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通讯作者:

袁星,E-mail:xyuan@nuist.edu.cn

引用:袁星,王钰淼,张苗,等,2020.关于骤旱研究的一些思考[J].大气科学学报,43(6):1086-1095.

Quote:Yuan X,Wang Y M,Zhang M,et al.,2020.A few thoughts on the study of flash drought[J].Trans Atmos Sci,43(6):1086-1095.

目录contents

    摘要

    骤旱是一类特殊的干旱现象,以快速发展为主要特征。在全球变暖背景下,骤旱可能会成为干旱的一种“新常态”,亟须开展深入研究。针对目前存在的骤旱定义争论,本文指出其本质为如何理解骤旱与传统干旱之间的区别与联系,并从骤发性、持续性、爆发和消亡过程等方面进行阐述,指出骤旱的典型时间尺度为次季节尺度,应纳入多尺度干旱体系中。在此基础上,回顾了极端个例诊断分析、人类活动检测与归因、生态环境效应等方面的研究进展。认为:未来应加强骤旱驱动机制(包括内部变率和外部强迫)、骤旱与生态系统之间的相互作用、骤旱可预报性来源以及预测方法等方面的研究;应从全球变化的视角,利用地球系统科学的研究方法,发展先进的监测和模拟预测技术,以应对日益增加的骤旱风险。

    Abstract

    Flash drought is a type of drought characterized by rapid intensification within a few weeks.It could be a “new normal” of drought in a warming climate,which needs further investigation.Regarding the debate on flash drought definition,this paper emphasizes the importance of understanding the difference and connection between flash drought and conventional drought,and clarifies flash drought in terms of rapid onset,duration,onset and recovery processes.This paper points out that the typical time scale of flash drought is sub-seasonal scale,which should be included in multi-scale drought system.This paper also overviews the progresses in extreme case diagnosis,detection and attribution of human activity,and ecological and environmental impact.Future focus could be the flash drought mechanism,including internal variability and external forcing,the interaction between flash drought and ecosystem,the identification of predictability sources of flash drought,and the development of prediction methods.It is encouraged to use research methods of earth system science and to develop advanced monitoring and modeling techniques for adapting to the increasing flash drought risk from a global change perspective.

  • 顾名思义,骤旱(flash drought)一般指发展迅速的干旱。在晴朗少云天气条件下,强烈的太阳辐射使得潜在蒸散发能力增加,在干旱初期甚至导致实际蒸散发增加,使得土壤湿度快速降低,从而引发骤旱。在骤旱的发展演变过程中,能量控制对蒸散发的影响逐渐减弱,水分控制开始起主导作用,当土壤湿度降低到一定程度时,蒸散发也将随之减少,从而减缓土壤湿度的降低速率,骤旱可能演变成传统的干旱。从这个角度来说,骤旱可以认为是某些传统干旱的爆发阶段。然而,并非所有干旱的爆发阶段都具有骤旱的特征。事实上,很多干旱事件的发展十分缓慢且在初期没有明显的征兆。因此,虽然骤旱概念的“雏形”在2002年由Svoboda et al.(2002)提出,但是直到2012年美国中西部平原发生特大干旱之后,才引起人们的广泛关注(Hoerling et al.,2014;Kam et al.,2014;Otkin et al.,2016)。值得注意的是,继2012年美国中西部平原骤旱之后,全球各地相继报道了一系列影响巨大的骤旱事件,如2013年我国长江中下游骤旱(Yuan et al.,2015)、2015/2016年南部非洲骤旱(Yuan et al.,2018)、2017年美国北部平原骤旱(Gerken et al.,2018)、2017/2018澳大利亚东部骤旱(Nguyen et al.,2019)等。由于干旱具有多尺度特征(袁星等,2020),最近十年频发的骤旱事件是否与气候干湿状况的年代际变化有关是一个值得进一步研究的科学问题(Heim,2017),但骤旱与近年来屡创新高的全球气温以及极端高温热浪事件似乎不无关系。

