《Atmospheric Research》：Future projections of aridity change across Africa's climatic regions
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非洲九大气候区干旱化时空演变研究基于16个NEX-GDDP-CMIP6模型和CRU观测数据，运用UNEP-AI与DMI指标对比SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下干旱化变化，发现撒哈拉北部因降水增加而缓解，其余区特别是地中海气候区干旱加剧。
埃马纽埃尔·C·迪奥哈（Emmanuel C. Dioha）| 郑恩成（Eun-Sung Chung）| 宋在烨（Jae Yeol Song）| 布莱恩·奥迪安博·阿尤吉（Brian Odhiambo Ayugi）
韩国首尔国立科学技术大学土木工程学院，公宁路232号，nowon-gu，首尔01811
摘要
本研究利用两种已建立的干旱指标——联合国环境规划署干旱指数（UNEP-AI）和德马托内指数（DMI），分析了非洲九个气候区域未来干旱的时空变化趋势。分析基于16个NEX-GDDP-CMIP6模型提供的高分辨率降水和温度数据，并结合了气候研究单位（CRU）的观测数据。预测了2024年至2100年期间的变化情况，分别考虑了两种排放情景（SSP2–4.5和SSP5–8.5）。偏差校正采用了Delta方法，潜在蒸散量（PET）则通过Hargreaves方法估算。研究结果表明，整个非洲大陆的干旱状况将显著加剧，其中地中海地区（MED）、中非（CAF）、西南部非洲（WSAF）、东南部非洲（ESAF）和西非（WAF）的干旱趋势最为明显。在撒哈拉沙漠（SAH），干旱等级预计会向北移动，一些极端干旱地区由于降水量略有增加而转变为较不极端的分类。尽管包括东北非（NEAF）和东南非（SEAF）在内的某些地区显示出干旱可能减轻的迹象，但在SSP5–8.5情景下，尤其是这些地区的干旱状况预计将大幅恶化。本研究通过提供与IPCC AR6气候区框架一致的精细区域预测，推进了先前的大陆尺度评估。研究结果强调了制定针对区域气候驱动因素的适应性策略的紧迫性，并强调了将社会经济维度纳入未来干旱和脆弱性评估中的重要性。
引言
近年来，科学界对预测未来干旱模式的关注显著增加。干旱是一种气候状况，其特征是支持生命和生态系统的可用水分水平（IPCC，2022）。由于温度上升和降水模式日益变化，干旱在空间和时间上都在加剧（Asadi Zarch等人，2015；Huang等人，2016）。随着全球变暖的加速，大多数研究预计干旱发生的频率和严重程度将进一步增加（Asadi Zarch等人，2015；Strzepek等人，2010）。特别是降水减少被认为是全球干旱和半干旱地区扩张的主要驱动因素（Huang等人，2016；Sheffield等人，2012）。干旱被定义为长期水资源有限的气候状况，受水分供应（降水）和大气对水分的需求（潜在蒸散量）的共同影响。与短暂异常的干旱不同，干旱反映了持久的气候干燥状态，这影响了生态系统、农业和水文系统（Huang等人，2016；IPCC，2022）。因此，像UNEP AI和De-Martonne（DMI）这样的干旱指数变化是由降水量变化以及与温度升高相关的蒸发需求变化共同驱动的。
在人为变暖的情况下，多种物理机制导致干旱加剧。克劳修斯-克拉佩龙关系表明，大气每升高1摄氏度可以容纳多7%的水蒸气，这增加了水汽压差（VPD），即使降水量保持不变，也会加速蒸发需求（Sherwood和Fu，2014）。这通过降低近地面相对湿度增强了由变暖引起的干燥效应。此外，陆地-大气反馈通过土壤湿度下降、蒸发冷却减少和感热通量增加进一步加剧了干燥现象，从而提高了地表温度。变暖还可能改变大尺度环流和季风系统，导致非洲不同气候区域的降水分布发生变化。综合这些机制，可以解释为什么在许多地区干旱预计会加剧，尤其是在温度上升快于水分增加的地方。通过应用UNEP AI（降水量/潜在蒸散量（PET）和DMI（降水量/温度），本研究同时考虑了水分供应和温度驱动的蒸发需求，这与Sherwood和Fu（2014）描述的物理框架一致。这为评估非洲未来的干旱趋势提供了坚实的理论基础。
