气候变化背景下我国南方骤发干旱的演变趋势及驱动机制

Rainfall deficit in the crop growing season is usually accompanied by heat waves, intensified evapotranspiration and rapid decline in soil moisture. This ultimately results in a type of drought with a rapid onset, short duration but devastating impact, which is called “flash drought”. With the increase in global temperature, flash drought is expected to occur more frequently. However, there is no consensus on the definition of flash drought so far. Moreover, large uncertainty exists in the estimation of the flash drought and its trend, and the underlying mechanism is not clear. In this proposal, we will focus on southern China, where flash drought frequently occurred. We will use Copula function method to derive the joint probability distribution of key variables, to account for the drought threshold and rapid decline in soil moisture, and to develop a parametric flash drought index. With the consideration of growing season and crop water demand, multisource observations will be combined with land surface hydrological modeling to investigate the variations and impacts of flash drought integrally. The CMIP5 data is used to drive the land surface hydrological models for an ensemble simulation of flash drought under different forcing-induced climate change conditions (e.g., greenhouse gases, land use change), and the optimal fingerprint method will be used for the detection and attribution of flash drought change, in terms of quantifying the influences of natural and anthropogenic climate change. CMIP5 future projections and large ensemble simulations of meteorological forcings will be used to drive the land surface hydrological models to project future changes in flash droughts with quantified uncertainty. This study is targeted at improving our understanding of the variation of flash drought and its underlying mechanism in a changing climate.

发生在生长季的降水亏缺往往伴随高温热浪、强蒸散、土壤快速变干，从而触发一类发展迅速、持续时间短但强度大、破坏性强的干旱，也称“骤发干旱”。随着全球气温升高，骤发干旱频繁发生。然而，目前对骤发干旱缺乏统一的定量描述，其演变趋势估算存在较大不确定性，相应的驱动机制也不甚清楚。因此，本项目拟针对骤发干旱频发的我国南方地区，利用Copula函数描述关键要素的联合概率分布，考虑土壤快速变干过程及干旱阈值，构建参数化骤发干旱指标；结合考虑生长季和作物需水的陆面水文模拟和多源资料估算，集成研究骤发干旱的演变趋势并探讨其影响；利用CMIP5数据驱动陆面水文模型，集合模拟温室气体、土地利用等不同强迫下气候变化对骤发干旱的影响，采用最优指纹法进行检测归因，定量评估自然和人为气候变化的贡献；根据大样本集合模拟探讨内部变率对骤发干旱预估影响，预估未来变化趋势并量化不确定性，深入理解骤发干旱的演变规律和驱动机制。

骤旱是一类特殊的干旱现象，以快速发展为主要特征。在气候变暖背景下，我国南方骤旱事件频繁发生，如2013年和2022年特大骤旱，对水安全和生态安全造成严重威胁。如何定义骤旱指标以刻画其发生、发展过程？自然和人为气候变化对我国南方骤旱历史演变的相对贡献如何？我国南方未来骤旱将如何变化？这些都是亟待回答的科学问题。通过4年研究，本项目取得如下主要成果：1）考虑骤旱的突发性、严重性等特征，发展了一个基于土壤水分下降速率和干旱持续时间的骤旱识别方法，完整地描述了骤旱事件的爆发和消亡过程。该项成果被NCC等100余篇文献广泛引用，入选ESI高被引论文。2）揭示了骤旱爆发过程中的陆气耦合特征及植被响应规律。相比于一般干燥条件，骤旱爆发阶段陆面向大气的感热输送更加显著，增加抬升凝结高度，促进大气变干并有效抑制对流降水；同时，大气变干促使大气蒸发需求增加，进一步消耗土壤水分，加快骤旱爆发速度。植被初级生产力对骤旱响应迅速，主要集中在骤旱发生的2-3周内，并且南方地区土壤水分亏缺对植被生产力的水分胁迫显著大于大气水分亏缺的胁迫。3）率先发现我国南方骤旱变化主要受人为气候变化影响。本项目利用CMIP数据驱动陆面水文模型，集合模拟了温室气体、土地利用等不同强迫下气候变化对骤旱的影响，并采用最优指纹法进行了检测与归因分析，发现人为温室气体排放引起的气候变化贡献了77%±23%的骤旱上升趋势。4）利用CMIP模式及大样本集合模拟，预估了骤旱未来变化趋势并量化了不确定性。研究表明，本世纪中叶部分南方湿润省份的骤旱暴露度风险将增加40%，而内部变率是近期预估不确定性的主要来源。5）率先发现包括我国东部地区在内的全球大部分区域存在骤旱比例上升、爆发速度增加的干旱转变特征，该转变与人为气候变化引起的蒸散发增加密切相关且在未来更为显著，说明骤旱可能会成为未来干旱的一种“新常态”。综上，项目针对一类新型干旱现象—“骤旱”，率先提出了客观识别方法，揭示了其演变趋势、驱动机制及植被响应规律，为适应气候变化、保障可持续发展提供重要科学支撑。项目发表/接受期刊论文39篇，其中第一/第二标注SCI论文33篇（包括第一标注的Science和Nature Communications论文各1篇），成果获第十七届中国青年科技奖，被IPCC报告引用。