地大新闻网讯 （通讯员 王思琪）近日，由我校国家地理信息系统工程技术研究中心陈能成教授带领的智慧地球团队与国内外合作者，在《自然》（Nature）子刊《自然·城市》(Nature Cities)发表题为《全球范围城市化导致的极端干旱加剧》的学术论文，定量揭示了全球城市化对局地极端干旱加剧的影响。论文第一作者为该团队2022级博士生黄舒哲，通讯作者为陈能成教授与武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室王超副教授。同期，《自然》杂志特邀作者在Nature Research Briefing专栏以题为《城市化加剧了全球几乎一半城市的极端干旱》，在线报道了该研究成果。
在过去的半个世纪中，快速的城市化进程加速了城市面积扩张和人口集中。城市化产生的一系列气象、水文以及生态效应，一直是近几十年被重点关注的研究课题。尽管城市热岛效应和城市干岛效应的影响已经广为人知，但目前对局地干旱与城市化之间关联的定量认知仍然有限。亟待解答的问题包括：城市化在多大程度上影响了局地干旱？城市化如何影响局地干旱？城市化对局地干旱的影响在未来是否还会持续？为此，本研究结合全球历史观测数据、高分辨率模型模拟以及未来情景预测数据，全面系统地分析了全球城市化对局地干旱的影响。
从全球视角来看，城市化对局地干旱产生了显著且差异化的影响（图1）。相较于中低强度的干旱，极端干旱在城市化下受到更显著的影响。全球约40%的城市和城市站点表现出城市化显著加剧了极端干旱，大约是城市化导致局地干旱缓解城市数量的4—5倍。具有干旱加剧效应的城市广泛分布在全球范围，尤其是中国东部、美国西部、印度和南非。并且城市化加剧极端干旱现象在大型城市和植被覆盖相对较少的城市更为显著。城市化缓解了局地干旱的城市稀疏地分布在各个大洲，但在沿海地区尤其是美国西南部和地中海地区呈现较为聚集的分布，可能与海洋丰富的水汽资源缓解城市显热并提高湿度水平有关。
图1 全球城市化对不同局地干旱指标的影响及分布
为了进一步了解城市化对局地干旱加剧效应的潜在机制，本研究基于高分辨率WRF模型，模拟并对比分析了全球六个代表性城市区域在高度城市化场景和无城市化场景下的干旱变化情况。研究结果表明，从无城市化到高度城市化的转变导致了极端干旱严重程度增加了3%—9%（图2）。
图2 城市化对局地干旱影响的潜在机制
通过比较无城市化和高度城市化场景之间干旱关联因素的变化，研究发现城市区域愈加干燥和高温的环境极大地促进了对局地干旱的加剧（图3）。具体来说，城市化伴随的频繁且快速的地表覆盖的转变，显著影响了局地的水分和能量平衡。植被覆盖的减少以及不透水面的扩张，分别降低和增加了城市的潜热通量和显热通量，进一步导致了城市热岛效应的加剧和城市用水需求的增加。此外，城市化增加了大气水汽压差并降低了空气相对湿度，使得城市处于更加干燥的环境，即干岛效应。在这些因素的累积影响下，模拟结果显示城市区域的弱降雨受到了抑制，并进一步加剧了城市局地干旱的严重程度。
图3 城市化对局地干旱影响的潜在机制
通过使用CMIP6的HighResMIP情景模拟数据，本研究预测了未来城市化对局地干旱的影响（图4）。结果表明，未来三十年，全球大多数区域的干旱情况预计会加剧。在约70%的IPCC-AR6子区域（IPCC第六次评估划定的气候分区）中，城市区域面临的干旱风险高于农村区域。约70%和57%的城市区域的极端SPEI（极端标准化降水蒸散指数）和干旱烈度表现出更显著的下降趋势，平均斜率分别为-1.02 yr-1和-1.52 yr-1。
图4 未来情境下城市化对局地干旱影响的预测
城市化导致的城市区域极端干旱的加剧，也将阻碍联合国2030年议程中至少5个可持续发展目标（SDGs）的实现，包括目标6“Clean water and sanitation”、目标11“Sustainable cities and communities”和目标15“Life on land”等。
本研究通过对城市化与局地干旱的关联的全面分析，定量揭示了城市化影响下极端干旱的加剧，并探讨了潜在机制。随着城市扩展和人口增长的持续，这些发现将增强对城市化在局地干旱发生发展过程中的作用的理解，为城市干旱的防灾减灾以及城市可持续发展提供理论支撑。
该研究成果受到了湖北珞珈实验室基金、国家自然科学基金委、科技部国家重点研发项目等联合资助。合作作者包括了武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室夏军院士、我校张翔教授和王思琪博士后、美国德州大学奥斯汀分校Dev Niyogi教授和美国西北大学Daniel Horton教授等国内外学者。（编辑 孙彦钦 审稿 陈华文）
论文链接：https://www.nature.com/articles/s44284-024-00102-z