  • 在全球增暖背景下,降水的变化不足以完全解释干旱强度和范围的变化,高温引起的蒸散发增强成为加剧干旱的重要因素。目前主流的观点认为:全球增暖引起高温热浪频发,不一定直接触发干旱;但当干旱发生时,高温热浪将使得干旱发展更为迅速、强度更大(Trenberth et al.,2014)。另一方面,干旱也为高温热浪的产生提供有利的大气环流和下垫面条件(Mueller and Seneviratne,2012;Miralles et al.,2014)。干旱和高温热浪之间存在相互作用,使得干旱和高温共同发生的概率显著增加(Hao et al.,2013;Diffenbaugh et al.,2015;Mazdiyasni and Aghakouchak,2015),且在未来增温情景下将进一步增加(Chiang et al.,2018)。传统的干旱一般持续几个月到数年,其爆发过程至少也需要一个月甚至数月,因此一次高温热浪事件很难触发一次传统的干旱事件。但是,一次持续数周的骤旱事件很可能由一次热浪事件触发(Mo and Lettenmaier,2015),高温热浪过程中的强辐射、强蒸散正是骤旱发生的有利气象条件。从这个角度来看,骤旱可能比传统干旱对于全球增暖更为敏感(Yuan et al.,2019)。换句话说,在全球气温持续升高的背景下,骤旱可能会成为干旱的一种“新常态”,需要进行深入的研究。

  • 骤旱概念的“雏形”由Svoboda et al.(2002)在介绍美国干旱监测系统时提出,用以描述由于严重热浪和短期干燥引起快速发展的一类干旱,它会对农业、林业和畜牧业等部门产生显著影响。但是,该工作并没有明确提出骤旱的定义,也没有具体的骤旱个例。2012年美国中西部平原骤旱之后,美国干旱特别工作组(U.S.Drought Task Force)开展了一系列针对性的工作,并由Mo and Lettenmaier(2015)提出了一个明确的骤旱定义:当候(5 d)平均高温异常、蒸散发正异常以及土壤湿度负异常均达到一定阈值时,则认为发生了骤旱。但Otkin et al.(2018)的研究综述对该定义进行了质疑,认为骤旱的主要特征应该包括快速发展并达到一定严重程度这两个方面,而这些在Mo and Lettenmaier(2015)的定义中没有很好地体现。遗憾的是,Otkin et al.(2018)并未明确提出骤旱的定义。Mo and Lettenmaier(2015)定义的骤旱,没有排除一些短期的高温干燥过程(比如5~10 d),也没有将“干旱”与“干燥”明确区分,存在一定缺陷,但其将传统的年代际年际季节尺度干旱研究拓展到更短时间尺度,是一个不小的进步。Yuan et al.(2019)基于候平均的土壤湿度,发展了一个基于土壤湿度下降速率和干旱持续时间的骤旱识别方法,明确识别了骤旱的爆发和恢复阶段。鉴于目前的国内外研究仍然对骤旱定义存在分歧,本文将客观评述各类骤旱识别方法,并提出可供参考的骤旱定义。此外,需要明确的几点包括:1)如何刻画骤发性、持续性,如何确定骤旱的典型时间尺度?骤旱与传统干旱的区别和联系是什么?2)目前国内外的骤旱研究重点关注哪些方面?3)骤旱研究中具有挑战性的前沿科学问题有哪些?本文试图对这些问题进行探讨,以期抛砖引玉。

  • 1 骤旱定义的争论

  • 目前的骤旱定义主要分为3类(表1):1)基于候(5 d)平均的气温、蒸散发、土壤湿度等水文气象要素的联合概率分布,各要素同时达到一定阈值(如气温距平高于一个标准差、蒸散发距平为正、土壤湿度低于40%分位数),则认为发生骤旱(Mo and Lettenmaier,2015,2016;Wang et al.,2016;Zhang et al.,2017);2)考虑骤旱的快速发展过程及干旱阈值,如候平均的土壤湿度或标准化蒸发胁迫比例指数在20~30 d之内由40%分位数降低为20%分位数,则认为发生骤旱(Ford and Labosier,2017;Christian et al.,2019),但该定义未考虑骤旱的恢复阶段;3)在2)的基础上,明确提出骤旱在爆发阶段,候平均的土壤湿度百分位数下降速率不低于5%,当土壤湿度恢复至20%分位数以上时,认为该骤旱事件终止,并且整个骤旱事件的持续时间不少于15 d(Yuan et al.,2019),该定义同时考虑了骤旱的爆发和消亡阶段,能够刻画一次完整的骤旱过程,骤旱事件的持续时间随不同的水文气象条件动态变化。