许多研究表明，亚洲、北美、澳大利亚和非洲的干旱和半干旱地区正在广泛扩张（Chai等人，2021；Huang等人，2016）。为了量化干旱程度，已经开发了多种指数，包括联合国环境规划署干旱指数（UNEP AI）、德马托内指数（DMI）、Thornthwaite指数（TI）、Palmer干旱严重度指数（PDSI）、Reconnaissance干旱指数（RDI）和标准化降水蒸散指数（SPEI）。虽然PDSI、SPEI和RDI等指数提供了有价值的干旱信息，但它们通常依赖于详细的地表和土壤数据集，而这些数据在非洲范围内并不普遍（Vicente-Serrano等人，2010）。相比之下，UNEP AI和DMI因其简单性、稳健性和长期气候分类的有效性而被广泛使用。
选择干旱指数作为本研究的方法，是因为它在气候变化研究中的广泛应用。许多学者已经使用过它，非洲的许多研究也采用了联合国粮食及农业组织（FAO）推荐的干旱指数。东非的研究显示，由于温度上升和降水量减少，干旱地区正在迅速扩张（Ayugi等人，2022；Ayugi，2025；Gebremedhin等人，2018；Muhire和Ahmed，2016；Seifu和Eshetu，2024）。在西非，气候变率和极端事件加剧了干旱脆弱性（Adeyeri，2025；Daramola等人，2023）。尽管有大量区域研究，但仍存在分辨率较低模型、偏差校正不足以及与更新的IPCC AR6气候分区不匹配的问题。此外，全球干旱估算的最新进展强调了将高分辨率预测与稳健的干旱指标相结合的必要性。本研究的假设是，21世纪非洲九个气候区域的干旱状况将加剧，但干旱变化的速率和驱动因素因地区而异，主要受温度升高（某些地区）和降水量不足（其他地区）的影响。
为了验证这一假设，本研究使用了高分辨率的NEX-GDDP-CMIP6预测和观测数据集，在SSP2–4.5和SSP5–8.5情景下评估了降水量、潜在蒸散量（PET）、UNEP AI和DMI的时空变化。在之前的工作中，我们严格评估了22个NEX-GDDP-CMIP6模型，并确定了16个在非洲表现可靠的模型（Dioha等人，2024）。这些模型构成了本分析中预测的核心。本研究旨在提供基于气候区域的特定评估，与IPCC AR6框架保持一致，为非洲的适应规划提供重要见解，最终为政策制定者、发展机构和气候工作者提供证据，以设计适合非洲多样化气候区域的针对性适应策略。
研究区域
非洲占地面积超过3000万平方公里，范围从南纬40°到北纬40°，西经20°到东经55°（图1）。根据最新的IPCC AR6区域概况，非洲被划分为九个气候子区域：撒哈拉沙漠（SAH）、东南非（SEAF）、西南部非洲（WSAF）、马达加斯加（MDG）、中非（CAF）、西非（WAF）、地中海地区（MED）、东北非（NEAF）和东南部非洲（ESAF）（Iturbide等人，2022）。赤道气候属于热带气候类型
数据集
在我们之前的工作中（Dioha等人，2025），我们证明了NEX-GDDP-CMIP6模型在表示非洲复杂降水模式方面比原始CMIP6模拟有显著改进。在此基础上，本研究利用这些改进的数据集来预测非洲九个气候区域的未来干旱情况。每日降水量和温度数据来自精心挑选的16个NEX-GDDP-CMIP6全球气候模型（GCMs）
降水量、潜在蒸散量和干旱评估的偏差校正
通过统计分析发现DMI与联合国环境规划署干旱指数（UNEP Aridity Index）之间存在显著相关性（图S1），因此建议对GCM模拟中的潜在偏差进行校正，以确保分析和结果的准确性。本研究采用Delta方法标准偏差校正方法对原始GCM气候数据中的降水量和预测潜在蒸散量进行了校正。图2b显示了多模型集合（MME）的结果
结论
本研究利用UNEP AI和DMI干旱指数，基于NEX-GDDP-CMIP6和CRU提供的高分辨率降水量和温度数据，分析了非洲九个气候区域未来干旱的时空变化。分析背景是人们对人为引起的气候变化导致的干旱加剧日益关注。与短暂异常的干旱不同，干旱是一种更持久的气候状况，其普遍性
致谢和资金来源
本研究得到了韩国国家研究基金会（National Research Foundation of Korea）的支持（2021R1A2C200569915）。
CRediT作者贡献声明
埃马纽埃尔·C·迪奥哈（Emmanuel C. Dioha）：撰写——初稿、可视化、软件开发、方法论、数据分析、概念化。郑恩成（Eun-Sung Chung）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、方法论、资金获取、概念化。宋在烨（Jae Yeol Song）：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理。布莱恩·奥迪安博·阿尤吉（Brian Odhiambo Ayugi）：撰写——审阅与编辑、验证、方法论、数据管理。
遵守伦理标准
在本研究中，我们声明不存在利益冲突。
