骤旱激增主要由升温和植被绿化驱动

《SCIENCE ADVANCES》：Warming and vegetation greening drive recent surge in flash droughts

　　

研究人员使用可解释人工智能（XAI）聚类框架结合再分析产品和地球系统模型（ESMs），揭示了全球骤旱的主要驱动机制已从以降水为主导转变为温度、蒸腾（Transpiration）和降水的复合效应。这一转变导致过去十年骤旱激增，表现为发展更迅速、更严重且持续时间更长的土壤干旱。人为变暖和植被绿化是观测到的骤旱激增的主要驱动因素。该转变自2017年以来已超出自然气候变率范围，主要在欧亚大陆、亚马逊和非洲被检测到，威胁约6.5亿人口，并使总初级生产力（GPP）减少每年0.15±0.1拍克碳（Pg C）。研究结果证明，生物圈和大气对人为强迫的响应已改变骤旱驱动因素，强调了迫切需要针对性的缓解策略。

在人为强迫下，许多地区干旱的频率、严重程度和持续时间已大幅增加，对人类社会和陆地生态系统产生深远影响。其中，“骤旱”作为一种以土壤水分极端亏缺迅速发展（通常在几周内）为特征的事件尤其令人担忧。这类事件的快速发展常挑战业务预报系统，限制早期预警的有效性，并常导致广泛作物歉收、水资源短缺和陆地碳损失。尽管在理解干旱趋势、恢复模式、传播和影响方面已取得进展，但驱动骤旱事件发展的潜在机制及其在人为强迫下的变化仍不清楚。土壤水分亏缺常被归因于持续的降水不足，主要由自然气候变率驱动。然而，近期研究表明，人为强迫可能通过延长降雨事件间隔加剧这一过程。除降水不足外，全球变暖可增加大气能量并加剧土壤蒸发，加速土壤水分向大气损失。此外，植物通过根系吸收和蒸腾显著影响土壤水分。例如，全球植被叶面积指数（LAI）的增加总体上增强了土壤水分消耗，尽管二氧化碳（CO₂）诱导的气孔关闭减少了蒸腾。总体而言，降水、温度和蒸腾是影响土壤水分动态最直接的因素，后两者在人为强迫下已发生显著变化。鉴于过去数十年中显著的人为影响，研究人员假设植被和温度对人为强迫的响应可能已改变全球骤旱的主要驱动机制，可能导致其近期全球激增。为验证此假设，研究人员使用基于XAI的聚类框架，研究了1951至2022年全球骤旱的主要驱动机制及其时间演变。通过使用三个全球再分析产品和耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中13个地球系统模型（ESMs）的输出，研究人员首先构建一个长短期记忆（LSTM）模型，以学习潜在驱动因素（如温度、蒸腾和降水）与土壤水分变化之间的关系。随后，应用期望梯度（EG）方法估计驱动因素在骤旱事件发展阶段对土壤水分变化的个体贡献。发展阶段定义为从发生到土壤水分首次达到最低点的时期。通过聚类分析识别不同的骤旱类型，研究人员评估了它们在时间上的发生情况，量化了人为强迫对骤旱变化的贡献，并评估了与骤旱激增相关的对人类和陆地生态系统的潜在风险。
研究人员识别出两种具有不同气候和生物物理驱动因素的主要骤旱类型。第一种类型称为复合主导集群（C_comp），其特征是温度升高、蒸腾增强和降水减少的协同效应，占总骤旱事件的32%。第二种类型称为降水主导集群（C_prec），主要由降水亏缺驱动，占其余68%的事件。这两种骤旱的特征也不同，与降水主导事件相比，复合驱动的骤旱发展更迅速、持续时间更长、严重程度更高。研究人员分析了1951至2022年与这两种集群相关的全球骤旱频率的时间变化，观察到全球骤旱主要驱动机制的显著转变。约2008年之前，两种类型的全球骤旱频率变化很小，降水主导事件比复合驱动事件频繁约四倍，占总骤旱事件约73%。