和Gimeno基于ERA-Interim再分析数据和拉格朗日方法生成的月尺度海洋降水和陆地降水数据（https://doi.org/10.5281/zenodo.4550857）。此外，研究还采用了基于ERA-Interim再分析数据的FLEXPART v9.0模型，对大约200万个气团进行了后向追踪，从而将陆地降水按其来源分为了海洋降水和大陆降水两部分。
2.2 全球气象干旱事件的识别
研究采用代表陆地总降水量及其海洋降水和大陆降水的三个降水序列，在3个月时间尺度上为每个陆地格点分别创建3个版本（即基于陆地总降水量、海洋降水和陆地降水）的标准化降水指数序列（SPI）。为了识别干旱事件，使用了基于总降水量的SPI指数。SPI-3值低于-1.28被用作确定干旱事件发生的标准。当特定月份的SPI-3降至-1.28以下时，认为该网格单元受到干旱影响。-1.28对应于SPI指数的第10百分位数，即在任意的3个月期间，观测到的SPI值低于-1.28的概率是10%。在任意的10年期间，至少有10%的SPI-3值会低于-1.28，代表在该周期内至少发生一次严重的干旱事件。
2.3 三维分割算法
基于1980-2018年干旱事件的空间范围、持续时间和强度，本研究使用三维分割算法细分干旱事件。三维分割算法采用结构化方法来识别这些连贯的空间-时间结构。具体而言，算法通过分析经度、纬度和时间三个维度的数据，找出在特定时间段内SPI值低于-1.28阈值的网格单元，并将这些网格单元组合成一个干旱事件。在识别干旱事件后，研究基于该算法进一步定义了干旱事件的不同特征，包括：总持续时间、总严重程度（通过在时间和空间上对SPI值进行积分来表征整个干旱事件的严重程度）以及干旱事件的中心位置。
2.4 基于海洋和大陆SPI指数相关性的分类
为了阐明大陆和海洋降水不足对干旱严重程度贡献的月变化，本研究通过分析持续时间超过12个月的干旱事件，采用了一种基于海洋和大陆SPI指数相关性的定性分类系统，将干旱事件分为五个类别：极度大陆性（EC）、适度大陆性（MC）、混合性（MIX）、适度海洋性（MO）和极度海洋性（EO）（表1）。MIX类别是海洋降水和大陆降水不足对干旱条件的贡献几乎相等的情况。MC类干旱事件主要受大陆降水不足的主导。EC类干旱事件完全由大陆降水不足主导。MO和EO分别与MC和EC相对应，但干旱事件由海洋降水不足主导。该分类应用于：
i)基于海洋降水和大陆降水的SPI值，对被归类为干旱的网格单元和月份进行分类，
ii)通过对整个干旱事件期间的大陆和海洋SPI值进行平均，对每个干旱事件进行分类，
iii)根据特定月份大陆和海洋SPI值的平均值，对干旱事件的每个月进行分类。
除了对干旱事件进行定性分类外，研究还采用了定量方法来量化海洋降水不足和大陆降水不足在干旱事件中的相对贡献。负值表示海洋降水不足在产生干旱条件方面的作用高于大陆降水不足的作用。相反，正值则代表大陆降水不足的作用更明显。该定量贡献的计算公式为：
式中，SPIcontinental、SPIoceanic和Contribution分别代表来源于大陆降水的标准化降水指数、来源于海洋降水的标准化降水指数和衡量大陆降水和海洋降水不足在造成干旱条件中相对重要性的指标。
表1 本研究中基于SPIcontinental（大陆降水SPI）、SPIoceanic（海洋降水SPI）和SPItotal（总降水SPI）阈值使用的干旱事件分类表。
03 主要发现
3.1 大陆和海洋水汽源的作用
全球范围内，导致干旱的降水不足来源呈现显著的区域差异。然而，世界上大多数地区的降水不足主要是来自适度大陆性、适度海洋性降水不足或者混合性降水不足（图1）。例如，在北美中部、中美洲、欧洲、南美洲北部、中国东部和非洲南部等地区的干旱，主要是由混合性降水不足造成的。此外，大多数干旱月份的降水不足来源于混合性降水不足（35.3%），其次是适度大陆性降水不足（31.07%），而适度海洋性降水不足占26%（图1）。
图1 大陆和海洋水汽源的作用。A）由各种降水源降水不足引起的干旱月份所占的百分比。B）在网格尺度上，通过分析在各个网格点上出现最多的降水源来确定的导致干旱条件的主要水汽来源。C）根据不同地区类型的降水源，海洋降水对干旱条件的贡献百分比。箱线图的垂直线分别表示第10、25、50、75和90百分位数。四分位间距由25和75百分位数之间的范围表示。
基于持续时间和强度对1980-2018年间记录的全球主要气象干旱事件进行空间模态分类，结果显示全球气象干旱事件的海洋源和大陆源贡献呈现明显的地域特征（图2a）。例如，北亚和中亚、澳大利亚或南美洲中部的干旱事件通常与大陆源的降水不足密切相关，而北美洲西北部、英国和爱尔兰群岛或日本则主要受到海洋源的影响。轻度干旱事件往往由单一大陆源或海洋源主导，然而随着干旱事件变得更加严重，两个降水源的贡献显著减少（图2b）。与主要由极度或适度海洋源或大陆源降水不足驱动的事件相比，这些具有混合源降水不足的气象干旱事件始终表现出明显的严重性更强和持续时间更长的特点（图2c）。
图2 干旱事件对降水源降水不足的响应。A）基于总降水量识别的干旱事件的空间分布。每个圆圈代表一个干旱事件，其大小表示严重程度，颜色反映海洋和大陆的贡献。B）干旱事件的严重程度与降水源对干旱事件的贡献之间的关系。C）基于主导干旱事件发生的降水源，绘制的箱形图展示了干旱事件的严重程度和持续时间分布。箱线图的垂直线分别表示第10、25、50、75和90百分位数。四分位间距由25和75百分位数之间的范围表示。
在世界绝大多数地区，极端气象干旱事件的发展需要同时来自大陆和海洋的降水不足（表2-3）。实际上，纯粹的大陆或海洋源的降水不足非常少见，这表明大多数极端干旱事件的形成涉及到两种来源的降水不足（图3）。