  • 值得一提的是,这些定义都基于候(5 d)平均的水文气象要素,以期刻画骤旱的快速变化过程。这区别于传统干旱研究主要关注月尺度、年尺度甚至年代际尺度的水文气候异常。不同定义争论的本质在于如何理解骤旱与传统干旱之间的区别与联系。Mo and Lettenmaier(2015,2016)的定义关注触发骤旱的气象条件:高温、少雨、强蒸散等,但该定义下绝大多数骤旱的持续时间太短(平均5~7 d),以至于对生态环境造成的负面影响非常有限。因此,尽管骤旱的持续时间比传统的季节年代际尺度干旱要短,但其作为一种干旱类型,也需要满足干旱的基本特征:存在持续性的缺水,从而对自然或社会系统产生影响。此外,该定义利用气温、土壤湿度、蒸散发等要素的联合分布来进行识别,应该称之为“复合型极端事件”,而不仅仅是一次干旱(干燥)过程。后续的一些研究,仅采用土壤湿度或者蒸散发来刻画干旱(缺水)过程,这与传统的干旱定义更为一致。Ford and Labosier(2017)通过考虑土壤湿度下降速率,刻画了骤旱的爆发阶段,但其并未明确骤旱的持续时间,没有排除一些短期的“干燥”事件(比如土壤湿度百分位数在10 d内由40%降为20%)。

  • 表1 骤旱的定义分类

  • Table1 Definition and classification of flash drought

  • 注:本表仅列出具有明确骤旱定义的代表性文献.

  • 因此,Koster et al.(2019)在Ford and Labosier(2017)基础上,将持续时间固定为20 d,并以此识别美国大陆的骤旱,但该工作未能考虑不同区域的骤旱可能存在不同的持续时间。Christian et al.(2019)及其合作者们的一系列工作,通过考虑标准化蒸发胁迫比例指数的变化速率,并将持续时间规定在30 d及以上,来识别骤旱的爆发阶段。这些定义强调了骤旱与传统干旱的一个显著区别—发展迅速,同时也认为骤旱是干旱的一种,即必须满足一定程度持续性的缺水。不足的是,没有明确骤旱的消亡过程,从而不易评估骤旱的持续时间和强度,以及相应的生态环境影响。一般认为,干旱的持续时间越长,影响越大。骤旱作为干旱的一种,也应具有类似特征。当然,在候(5 d)尺度来识别干旱过程,其持续时间超过2~3 mon的情形是很罕见的。

  • 鉴于以上工作的不足,Yuan et al.(2019)通过考虑骤旱的突发性、严重性等特征,发展了一个基于土壤湿度下降速率和干旱持续时间的骤旱识别方法,完整地描述了骤旱事件的爆发和消亡过程。该定义要求骤旱至少持续15 d以上,并发现我国南方地区骤旱的平均持续时间为20~30 d,北方地区平均持续时间为30~40 d(Yuan et al.,2019)。对于一些极端的骤旱个例,可能持续60 d甚至更长。这表明,骤旱比较典型的时间尺度为15~60 d(根据不同阈值可适当延伸),正好对应于次季节尺度。根据Yuan et al.(2019)的定义,可以将骤旱无缝隙地纳入多尺度干旱过程(袁星等,2020),从而将干旱研究从年代际到季节尺度拓展到次季节尺度,这对于干旱的实时监测和短期预测无疑是必要的,对于干旱的长期变化研究也提出了新的挑战。例如,在气候变化背景下,骤旱将如何变化?因此,本文认为,骤旱是众多干旱中的一种,符合传统干旱的一些基本特征:1)有完整的爆发和消亡过程;2)需要达到干旱阈值并有一定的持续时间;3)一般来说,持续时间越长,影响越大。与传统干旱的主要区别在于:1)发展阶段非常迅速,能够在短时间内(比如10~20 d内)达到某个干旱阈值;2)典型的持续时间一般比传统干旱的持续时间要短。可以想象,某些特别极端的骤旱,可能演变为季节性干旱。如2012年美国中西部平原特大干旱,在5月出现了典型的骤旱,随后持续到夏秋季节。对于这类触发季节性干旱的骤旱,尤为值得关注,因为快速发展的骤旱将使得这类季节性干旱非常难以预报(Hoerling et al.,2014)。