然而，约2008年后，全球复合驱动事件显著增加，并在2017年后比降水主导事件更频繁，导致全球骤旱总体激增。地球系统模型和再分析产品普遍认同这些模式。研究人员进一步通过分析单强迫模拟和评估人为变暖和植被绿化的潜在贡献，测试了人为强迫是否主导了骤旱驱动机制转变的假设。具体而言，研究人员纳入了三个单强迫实验：仅人为温室气体强迫（GHG）模拟、仅自然强迫（NAT）模拟和仅人为气溶胶强迫（AER）模拟，以及分析了结合人为和自然强迫（ALL）的模拟。结果揭示，在GHG强迫下复合驱动事件显著增加，而在其他两种强迫下变化较小；降水主导事件在所有三种强迫下变化均不显著。GHG模拟中的复合驱动事件贡献了全球骤旱的整体正趋势，其幅度与ALL模拟和再分析产品相当。这些发现表明，如果包括人为强迫的影响，则可以解释骤旱驱动机制的转变，但仅靠自然气候变率无法解释。为进一步研究人为强迫如何影响复合驱动骤旱，研究人员进行了两项分析：（i）评估人为强迫在复合驱动事件土壤水分下降中的贡献（相对于C_comp的总贡献），以及（ii）评估人为强迫对复合驱动骤旱事件增加的影响。分析显示，自约2008年以来，人为趋势对C_comp具有强烈的正向效应，对应于该时期骤旱的激增。温度变化贡献约32%，植被绿化贡献约18%，而降水的作用尚不确定。人为温度和降水变化的贡献与2022年欧洲干旱归因研究中的发现相当。这些因素共同贡献了ALL模拟下总贡献的约60%，强调了人为趋势在驱动过去十年复合效应中的主导作用。相比之下，约2008年之前人为趋势对C_comp的影响相对较弱，与2008年之前干旱变化不大相一致。为估计人为强迫导致的全球复合驱动骤旱事件频率变化，研究人员应用能够分离人为趋势信号和自然噪声的回归方法，将趋势分解为加性分量。结果发现，复合驱动事件的增加主要由温度和LAI变化驱动，贡献约88%的增加。这些因素的贡献在生长季节通常一致，表明在任何候（五天）均可检测到人为对骤旱的影响。此外，研究人员对LAI趋势的分析显示，仅当包括人为强迫时，地球系统模型和观测之间才表现出良好一致性。研究人员的结论在广泛的敏感性分析中保持稳健。总之，研究人员证明人为强迫已主导了全球骤旱主要驱动机制的转变，其中人为变暖和植被绿化是观测到骤旱激增的主要驱动因素。在空间模式上，研究人员显示了复合驱动事件在中高纬度、非洲和澳大利亚的广泛发生。大多数子区域表现出显著的增加趋势，热点检测于欧亚大陆、亚马逊和非洲。ALL和GHG模拟的模式在很大程度上与再分析结果一致，而NAT和AER模拟则不一致，这表明人为强迫也在区域尺度上主导了骤旱的增加。研究人员还估计了人为驱动骤旱超出自然气候变率出现的时间，通过计算复合驱动事件局部显著增加的出现时间（ToE）。ToE定义为复合驱动骤旱的信噪比超过0.5的时刻。结果发现，增加的复合驱动事件信号在约2017年在广阔的北半球和亚马逊地区从自然气候变率中显现，表明社会和自然生态系统已面临可检测的人为驱动骤旱。在人类暴露和生态系统影响方面，研究人员估计人口暴露于复合驱动事件的暴露量从2001年约1亿人增加到2015–2020年约6.5亿人。人类发展指数（HDI）低和中等水平的地区表现出更高的暴露水平。骤旱空间模式的变化也驱动了暴露人口年龄分布的变化，儿童（5岁以下）和老年人（50岁以上）的暴露量大幅增加。暴露人口主要分布在发展中地区，包括北非、东南亚和印度。这些发现表明，人为驱动的骤旱可能加剧气候不平等危机，对儿童、老年人和发展中地区构成更大风险。此外，分析显示，2001至2019年与复合驱动事件相关的陆地总初级生产力（GPP）显著下降，平均年下降率约为-0.01 Pg C年^-1，导致过去十年平均年减少约-0.15±0.1 Pg C。这些减少在北半球中高纬度地区普遍存在。考虑到骤旱导致的GPP减少在控制GPP年际变化中的贡献，广泛绿化和骤旱导致生产力增加的增加共同出现可能放大未来陆地碳汇预测的不确定性。
