学术研究报告：基于多变量指标的全球骤旱热点识别及气候驱动机制研究

作者与发表信息

本研究由Sourav Mukherjee和Ashok Kumar Mishra（通讯作者）共同完成，两人均隶属于美国克莱姆森大学土木工程系（Glenn Department of Civil Engineering, Clemson University）。研究成果发表于Geophysical Research Letters期刊，发表日期为2022年，文章标题为《A Multivariate Flash Drought Indicator for Identifying Global Hotspots and Associated Climate Controls》。

学术背景

研究领域与科学问题

骤旱（Flash Drought, FD）是一种在短时间内（数天至数周）快速发展的干旱现象，其特点是土壤水分急剧下降，通常由大气需水量激增、土壤水分短缺及异常高温共同触发。与传统干旱相比，骤旱的突发性和难以预测性使其对社会经济（如农业、水资源管理）和生态系统的影响更为严重。尽管已有研究关注骤旱的单一特征（如频率或强度），但对其多变量综合特征（事件频次、平均严重程度、加剧速率）与气候驱动机制的关联仍缺乏系统性分析。

研究目标

本研究旨在：
1. 开发一种新型多变量骤旱指标（Multivariate Flash Drought Indicator, MFDI），整合骤旱的三大特征以识别全球热点区域；
2. 探究区域气候强迫（如降水、温度、蒸散发）及地表-气候反馈对骤旱演化的影响；
3. 评估不同气候分区（基于IPCC AR5定义的26个分区）中骤旱的敏感性差异。

研究方法与流程

数据来源与预处理

研究使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据集（1980–2018年），包括：
- 根区土壤水分（Root-Zone Soil Moisture, RZSM）：通过三层土壤深度（0–7 cm、7–28 cm、28–100 cm）数据计算；
- 气候变量：日降水量（PR）、最高气温（Tmax）、实际蒸散发（EV）、潜在蒸散发（EP）、蒸汽压亏缺（Vapor Pressure Deficit, VPD）；
- 土壤-温度耦合强度（PI）：通过土壤湿度与地表温度的协方差计算，反映地表能量通量对干旱加剧的作用。
所有数据均转换为5日均值（pentad）以分析骤旱事件的时空演变。

骤旱事件识别方法

采用Yuan等（2019）提出的标准：
1. 骤旱起始：5日均RZSM从高于40%百分位降至低于20%百分位，且每5天下降速率≥5%；
2. 骤旱终止：RZSM回升至20%百分位；
3. 持续时间：事件至少持续3个5天周期（15天）。

骤旱特征量化

1. 严重程度（Severity）：骤旱起始与终止时RZSM百分位的差值；
   
2. 加剧速率（Rate of Depletion, RD）：事件期间RZSM百分位的平均下降速率，分为轻度（RD < 20%/pentad）、严重（20% ≤ RD < 30%）、极端（30% ≤ RD < 40%）和异常（RD ≥ 40%）四类。
   

多变量骤旱指标（MFDI）构建

采用Mazziotta-Pareto指数（MPI）方法整合三大特征：
1. 标准化：将事件频次、平均严重程度和RD转换为均值为100、标准差为10的标准化变量；
2. 聚合：通过算术均值与变异系数惩罚项（惩罚不平衡特征）计算MFDI。MFDI > 100的区域定义为骤旱热点。

气候与地表能量分析

1. 气候异常：分析骤旱事件前后9个5天周期（起始前5期至终止后3期）的PR、Tmax、VPD和PI标准化异常；
   
2. 地表能量分配：基于干旱指数（Aridity Index, AI，即EP/PR比值）划分湿润（AI < 1.5）、半湿润（1.5 ≤ AI < 5）和半干旱（AI ≥ 5）蒸发 regime，评估其对MFDI的影响。
   

主要结果

全球骤旱热点分布

MFDI分析显示，热点区域集中在：
- 北美：中部与东部（CAN和ENA）；
- 南美：亚马逊盆地（AMZ）、南部（SSA）和西部（WSA）；
- 亚洲：南部（SAS）、东南部（SEA）和东部（EAS）；
- 欧洲：中部（CEU）和北部（NEU）。
其中，北美东部（ENA）的MFDI最高（图1a），且与历史研究中高频骤旱区域（如中国东部）一致。

气候驱动的级联效应

1. 降水（PR）：在所有气候分区中，PR异常在骤旱起始后显著下降，是驱动RZSM depletion的主导因素；
   
2. 温度（Tmax）与VPD：在除欧洲北部和阿拉斯加外的热点区域（如东亚），Tmax和VPD的正异常显著加剧骤旱；
   
3. 土壤-温度耦合（PI）：在北美中部（CAN）和东亚（EAS）等区域，PI的增强表明土壤湿度记忆效应延长，加速干旱演化（图2）。
   

地表能量分配的影响

湿润区（AI < 1.5）的骤旱事件频次和MFDI显著高于过渡区（半湿润/半干旱）。例如，异常加剧事件（RD ≥ 40%）在湿润区的MFDI峰值为106.5，而半干旱区降至<100（图3b）。这表明初始土壤湿度条件和记忆效应在湿润区更易触发骤旱。

结论与价值

科学意义

1. 方法创新：首次提出MFDI指标，综合量化骤旱的多维特征，弥补了单一指标低估风险的缺陷；
   
2. 机制揭示：阐明了降水主导、温度/VPD分区域补充的级联驱动机制，以及土壤-气候反馈的调控作用；
   
3. 热点识别：为全球骤旱高风险区（如湿润生态系统）的优先干预提供了科学依据。
   

应用价值

1. 灾害预警：MFDI可集成至亚季节性预报系统，提升骤旱早期预警能力；
   
2. 政策支持：热点区域的农业和水资源管理需针对性调整以适应骤旱频发趋势。
   

研究亮点

1. 多变量整合：首次将事件频次、严重程度和加剧速率纳入统一指标；
   
2. 气候-地表耦合分析：揭示了PI在北美和东亚骤旱中的关键作用；
   
3. 全球尺度验证：覆盖26个IPCC气候分区，结论具有普适性。
   

其他发现

研究指出，未来需进一步探索气候变量季节性变化与植被水分利用效率对骤旱的联合影响，以完善 mitigation 策略。