  • 传统的干旱分为气象干旱、农业干旱、水文干旱以及社会经济干旱等。可以预见,骤旱也可根据所关注的要素及对象,区分为不同类型。目前,基于土壤湿度(Yuan et al.,2019;Li et al.,2020;Liu et al.,2020)和蒸散发(Christian et al.,2019;Nguyen et al.,2019)的骤旱研究较多,可归为农业骤旱或生态骤旱。Noguera et al.(2020)利用周平均的标准化降雨蒸发指数(SPEI)研究了西班牙的骤旱变化特征,可认为是气象骤旱。气象和农业骤旱都集中在次季节尺度,特别是在植被生长的关键时期,短时间尺度的干旱也将对植被生态系统产生严重影响(Hunt et al.,2014;Zhang and Yuan,2020)。尽管也可用相关指数定义水文骤旱、社会经济骤旱,但它们对水文过程或者社会过程的影响还有待进一步研究。由于干旱传递过程的影响(Ma et al.,2019),水文干旱和社会经济干旱相对于同尺度的气象干旱和农业干旱滞后且发展缓慢。因此,相较于气象骤旱和农业骤旱,水文骤旱和社会经济骤旱的发展速度可能较为缓慢,持续时间可能更长,相关的研究也应更加关注干旱的影响,特别是干旱快速发展过程的影响。

  • 2 国内外骤旱研究进展

  • 2.1 极端骤旱个例研究

  • 洪水、干旱等研究往往由某些特别极端的个例事件推动,骤旱也不例外。2012年美国中西部平原夏季干旱是该地区近百年来最严重的一次干旱。由于来自墨西哥湾水汽输送及气旋活动减少,以及高压异常导致夏季对流活动受到抑制(Hoerling et al.,2014),干旱面积从5月开始迅速扩张(图1),造成了大量作物减产和经济损失。不同学者从干旱成因和可预报性(Hoerling et al.,2014;Wang et al.,2014;PaiMazumder and Done,2016;Pendergrass et al.,2020)、干旱演变过程及监测(Otkin et al.,2016;Basara et al.,2019)、干旱对碳和水分能量循环影响(He et al.,2018)等方面开展了大量研究。毫无疑问,2012年美国中西部骤旱具有里程碑意义,引起了全球不同国家和地区学者对骤旱研究的广泛兴趣,这其中不乏激烈的争论(Mo and Lettenmaier,2015;Otkin et al.,2018),进一步推动了骤旱研究的发展。

  • 我国最早由Yuan et al.(2015)开展骤旱研究,并针对2013夏季长江中下游地区百年一遇的干旱,对比了大气和陆面再分析资料、以及欧空局土壤湿度遥感产品对该次骤旱的捕捉能力。2013年骤旱使我国南方陆地生态系统的碳汇减少了约40%(Yuan et al.,2016),副热带森林生态系统甚至由碳汇变成了碳源(Xie et al.,2016)。2017年5—7月美国北部平原和加拿大平原地区发生一场严重的骤旱,造成近25亿美元的农业损失。该次骤旱发生前,潜在蒸散发没有异常,但受到抑制的对流降水使得干旱迅速发展(Gerken et al.,2018)。澳大利亚东部地区从2017年12月到次年1月经历了一场由湿转干的快速变化过程,高温缺水气象条件使得蒸发胁迫指数快速下降,牧草减少使畜牧业严重受损(Nguyen et al.,2019)。

  • 2.2 气候变化和人类活动对骤旱影响

  • IPCC第五次评估报告指出,由于气候系统内部变率较大、观测数据缺乏、干旱指数繁多等原因,自20世纪50年代以来全球干旱的变化是否受到人为气候变化影响存在很大的不确定性(IPCC,2013)。相比于气温变化,干旱变化的检测与归因研究仍然具有很大的挑战性。骤旱作为干旱的一种,其变化也受到气候系统内部变率、自然强迫(太阳黑子、火山活动等)和人类活动(如人为温室气体排放、气溶胶排放、土地利用变化)等因素的影响。受骤旱定义争论的影响,气候变化和人类活动对骤旱影响的研究仍处在起步阶段。已有研究主要集中在骤旱历史变化规律分析和人为温室气体排放影响等方面。

  • 图1 2012年美国中西部平原骤旱的演变过程(单位:%;基于GLDAS2再分析资料的候平均土壤湿度百分数)

  • Fig.1 Evolution of flash drought over USA Midwest Plain in 2012(units:%;Each panel shows the pentad mean soil moisture percentile from GLDAS2 reanalysis data)