研究人员观察到，自约2008年以来复合驱动骤旱显著增加，导致全球骤旱发生率近期激增。这一发现提供了直接证据，表明骤旱已从主要由自然变率驱动转变为由人为强迫驱动。干旱通常被认为是长期缓慢发展的现象，通常持续数月甚至数十年，主要由自然气候变率导致。然而，随着人为强迫增强，气象条件的短期异常和植被水分利用可在短期内主导土壤水分亏缺。在二氧化碳（CO₂）增加的地球上，骤旱驱动因素结合导致更频繁和强烈的骤旱，迅速超出自然变率范围。复合驱动骤旱的显著增加主要见于高纬度地区，这可能与高纬度变暖放大有关。由于北极放大效应，高纬度地区变暖速度快于全球平均。变暖可直接增加土壤蒸发，也可通过促进植被绿化和延长生长季节间接增强蒸腾。这些过程加速土壤水分亏缺。同时，变暖引起的大气环流变化和降水间歇性增加可导致短期降水亏缺。当这些由变暖驱动的蒸散增加与异常低降水同时发生时，土壤水分可能迅速下降，有利于骤旱发展。这种骤旱发展也会影响区域气候并进一步增强变暖，加强这一反馈循环。总体而言，高纬度热点反映了向更紧密耦合的温度-植被-水文相互作用转变，增加了骤旱发生的可能性，并导致北极放大。研究人员关于人为驱动骤旱影响的发现对生态系统稳定性和人类社会具有重要意义。虽然广泛植被绿化可通过碳固存和蒸发冷却有助于气候缓解，但也可能导致更频繁的干旱，进而降低生态系统生产力和绿化程度。植被状况变率的放大表明生态系统韧性下降，可能触发向低生产力状态的灾难性转变。例如，前些年增强的绿化可能耗尽深层土壤水分，导致广泛树木死亡，并可能将森林转变为灌木丛。此外，绿化增加的生物量可能增加燃料负荷，干燥后可能在骤旱期间加剧野火。当此类火灾发生在碳丰富生态系统（如北方森林或泥炭地）时，可释放大量储存碳到大气，可能抵消先前绿化相关的碳收益。重复的骤旱-火灾事件也可能降低生物多样性，当许多树种丧失时促进向草地的不可逆转变。由此导致的生态系统碳固存下降，加上可能放大的正碳-气候反馈，需要重新校准允许的人为排放以保持与既定温度目标的一致性。生态系统的影响强调迫切需要基于影响的全面预报方法来补充最近基于灾害预报的进展。研究人员关于骤旱驱动因素的发现可以支持此类系统的发展，该系统应理想地整合气候、生态和人文维度，以解决广泛的干旱相关影响。这种改进的系统可以使参与干旱准备、风险管理和响应规划的利益相关者受益，从而增强对快速气候变化的韧性。全球植被绿化反映了人为和气候驱动的综合影响。大气二氧化碳（CO₂）浓度上升是全球主导驱动因素，增强光合作用和水分利用效率，增加叶面积。气候变化在区域上调节这种响应，在高纬度和高海拔地区促进绿化，而在更温暖、水分受限的生态系统中产生混合或负面影响。此外，土地利用和土地覆盖变化（如造林和农业集约化）驱动了中国和印度等集约化管理地区的显著绿化。这些过程对气候系统产生反馈。研究人员关于人为植被绿化效应的发现强调，在提出气候政策以缓解高影响气候极端事件时，除了全球平均温度目标外，还需要明确考虑大气CO₂浓度。有效缓解气候危机需要立即且大幅减少二氧化碳（CO₂）排放。
