地大新聞網訊 （通訊員 王思琪）近日，由我校國家地理信息系統工程技術研究中心陳能成教授帶領的智慧地球團隊與國內外合作者，在《自然》（Nature）子刊《自然·城市》(Nature Cities)發表題為《全球范圍城市化導致的極端干旱加劇》的學術論文，定量揭示了全球城市化對局地極端干旱加劇的影響。論文第一作者為該團隊2022級博士生黃舒哲，通訊作者為陳能成教授與武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室王超副教授。同期，《自然》雜志特邀作者在Nature Research Briefing專欄以題為《城市化加劇了全球幾乎一半城市的極端干旱》，在線報道了該研究成果。
在過去的半個世紀中，快速的城市化進程加速了城市面積擴張和人口集中。城市化產生的一系列氣象、水文以及生態效應，一直是近幾十年被重點關注的研究課題。盡管城市熱島效應和城市干島效應的影響已經廣為人知，但目前對局地干旱與城市化之間關聯的定量認知仍然有限。亟待解答的問題包括：城市化在多大程度上影響了局地干旱？城市化如何影響局地干旱？城市化對局地干旱的影響在未來是否還會持續？為此，本研究結合全球歷史觀測數據、高分辨率模型模擬以及未來情景預測數據，全面系統地分析了全球城市化對局地干旱的影響。
從全球視角來看，城市化對局地干旱產生了顯著且差異化的影響（圖1）。相較于中低強度的干旱，極端干旱在城市化下受到更顯著的影響。全球約40%的城市和城市站點表現出城市化顯著加劇了極端干旱，大約是城市化導致局地干旱緩解城市數量的4—5倍。具有干旱加劇效應的城市廣泛分布在全球范圍，尤其是中國東部、美國西部、印度和南非。并且城市化加劇極端干旱現象在大型城市和植被覆蓋相對較少的城市更為顯著。城市化緩解了局地干旱的城市稀疏地分布在各個大洲，但在沿海地區尤其是美國西南部和地中海地區呈現較為聚集的分布，可能與海洋豐富的水汽資源緩解城市顯熱并提高濕度水平有關。
圖1 全球城市化對不同局地干旱指標的影響及分布
為了進一步了解城市化對局地干旱加劇效應的潛在機制，本研究基于高分辨率WRF模型，模擬并對比分析了全球六個代表性城市區域在高度城市化場景和無城市化場景下的干旱變化情況。研究結果表明，從無城市化到高度城市化的轉變導致了極端干旱嚴重程度增加了3%—9%（圖2）。
圖2 城市化對局地干旱影響的潛在機制
通過比較無城市化和高度城市化場景之間干旱關聯因素的變化，研究發現城市區域愈加干燥和高溫的環境極大地促進了對局地干旱的加劇（圖3）。具體來說，城市化伴隨的頻繁且快速的地表覆蓋的轉變，顯著影響了局地的水分和能量平衡。植被覆蓋的減少以及不透水面的擴張，分別降低和增加了城市的潛熱通量和顯熱通量，進一步導致了城市熱島效應的加劇和城市用水需求的增加。此外，城市化增加了大氣水汽壓差并降低了空氣相對濕度，使得城市處于更加干燥的環境，即干島效應。在這些因素的累積影響下，模擬結果顯示城市區域的弱降雨受到了抑制，并進一步加劇了城市局地干旱的嚴重程度。
圖3 城市化對局地干旱影響的潛在機制
通過使用CMIP6的HighResMIP情景模擬數據，本研究預測了未來城市化對局地干旱的影響（圖4）。結果表明，未來三十年，全球大多數區域的干旱情況預計會加劇。在約70%的IPCC-AR6子區域（IPCC第六次評估劃定的氣候分區）中，城市區域面臨的干旱風險高于農村區域。約70%和57%的城市區域的極端SPEI（極端標準化降水蒸散指數）和干旱烈度表現出更顯著的下降趨勢，平均斜率分別為-1.02 yr-1和-1.52 yr-1。
圖4 未來情境下城市化對局地干旱影響的預測
城市化導致的城市區域極端干旱的加劇，也將阻礙聯合國2030年議程中至少5個可持續發展目標（SDGs）的實現，包括目標6“Clean water and sanitation”、目標11“Sustainable cities and communities”和目標15“Life on land”等。
本研究通過對城市化與局地干旱的關聯的全面分析，定量揭示了城市化影響下極端干旱的加劇，并探討了潛在機制。隨著城市擴展和人口增長的持續，這些發現將增強對城市化在局地干旱發生發展過程中的作用的理解，為城市干旱的防災減災以及城市可持續發展提供理論支撐。
該研究成果受到了湖北珞珈實驗室基金、國家自然科學基金委、科技部國家重點研發項目等聯合資助。合作作者包括了武漢大學水資源工程與調度全國重點實驗室夏軍院士、我校張翔教授和王思琪博士后、美國德州大學奧斯汀分校Dev Niyogi教授和美國西北大學Daniel Horton教授等國內外學者。（編輯 孫彥欽 審稿 陳華文）
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s44284-024-00102-z
鄂公網安備 42011102004169號