  • Mo and Lettenmaier(2015)基于复合型骤旱指标(表1),研究了美国1916—2013年骤旱变化特征,发现骤旱发生频率整体呈下降趋势,但2011年之后有所回升。Wang et al.(2016)利用类似定义,发现在我国骤旱易发生于湿润半湿润地区(如我国南方、东北地区),且其发生频率在1979—2010年间显著增加。1997/1998年厄尔尼诺之后十余年间中国区域气温增加减缓,但由于蒸散发增加、土壤变干,导致骤旱加速增加(Wang et al.,2016)。鉴于发生发展迅速是骤旱的主要特征,Yuan et al.(2018)在上述定义中加入了候平均土壤湿度百分位数至少比前一候下降超过10%这一限制条件,基于气象观测数据及CMIP5模式不同强迫下的气候模拟结果驱动陆面水文模型VIC,针对2015/2016年非洲南部的骤旱事件开展研究并检测人类活动影响。结果表明,在过去60 a中,人为气候变化使得非洲南部的骤旱风险增加了3倍(Yuan et al.,2018)。

  • 考虑到骤旱爆发和恢复过程、以及快速发展和持续性等特征,Yuan et al.(2019)提出了新的骤旱定义(表1),针对我国骤旱事件的频率、持续时间、强度及暴露度风险的历史变化归因及未来预估等开展了全面研究。结果表明,我国骤旱发生的频率、持续时间及严重程度在21世纪中叶及21世纪末都会有不同程度的增加。在中等社会经济发展情景下,我国骤旱暴露度风险将会在21世纪中叶增加约(23%±11%),其热点区域位于我国南方大部分省份(图2)。利用最优指纹法进行检测与归因,发现人为温室气体排放导致的人为气候变化能解释(77%±26%)的骤旱增加趋势(Yuan et al.,2019)。

  • 2.3 骤旱的生态环境效应

  • 干旱能够影响植被组成、结构及功能的变化,是陆地生态系统与碳循环重要的扰动因子。极端干旱事件导致陆地生态系统碳汇显著减少(Ciais et al.,2005;Reichstein et al.,2013),并进一步增加未来气候变化的风险。站点观测、遥感反演、以及生态模型模拟为定量评估干旱事件对陆地生态系统的影响提供了有效手段,也逐渐被用于研究骤旱的生态环境效应。Otkin et al.(2016)利用遥感反演的植被和蒸散发胁迫指数、作物产量、土壤湿度再分析以及US-DM等资料研究了2012年美国中西部平原骤旱的演变过程,发现不同作物对骤旱的响应速度差异明显。Jin et al.(2019)通过分析AmeriFlux通量观测和卫星遥感数据,并结合生态系统模型的模拟结果,发现2012年美国中西部干旱使该区域植被绿度及碳汇均有下降,其中草地下降最为显著。2017年美国北部平原骤旱过程中,高分辨率遥感蒸散发及日光诱导叶绿素荧光分别减少了25%和11%(He et al.,2019)。在2013年我国南方骤旱期间,涡度相关观测及模型模拟研究表明碳汇明显下降,高温及干旱均使得植被的光合作用减弱,高温促进了植被呼吸作用而干旱则相反(Xie et al.,2016;Yuan et al.,2016)。

  • 图2 中国区域骤旱风险未来预估(21世纪中叶30 a(2040—2069年)相比于20世纪末30 a(1970—1999年)骤旱暴露度风险变化百分比;引自Yuan et al.(2019))

  • Fig.2 Future projection of flash drought risk in China(Percentage change of flash drought exposure risk during2040—2069 compared with 1970—1999;Modified from Yuan et al.(2019))

  • 目前,骤旱影响研究多集中在个例分析,系统评估骤旱生态效应的工作较为少见。Zhang and Yuan(2020)通过分析FLUXNET全球29个通量站长达10 a的土壤湿度及碳通量观测数据,发现植被初级生产力(GPP,Gross Primary Productivity)对骤旱响应迅速。在识别的151次土壤骤旱事件中,超过50%的土壤骤旱发生半个月后即导致GPP开始下降。GPP负异常在土壤骤旱恢复阶段较爆发阶段更明显,且在土壤骤旱恢复之后,GPP负异常仍在持续(图3)。Zhang and Yuan(2020)发现,作物和热带草原的水分利用效率在骤旱期间减少,而森林的水分利用效率则有一定程度增加。除站点尺度骤旱生态效应研究,Zhang et al.(2020a)基于MODIS遥感反演资料,分析了中国区域骤旱对植被碳汇及其结构的影响,发现GPP、植被净初级生产力(NPP)及叶面积指数(LAI)对骤旱响应迅速,且北方地区受水分胁迫影响,植被响应速度快于南方。

