地大新聞網(wǎng)訊 （通訊員 王思琪）近日，由我校國(guó)家地理信息系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心陳能成教授帶領(lǐng)的智慧地球團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外合作者，在《自然》（Nature）子刊《自然·城市》(Nature Cities)發(fā)表題為《全球范圍城市化導(dǎo)致的極端干旱加劇》的學(xué)術(shù)論文，定量揭示了全球城市化對(duì)局地極端干旱加劇的影響。論文第一作者為該團(tuán)隊(duì)2022級(jí)博士生黃舒哲，通訊作者為陳能成教授與武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王超副教授。同期，《自然》雜志特邀作者在Nature Research Briefing專(zhuān)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(xiàn)報(bào)道了該研究成果。
在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，快速的城市化進(jìn)程加速了城市面積擴(kuò)張和人口集中。城市化產(chǎn)生的一系列氣象、水文以及生態(tài)效應(yīng)，一直是近幾十年被重點(diǎn)關(guān)注的研究課題。盡管城市熱島效應(yīng)和城市干島效應(yīng)的影響已經(jīng)廣為人知，但目前對(duì)局地干旱與城市化之間關(guān)聯(lián)的定量認(rèn)知仍然有限。亟待解答的問(wèn)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(duì)局地干旱的影響在未來(lái)是否還會(huì)持續(xù)？為此，本研究結(jié)合全球歷史觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、高分辨率模型模擬以及未來(lái)情景預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，全面系統(tǒng)地分析了全球城市化對(duì)局地干旱的影響。
從全球視角來(lái)看，城市化對(duì)局地干旱產(chǎn)生了顯著且差異化的影響（圖1）。相較于中低強(qiáng)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(diǎn)表現(xiàn)出城市化顯著加劇了極端干旱，大約是城市化導(dǎo)致局地干旱緩解城市數(shù)量的4—5倍。具有干旱加劇效應(yīng)的城市廣泛分布在全球范圍，尤其是中國(guó)東部、美國(guó)西部、印度和南非。并且城市化加劇極端干旱現(xiàn)象在大型城市和植被覆蓋相對(duì)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(gè)大洲，但在沿海地區(qū)尤其是美國(guó)西南部和地中海地區(qū)呈現(xiàn)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(guān)。
圖1 全球城市化對(duì)不同局地干旱指標(biāo)的影響及分布
為了進(jìn)一步了解城市化對(duì)局地干旱加劇效應(yīng)的潛在機(jī)制，本研究基于高分辨率WRF模型，模擬并對(duì)比分析了全球六個(gè)代表性城市區(qū)域在高度城市化場(chǎng)景和無(wú)城市化場(chǎng)景下的干旱變化情況。研究結(jié)果表明，從無(wú)城市化到高度城市化的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致了極端干旱嚴(yán)重程度增加了3%—9%（圖2）。
圖2 城市化對(duì)局地干旱影響的潛在機(jī)制
通過(guò)比較無(wú)城市化和高度城市化場(chǎng)景之間干旱關(guān)聯(lián)因素的變化，研究發(fā)現(xiàn)城市區(qū)域愈加干燥和高溫的環(huán)境極大地促進(jìn)了對(duì)局地干旱的加?。▓D3）。具體來(lái)說(shuō)，城市化伴隨的頻繁且快速的地表覆蓋的轉(zhuǎn)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(kuò)張，分別降低和增加了城市的潛熱通量和顯熱通量，進(jìn)一步導(dǎo)致了城市熱島效應(yīng)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(duì)濕度，使得城市處于更加干燥的環(huán)境，即干島效應(yīng)。在這些因素的累積影響下，模擬結(jié)果顯示城市區(qū)域的弱降雨受到了抑制，并進(jìn)一步加劇了城市局地干旱的嚴(yán)重程度。
圖3 城市化對(duì)局地干旱影響的潛在機(jī)制
通過(guò)使用CMIP6的HighResMIP情景模擬數(shù)據(jù)，本研究預(yù)測(cè)了未來(lái)城市化對(duì)局地干旱的影響（圖4）。結(jié)果表明，未來(lái)三十年，全球大多數(shù)區(qū)域的干旱情況預(yù)計(jì)會(huì)加劇。在約70%的IPCC-AR6子區(qū)域（IPCC第六次評(píng)估劃定的氣候分區(qū)）中，城市區(qū)域面臨的干旱風(fēng)險(xiǎn)高于農(nóng)村區(qū)域。約70%和57%的城市區(qū)域的極端SPEI（極端標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)）和干旱烈度表現(xiàn)出更顯著的下降趨勢(shì)，平均斜率分別為-1.02 yr-1和-1.52 yr-1。
圖4 未來(lái)情境下城市化對(duì)局地干旱影響的預(yù)測(cè)
城市化導(dǎo)致的城市區(qū)域極端干旱的加劇，也將阻礙聯(lián)合國(guó)2030年議程中至少5個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）的實(shí)現(xiàn)，包括目標(biāo)6“Clean water and sanitation”、目標(biāo)11“Sustainable cities and communities”和目標(biāo)15“Life on land”等。
本研究通過(guò)對(duì)城市化與局地干旱的關(guān)聯(lián)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(jī)制。隨著城市擴(kuò)展和人口增長(zhǎng)的持續(xù)，這些發(fā)現(xiàn)將增強(qiáng)對(duì)城市化在局地干旱發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用的理解，為城市干旱的防災(zāi)減災(zāi)以及城市可持續(xù)發(fā)展提供理論支撐。
該研究成果受到了湖北珞珈實(shí)驗(yàn)室基金、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目等聯(lián)合資助。合作作者包括了武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室夏軍院士、我校張翔教授和王思琪博士后、美國(guó)德州大學(xué)奧斯汀分校Dev Niyogi教授和美國(guó)西北大學(xué)Daniel Horton教授等國(guó)內(nèi)外學(xué)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(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
