全球骤旱热点与时空演变的GRACE水文监测框架研究

作者及机构
本研究由中山大学（Sun Yat-sen University）地理空间工程与科学学院的Bai Hongbing、Zhong Min（通讯作者）、Feng Wei（通讯作者），中国地质大学（武汉）（China University of Geosciences）及德国波恩大学（University of Bonn）的Zhong Yulong合作完成，发表于2025年7月的《Remote Sensing of Environment》（第328卷，114893页）。

学术背景
骤旱（flash drought）是一种快速发生且强度急剧升高的干旱类型，通常在数周内从无旱情发展为严重干旱，对生态系统和社会经济造成显著冲击。传统干旱监测系统因其缓慢响应特性难以捕捉骤旱的快速演变，而现有研究多依赖气象（如降水、蒸散发）或土壤湿度指标，缺乏对陆地水储量（Terrestrial Water Storage, TWS）这一综合水文指标的动态监测。为此，本研究提出基于GRACE（Gravity Recovery and Climate Experiment）卫星重建的日尺度TWS异常数据集（TWS Anomaly, TWSA），构建了五日均值（pentad-scale）水文骤旱识别框架，旨在：（1）揭示1979-2018年全球骤旱的时空动态；（2）识别IPCC SREX定义的26个区域中的骤旱热点；（3）解析能量与水循环因子对骤旱的驱动机制；（4）探究骤旱向长期干旱的转化规律。

研究流程与方法
1. 数据预处理
- 数据来源：采用Humphrey与Gudmundsson（2019）开发的GRACE-REC日尺度TWSA数据集（空间分辨率0.5°，时间覆盖1979-2019年），辅以ERA5-Land再分析数据（降水、温度、土壤湿度等9个变量，分辨率0.1°）。
- 时空统一：将TWSA与辅助变量升尺度至1°空间分辨率及五日均值时间分辨率。

1. 骤旱识别框架

   • 干旱判定：基于GRACE干旱严重指数（Drought Severity Index, DSI），剔除气候季节性与长期趋势后，按美国干旱监测（USDM）标准划分干旱等级（D0-D4）。
     
   • 骤发性判定：通过连续五日均值DSI变化率（δDSI）量化干旱的快速发生，需满足：（a）δDSI持续低于第40百分位（允许1次例外）；（b）整个发生阶段的总DSI变化低于第25百分位。
     
   • 事件定义：同时满足“干旱持续≥6个五日均值”和“快速发生”条件的事件被认定为水文骤旱。
     

2. 热点区域分析

   • 多变量指标（MFDI）：整合骤旱频次、发生速度、严重性三个指标，通过变异系数加权计算MFDI，值>100的区域定义为热点。
     
   • 驱动因子贡献：采用岭回归（Ridge Regression）量化温度（tem）、降水（pre）、太阳辐射（ssr）等9个因子在骤旱不同阶段（发生、加剧、恢复）的相对贡献。
     

3. 骤旱转化分析

   • 统计全球范围内持续超过18个五日均值（约3个月）的长期干旱事件中，由骤旱转化的比例及其季节性特征。
     

主要结果
1. 空间格局与热点
- 骤旱热点集中于湿润与半湿润气候区（如北美东部、亚马逊、北欧、东亚、东南亚），而干旱区（如中亚、南非）虽发生频率低，但干旱严重性和持续时间更高。
- 全球10个热点区域中，北欧（NEU）、北亚（NAS）、东南亚（SEA）、南亚（SAS）的骤旱影响显著增强；亚马逊（AMZ）、西非（WAF）、东非（EAF）呈减弱趋势；其余区域无显著变化。

1. 驱动机制

   • 发生阶段：能量因子（温度、太阳辐射）贡献（平均60%）显著高于水分因子（降水）。例如，北亚在后期（1999-2018年）由能量主导转为水热共同驱动。
     
   • 加剧与恢复阶段：土壤湿度（sm）、叶面积指数（lai）及潜热/感热通量（lhf/shf）成为主导，反映陆地-大气反馈的强化作用。
     

2. 长期干旱转化

   • 全球48%的骤旱转化为长期干旱，高发区（北美中西部、南美东北部、南非、中亚）转化率超60%。
     
   • 转化事件多集中于植被生长季（如南亚6-9月），且极端骤旱（D4级）的转化概率达50%以上。
     

结论与价值
本研究首次基于GRACE日尺度TWSA构建了水文骤旱监测框架，填补了传统土壤湿度或气象指标在综合水循环响应监测中的空白。科学价值体现在：（1）揭示了湿润区骤旱的高发性与干旱区的高危害性；（2）阐明了能量因子在骤旱触发中的核心作用；（3）量化了骤旱向长期干旱的转化规律，为干旱预警系统提供了关键参数。应用层面，该框架可通过数据同化提升预测模型的时效性，尤其适用于高纬度雪旱（如2017年俄罗斯东部案例）等传统指标难以捕捉的场景。

研究亮点
1. 方法创新：开发了首个基于GRACE日尺度TWSA的骤旱识别算法，突破了月尺度数据的时效限制。
2. 跨尺度分析：联合气象、生态与水文指标，解析了骤旱多阶段驱动机制的动态转换。
3. 地理新发现：识别出高纬度北亚（NAS）为新增骤旱热点，凸显TWSA在固态水（雪/冰）监测中的独特优势。

其他价值
研究揭示了气候变暖下骤旱风险的区域分异，如北欧与东亚的加剧趋势与能量因子贡献上升的关联性，为应对气候变化下的水文极端事件提供了科学依据。