  • 图3 植被对骤旱的响应(基于由FLUXNET站点识别出的151次骤旱事件,给出了骤旱前5 d(a)、骤旱爆发阶段(b)、骤旱恢复阶段(c)以及骤旱结束后5 d(d)的植被总初级生产力(GPP)标准化异常合成;SAV为热带稀树草原,CROP为雨养作物,MF为混交林,DBF为落叶阔叶林,ENF为常绿针叶林;引自Zhang and Yuan(2020))

  • Fig.3 Response of vegetation to flash drought(Based on 151 flash drought events identified from FLUXNET stations,each panel shows composite standardized anomalies of vegetation gross primary productivity(GPP) during(a) 5 days before flash drought,(b) onset and(c) recovery stages of flash drought,and(d) 5 days after flash drought.SAV is savanna,CROP is rainfed cropland,MF is mixed forest,DBF is deciduous broadleaf forest,and ENF is evergreen needleleaf forest;Modified from Zhang and Yuan(2020))

  • 3 骤旱研究中的挑战

  • 3.1 骤旱成因及驱动机制

  • 到目前为止,骤旱成因及驱动机制的研究工作并不多见。Mo and Lettenmaier(2015,2016)将骤旱区分为降水亏缺型和热浪型,但其研究的对象不是真正意义上的骤旱而是复合型极端事件,且未研究干旱快速发展的原因。事实上,与其他极端事件类似,骤旱发生的原因,更多是由天气或者气候内部变率造成。以土壤骤旱为例,降水亏缺和蒸散发增加都可能导致骤旱。前者是传统干旱的主要原因,研究其对骤旱影响更多应该关注降水的时空分布特征是否发生了显著变化,以致干旱发生时,发展异常迅速。Yuan et al.(2019)发现,在全球增暖背景下,中国区域未来降水在生长季是增加的,但其变率也显著增加,从而增加极端旱涝的概率。而在研究降水对某次骤旱过程的影响时,仍需研究何种降水分布特征导致骤旱,何种分布将造成传统的(缓变)干旱。当然,在很大程度上可以借鉴已有的干旱研究成果(Zhang et al.,2020b)。相比降水,蒸散发对骤旱的影响更为复杂。一般来说,当土壤水分主要受能量控制时,高温、强烈的太阳辐射能增加蒸散发,导致土壤水分快速下降。但随着土壤变干,蒸散发更多地受水分控制从而开始减少,使土壤水分下降速度也相应减缓。因此,蒸散发由能量控制转变为水分控制的临界点所对应的水文气象条件,对于能否发生骤旱非常重要(Koster et al.,2019)。至于高温是否触发骤旱,取决于高温是否出现于骤旱之前,因为高温和干旱是互相影响的过程。何种情况下热浪触发骤旱,何种情况下骤旱触发热浪,涉及骤旱发展演变过程中下垫面和大气边界层水热耦合以及地表能量和水分的再分配过程,也是非常值得深入探讨的问题。此外,太阳辐射、风速等能量和动力因子的变化,也对蒸散发产生影响,从而影响骤旱。

  • 除上述陆气相互作用对骤旱影响外,海洋异常、气候系统外部强迫(温室气体和气溶胶排放)、以及局地的人类活动(下垫面变化)如何影响骤旱,也是非常有挑战性的科学问题。例如,CO2浓度升高一方面通过施肥效应使得植被绿化、增加蒸散发,而另一方面通过抑制气孔导度减少蒸散发损失。在干旱过程中,CO2浓度变化如何影响蒸散发,决定其是否直接影响骤旱的发生发展。退耕还林引起的蒸散发损失增加、城市化引起的“干岛”效应,是否影响骤旱?回答这些问题亟须利用地球系统科学的方法,从全球变化的视角,来审视骤旱的成因及驱动机制。