论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。研究人员主要使用了基于可解释人工智能（XAI）的聚类框架，该框架包含三个步骤：首先构建长短期记忆（LSTM）人工智能模型，学习潜在驱动因素（温度、蒸腾、降水）与土壤水分变化的时间序列关系；其次应用期望梯度（EG）解释算法，量化各输入变量在骤旱事件发展阶段对土壤水分动态的具体贡献；最后采用K均值聚类分析，将所有事件中模式相似的贡献分组为不同类型，从而识别主要骤旱机制及其变化。研究使用了三个全球再分析产品（GLDAS/VIC、GLDAS/Noah、ERA5）和耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）中13个地球系统模型（ESMs）的输出，涵盖人为和自然强迫（ALL）、仅人为温室气体强迫（GHG）、仅自然强迫（NAT）和仅人为气溶胶强迫（AER）的模拟数据，同时结合了卫星叶面积指数（LAI）和总初级生产力（GPP）数据集以及人口分布数据。
**骤旱驱动机制的转变**：研究人员识别出两种主要骤旱类型：复合主导集群（C_comp，占32%）和降水主导集群（C_prec，占68%）。前者由温度升高、蒸腾增强和降水减少的协同效应驱动，表现为发展更快、持续时间更长和严重程度更高。分析发现，约2008年前，全球骤旱频率变化小，降水主导事件占主导；但约2008年后，复合驱动事件显著增加，并在2017年后超过降水主导事件，导致全球骤旱总体激增。地球系统模型和再分析产品普遍一致。
**人为强迫的主导作用**：通过分析单强迫模拟，研究人员发现复合驱动事件在仅人为温室气体强迫（GHG）下显著增加，而在自然强迫（NAT）或仅人为气溶胶强迫（AER）下变化小；降水主导事件在所有强迫下变化不显著。GHG模拟中的趋势贡献了全球骤旱整体正趋势，幅度与ALL模拟和再分析产品相当，表明人为强迫主导了驱动机制转变。进一步分析显示，自2008年以来，人为趋势对C_comp贡献约60%，其中温度变化贡献约32%，植被绿化贡献约18%。使用回归方法分解趋势发现，复合驱动事件增加主要由温度和叶面积指数（LAI）变化驱动，贡献约88%的增加，且信号在2017年已超出自然气候变率范围。
**空间模式和归因**：复合驱动事件在中高纬度、非洲和澳大利亚广泛发生，热点位于欧亚大陆、亚马逊和非洲，且在人为强迫（ALL和GHG）模拟中与再分析结果一致。出现时间（ToE）分析表明，增加的复合驱动事件信号在约2017年在北半球和亚马逊地区从自然气候变率中显现。
**人类暴露和生态系统影响**：人口暴露于复合驱动事件的数量从2001年约1亿人增至2015–2020年约6.5亿人，发展中地区儿童和老年人暴露增加。陆地总初级生产力（GPP）从2001至2019年显著下降，平均年减少约-0.15±0.1 Pg C，尤其在北半球中高纬度地区，可能放大未来碳汇预测不确定性。
**讨论**：研究人员发现复合驱动骤旱自2008年以来显著增加，表明骤旱驱动机制已从自然变率为主转向人为强迫为主。高纬度变暖放大可能通过增加蒸散和降水间歇性促进骤旱发展。人为驱动骤旱对生态系统的影响（如绿化与干旱的协同可能降低韧性、增加野火风险）需引起关注。研究强调需整合气候、生态和人文维度的基于影响的预报系统，并呼吁通过减少二氧化碳（CO₂）排放以有效缓解气候危机。
**结论**：全球骤旱的主要驱动机制已从降水主导转变为温度、蒸腾和降水的复合效应，这一转变由人为变暖和植被绿化驱动，导致近十年骤旱激增。该转变自2017年以来已超出自然气候变率范围，主要在欧亚大陆、亚马逊和非洲被检测到，威胁约6.5亿人口并降低总初级生产力。研究结果表明，生物圈和大气对人为强迫的响应已改变骤旱驱动因素，凸显了制定针对性缓解策略的紧迫性。