水文气候交叉新进展！ 利用大气运动重建全球陆地干旱

全球高温干旱的成因和影响因素有很多，包括但不限异常的大尺度环流和遥相关型、热带海洋异常及其激发的波列、登陆台风的减少、干旱发展过程中与土水密切相关的陆气耦合作用，以及近年广为关注的沿海地区的海洋热浪等。由此可见，高温干旱的成因众多，影响途径复杂，有明显的地理和季节差异。然而，它们在局地动力异常上也存在共性，即是增强的动力下沉和常常伴随的低空反气旋。

关于致旱致热的动力认识，仍有两个有趣但有待解决的问题：

1）是否高温干旱的水文气候特征能直接用大气动力异常重建。

2）不同形式动力异常在高温干旱重建中的具体贡献又如何。

为此，本研究借助XGBoost可解释性模型，利用三种形式的大气动力变量（垂直速度、相对涡度、水平散度），对极端干旱时的降水、气温、表层土水等进行统计重建，并量化动力因子的致旱致热贡献，所得成果可为全球干旱监测和预测工具研发提供理论基础。

一、区域干旱的精细化模拟：基于前期“大气动力-水文气候同期统计联系”的统计重建

考虑到季节尺度长历时极端干旱事件往往对应着持续稳定的大气动力异常，那么干旱极值状态时的“大气动力-水文气候的同期联系”可能早已存在于干旱前兆信号中。通过量化干旱发生前的已存在的“大气动力-水文气候的同期统计联系”，代入干旱极值时刻的大气动力异常，反演得到相应的干旱和热浪分布。

该部分研究以2011年德州干旱和2012年大平原干旱为重建对象，选取该时刻之前的6个不同前滞时间、长度为30天的滑动窗口内的数据进行模型率定，进而对干旱极值时刻的空间分布进行反演，结果发现，这两场干旱和同期高温的好的重建表现，往往不同步。比如2011德州干旱，提前5个月的动力-水文气候关系已经存在，而高温则仅提前两月；相反，2012大平原干旱，高温分布提前5个月即可捕获，而干旱重建仅提前2个月。就其直接物理成因，与局地的反气旋、动力下沉这两者的不同步变化有关。

二、区域干旱的精细化模拟：年际变率上的统计重建

图1. 基于XGBoost模型及其特征重要性FI的2010年俄罗斯西部夏季热旱和2015/2016年南美洲热带地区大旱的干旱极值时刻的年际变率上的水文气候变量模拟及其致旱动力因子贡献

如图1，不论是2010年欧洲超级大旱，还是15/16年南美洲热带大旱，基于XGBoost的年际模拟，在抓住干旱、热浪信号的空间部分上，都有一定较好的表现，甚至对于表层土壤含水量的异常和实际蒸散发空间部分，也有一定的指示效果。进一步地，通过“致旱因子贡献图”分析，可以发现两条结论：

1）对干旱和同期高温热浪的动力因子有一些区别。例如，针对2010欧洲大旱，致旱因子贡献主要为对流层中层垂直运动且包括低层涡旋运动；而对于同期高温异常，主要致旱因子是对流层中高层涡旋；

2）对于中纬度欧洲大旱和热带的南美洲大旱，低空气旋和反气旋运动是否有贡献是重大差别（图1(a3）和（e3）)。

三、全球干旱的快速统计模拟之“致旱致热因子贡献定量化”

图2. 全球尺度年际变率上的干旱统计模拟的不同方案的效果评估（（A）和（B））以及基于“All (omega+rv+div)”方案的致旱动力因子贡献的纬度-因子分布图（（C）和（D））。

由图（2A-2B）可见，垂直运动（OMEGA）是致旱主导因子，考虑散度和涡度后的“All方案”对干旱模拟改进不大；而相对涡度（RV）虽是温度模拟主导因子，但考虑散度、垂直运动后的“ALL”方案，效果改进明显。由图（2C-2D）可见，从可解释性角度，全球干旱重建的动力贡献具有显著纬度带差异。例如，低空气旋/反气旋异常与中层垂直运动的致旱贡献同样重要（Region I），对北半球中高纬干旱发展有重要贡献；而对流高层异常下沉对热带干旱同期的近地面气温异常有重要作用（Region III）。

今年9月，该工作以“Global-scale Interpretable Drought Reconstruction Utilizing Anomalies of Atmospheric Dynamics”为题发表在《Journal of Hydrometeorology》期刊上。复旦大学大气与海洋科学系/大气科学研究院周文教授课题组的博士后刘臻晨博士为本文第一作者，周文教授为通讯作者，合作者包括本课题组青年副研究员张如华博士、张悦博士，以及中国科学院大气物理研究所 大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的汪亚博士。本项研究得到了国家自然科学基金重点国际（地区）合作研究项目（编号 42120104001）的全力资助。

【论文信息】

Liu, Z., Zhou, W., Zhang, R., Zhang, Y., & Wang, Y. (2022). Global-Scale Interpretable Drought Reconstruction Utilizing Anomalies of Atmospheric Dynamics, Journal of Hydrometeorology, 23(9), 1507-1524. https://doi.org/10.1175/JHM-D-22-0006.1

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