  • 3.2 骤旱影响评估

  • 骤旱生态环境效应的评估多集中在极端个例研究(Otkin et al.,2016),如何从气候学的角度系统评估骤旱影响,这方面的工作还刚刚开展(Zhang and Yuan,2020)。以骤旱对植被影响为例,如果干旱时间过短,可能不足以对生态系统产生负面影响;反而,轻度的干旱可能促进植被的生长。此外,植被对干旱的响应普遍存在滞后,而一般干旱持续越长,对植被的影响越大。因此,如果仅关注骤旱的快速发展(爆发)过程,骤旱对生态环境的影响是有限的。可以预见,如果一次骤旱后紧跟着发生持续性的干旱,对植被的影响可能是巨大的。但这种影响应该归因于骤旱还是持续性干旱,或者说,从何种角度来评价骤旱的影响,也是一个值得深思的问题。

  • 目前,骤旱影响的评估手段包括观测分析和数值模拟。除FLUXNET等碳水通量常规站点观测外,部分卫星遥感资料也已长达20~30余年,为研究全球和区域尺度的骤旱影响提供了便利。此外,近年来出现的一些新的遥感手段,如日光诱导叶绿素荧光(He et al.,2019)等,有望更及时有效地探测骤旱对植被生态系统的影响。但是,遥感资料与生态站点观测相比,仍然存在很大的不确定性,为量化骤旱影响带来了不小的困难。除观测分析外,数值模拟也逐渐成为干旱影响评价的重要手段。以陆面模型为例,已从简单的水桶模型发展为包含复杂生态和生物地球化学循环的陆面综合集成模型(戴永久,2020),也被广泛用于评价干旱的影响(Xie et al.,2016;Yuan et al.,2016)。但由于植被对干旱的响应,因气候条件、地理因素、植被类型、物候等不同而存在显著差异,在模型中如何刻画气孔导度与土壤水分胁迫和大气饱和水汽压差的动态关系,仍然有非常大的改进空间。在地球系统模式的框架下,发展高分辨率陆面模型(Wood et al.,2011;戴永久,2020)细致刻画陆面过程异质性和局地人类活动影响,是一个非常值得尝试的思路。

  • 3.3 骤旱监测预警

  • 尽管骤旱成因和驱动机制的相关理论尚不成熟、骤旱影响也缺乏定量评价,但仍有必要及时开展骤旱监测预警研究。一方面是由于骤旱本身对农业、林业、水资源安全带来的风险巨大,另一方面通过对最新骤旱事件的监测预警,也能进一步推动相关理论研究。骤旱的监测应当包括不同要素(如降水、气温、土壤湿度、蒸散发、植被结构、植被生产力),利用多种手段(水文气象站点监测、遥感监测、实时数值模拟),并面向不同行业(如农业、林业、水利、环境,甚至风险投资等)。针对不同要素和不同行业的监测需要发展相应的骤旱指数和风险评估指数,这需要理解不同类型骤旱之间的联系。而不同的监测手段所对应的尺度也不尽相同,这对骤旱事件的识别以及时空尺度的界定提出了新的挑战。

  • 目前国内外还没有成熟的骤旱预警系统,主要原因可能有如下几点:1)骤旱定义存在争论;2)骤旱相应时间尺度的主要可预报性来源不甚明确、是否具有预报技巧仍属未知;3)没有明确将骤旱与其他尺度干旱进行区分。随着次季节到季节预测计划(S2S)的推进,有必要将骤旱列入一类特殊的极端天气现象并加强相关的可预报性研究。相对于季节尺度干旱,骤旱可能更难预测,这需要在传统预测方法(例如集合预测)基础上,发展一些新的技术,如机器学习等,提高骤旱的预报技巧。同时,将骤旱作为多尺度干旱(袁星等,2020)的重要部分,通过研究骤旱与其他尺度干旱之间的联系(Wang and Yuan,2018),深化对可预报性来源的认识,延长骤旱的预见期。

  • 4 结论

  • 本文阐述了骤旱定义争论的由来,指出争论的本质在于如何看待骤旱与传统干旱的区别与联系。然后,从若干极端个例研究、气候变化和人类活动影响、以及生态环境效应等方面回顾了过去6 a来骤旱研究领域的主要进展。随着对骤旱认识的深入,亟需从全球变化的视角、利用地球系统科学的方法研究骤旱的成因和驱动机制,发展先进的监测和模拟技术、定量评估骤旱对生态环境的影响,并针对多要素、利用多手段、面向多行业开展监测预警实践,深入认识骤旱的可预报性来源,开展预报预测预估方法研究,以主动适应日益增加的骤旱风险。

  • 参考文献

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