图3 在持续时间超过12个月的干旱事件中，主导干旱事件发生的降水源的月变化。圆圈的颜色代表主导整个干旱事件期间的降水源类别。
表2 EO（极度海洋性）、MO（适度海洋性）、MIX（混合性）、MC（适度大陆性）和EC（极度大陆性）这五种类别的不同干旱严重程度的干旱事件百分比。表中指出了每个类别不同干旱严重程度中的干旱事件数量。
表3 EO（极度海洋性）、MO（适度海洋性）、MIX（混合性）、MC（适度大陆性）和EC（极度大陆性）这五种类别的不同干旱持续时间的干旱事件百分比。表中指出了每个类别不同干旱持续时间的干旱事件数量。
3.2 不同降水源不足贡献的时间一致性
在网格单元和干旱事件尺度上，1980-1999年和2000-2018年之间主导气象干旱事件的降水源降水不足没有出现显著变化（图4）。具体而言，除EC外，1980-1999年期间各类别干旱事件中超过50 %的网格单元在2000-2018年期间仍保持相同类别（图4）。大多数变化仅涉及类别之间的相邻转变，而没有发生大规模的类别变动。
图4 降水源对干旱事件影响的变化。a）显示1980-1999年和2000-2018年期间干旱类别的分类表，比较了每个类别在两个时期的地表面积百分比。对角线网格框表示没有变化。b）全球地图展示了两个研究时段之间从海洋源、大陆源到混合源降水之间的转变的简化变化矩阵。c）箱形图展示了1980-1999年和2000-2018年两个研究时段干旱事件的严重程度（以SPI单位）和降水源对干旱事件的贡献。每个绘制的箱形图的垂直线分别表示第10、25、75和90百分位数。四分位间距由25和75百分位数之间的范围表示。
04 主要结论
在1980-2018年间，全球范围内导致干旱的降水不足来源呈现显著的空间差异。尽管在1980-1999年与2000-2018年之间，气象干旱事件的海洋和大陆水汽来源未发生显著变化，但凸显了混合源降水对干旱事件的重要性。混合源降水不足的气象干旱事件始终表现出明显更严重和更持久的特征。混合源降水不足贡献在研究期间显示出一致的空间分布，且在不同十年间没有显著变化，这表明导致极端干旱事件的海洋源和大陆源的相对重要性保持稳定。
鉴于陆地-大气反馈的作用，陆地降水与干旱之间的关系是双向的。降水减少会引发干旱，其次，土壤湿度减少也会导致降水减少，加剧区域尺度的干旱。在干旱事件期间，两种降水源（海洋和大陆）都减少了，这解释了在过去几十年中观察到的混合源的降水不足在产生最严重干旱事件中的主导地位。
05 引发思考
文章揭示了过去几十年全球最严重气象干旱事件的起源，指出这些严重干旱事件主要表现为大陆和海洋来源的降水不足的混合贡献。这突出了在理解严重气象干旱时，考虑这两种类型的降水不足的重要性。然而，在解释这些结果时，该研究没有考虑导致干旱开始的大气机制，也没有对特定事件的轨迹进行空间分析，而是遵循了之前相关研究的方法。
未来研究应聚焦于主导全球主要干旱事件的降水源降水不足现象背后的物理机制，以揭示无论是源自大陆还是海洋的水汽不足现象背后的物理触发机制。为此，应该将降水数据与其他变量（如大气蒸发需求）相结合，考虑这些变量对陆地蒸散发和干旱严重程度的影响。这种方法对于理解全球范围内干旱的起源、加剧和传播至关重要。
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，请以论文原文为主。
原文出处
Vicente-Serrano, S.M., Beguería, S., Tomas-Burguera, M. et al. Severe and long-lasting meteorological drought events develop from precipitation deficits of mixed continental and oceanic origin. Communications Earth & Environment 5, 580 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01755-3
参考文献
Nieto, R., Gimeno, L. A database of optimal integration times for Lagrangian studies of atmospheric moisture sources and sinks. Scientific Data 6, 59 (2019). https://doi.org/10.1038/s41597-019-0068-8
Nieto, R., Gimeno, L. Addendum: A database of optimal integration times for Lagrangian studies of atmospheric moisture sources and sinks. Scientific Data 8, 130 (2021). https://doi.org/10.1038/s41597-021-00902-1
Nieto, R. & Gimeno, L. Optimal integration times for lagrangian studies of atmospheric moisture sources and sinks. (2018). Zenodo. https://doi.org/10.5281/zenodo.4550857
文字来源：王天航
图片来源：https://www.nature.com/commsenv/
编辑：王天航
审核：谷天顺 柳睿涵
