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气候变化对全球多年气象干旱影响的研究报告

作者及机构
本研究的核心作者包括武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室的Guiyang Wu、Jie Chen（通讯作者）、Jong-Suk Kim、Lei Gu，韩国中部大学的Joo-Heon Lee，以及武汉大学海绵城市建设水系统科学湖北省重点实验室的Liping Zhang。研究成果于2022年5月17日在线发表于《Journal of Hydrology》第610卷，文章编号127937。

学术背景
干旱是全球最具破坏性的自然灾害之一，而多年干旱（multi-year droughts）因其持续时间长、影响深远备受关注。然而，受限于观测数据的时间跨度，尤其是在气候变化背景下，全球尺度的多年干旱评估面临挑战。过去千年气候模拟（Last Millennium Simulation）为研究工业革命前（850–1849年）的干旱基线提供了可能。本研究旨在量化气候变化对历史时期（1850–2005年）和未来时期（2006–2100年）全球多年气象干旱的影响，重点关注干旱持续时间、面积、严重性和重现期的变化。

研究流程与方法
1. 数据来源与处理
研究使用五组全球气候模型（GCMs：bcc-csm1.1、ccsm4、fgoals-s2、ipsl-cm5a-lr、mri-cgcm3）的月降水量数据，覆盖三个时期：过去千年（850–1849年）、历史时期（1850–2005年）和未来RCP4.5情景（2006–2100年）。数据空间分辨率统一为1°×1°，并通过逆距离加权法重网格化。

1. 干旱指标计算
   采用标准化降水指数（SPI12，即12个月尺度的SPI）量化干旱。计算步骤包括：

   • 累积12个月降水量；
     
   • 用Gamma分布拟合降水序列，并转换为标准正态分布；
     
   • 以SPI≤-0.5作为干旱阈值。
     

2. 三维干旱识别
   基于经纬度-时间的三维聚类算法识别干旱事件：

   • 空间上，通过3×3邻域聚类干旱网格；
     
   • 时间上，通过重叠面积阈值（各大陆面积的1.5%）连接相邻月份的干旱斑块；
     
   • 提取干旱特征：持续时间（D）、面积（A）、严重性（S）和重心（C）。

3. 重现期估算
   基于三变量Copula函数联合干旱特征（D、A、S）构建概率分布，计算重现期。采用随机化方法解决持续时间离散性问题，并通过Kendall’s tau和Spearman’s rho检验变量相关性。

主要结果
1. 降水与干旱条件变化
未来时期，中美洲、南美洲南部、非洲南部和地中海地区降水减少且变率增加，干旱加剧。北美洲北部和东亚降水增加，但干旱风险未显著降低。

1. 多年干旱特征

   • 空间分布：北美、南美、亚洲和非洲的多年干旱占全球总量的85%以上。
     
   • 持续时间：未来时期持续10年以上的干旱比例（19.35%）显著高于过去千年（3.08%）。
     
   • 严重性：非洲的高严重性干旱（S≥5×10⁴）比例从过去千年的6.92%升至未来时期的45.45%。
     

2. 重现期变化
   61%的历史时期干旱和70%的未来时期干旱重现期短于过去千年基线，表明干旱频率增加。南美洲和澳大利亚出现“异常事件”，其严重性和持续时间超出过去千年的统计范围。

3. 干旱动态过程
   干旱重心在中美洲、东亚、非洲南部和地中海发生偏移；北美干旱向东南方向发展的概率增加，亚洲干旱向青藏高原延伸的趋势显著。

结论与价值
本研究首次基于千年尺度的气候模拟，揭示了气候变化对全球多年干旱的加剧作用。未来时期，长持续时间、高严重性的干旱事件将更频繁出现，尤其是在北美、亚洲和非洲。成果为水资源管理和灾害应对提供了科学依据，并指出降水均值与变率的协同变化是干旱恶化的关键驱动因素。

研究亮点
1. 方法创新：结合三维干旱识别与三变量Copula，实现了动态干旱特征的联合分析。
2. 数据优势：利用多模型千年模拟，解决了极端事件样本不足的问题。
3. 应用价值：明确了需重点关注的干旱高风险区域（如中美洲、非洲南部）。

其他发现
模型不确定性在未来时期显著增加，尤其是高纬度地区。此外，干旱发展方向的改变（如北美干旱向人口密集区移动）可能加剧社会经济影响。