时间尺度对基于降水量和地下水的干旱-高温极端事件之间关系的影响

《Journal of Environmental Management》：Impacts of timescales on the relationship between compound drought-hot extremes based on precipitation and groundwater

复合型地下水干旱与高温极端事件的空间分布及时间尺度优化研究，揭示其与气象干旱复合事件的差异及成因，提出优化降水累积时间尺度可显著减少两类复合事件的分布差异，为实时监测提供新方法，助力水资源管理。

　　

黄润泽|郝增超|孙亚历山大|赵星宇|张一桐

北京师范大学水科学学院，北京，100875，中国

摘要

同时发生的降水不足（或气象干旱）和高温极端事件，被称为复合气象干旱和高温极端事件（CMDHEs），由于它们对水资源（包括地下水）的潜在放大影响而受到越来越多的关注。由于水文地质过程（如渗透或渗流）的延迟，地下水储存通常会对气象干旱产生滞后反应，这意味着CMDHEs在同一时期可能不会对水资源造成实质性影响。相比之下，地下水干旱（即供水减少）和高温（即由于热浪导致蒸散作用增加和人类活动用水需求增加）的同时发生，构成了复合地下水干旱和高温极端事件（CGDHEs），这可能对水资源造成更高的影响。然而，这两种极端事件（CMDHEs和CGDHEs）的分布和变化差异仍被低估。在这项研究中，我们首先探讨了CGDHEs的空间分布，然后研究了它们与CMDHEs之间的差异，并将这些差异归因于气象干旱和地下水干旱之间的滞后。我们进一步估计了与地下水干旱相对应的累积降水的最佳时间尺度，以减少这两种复合极端事件之间的分布和变化差异。结果表明，CGDHEs的热点主要位于南美洲北部、欧洲、非洲中部和南部以及澳大利亚东部，在干旱地区CMDHEs和CGDHEs之间存在显著差异。基于累积降水的最佳时间尺度，分布和变化的差异显著减小（例如，两种极端事件的空间范围之间的相关系数更高），为CGDHEs的近实时监测提供了可能性。本研究的结果有助于缓解地下水干旱，从而辅助水资源管理。

引言

全球约43%的灌溉用水来自地下水（Siebert等人，2010年），并且为超过20亿人提供饮用水（Cuthbert等人，2019年），特别是在其他淡水资源稀缺的干旱地区（Famiglietti，2014年；Wu等人，2020年）。在干旱期间，地下水常被用来补充地表水的不足，并维持支持水生生态系统的河流基流（Moeck等人，2024年；Schreiner-McGraw和Ajami，2021年；Visser-Quinn等人，2019年），这突显了其在缓解干旱方面的重要性。因此，地下水位下降或地下水干旱可能对粮食安全和生态系统产生负面影响（Ndehedehe等人，2023年）。例如，地下水可以通过阻碍重力驱动的排水（通过毛细上升）和维持蒸腾作用来缓冲热浪对植被的影响（Mu等人，2021年）。地下水干旱与气候极端事件密切相关，包括降水不足（气象干旱）和高温（或蒸散作用ET）异常（Berghuijs等人，2024年；Cai等人，2024年；Collenteur等人，2023年；Moeck等人，2024年）。在全球变暖的情况下，许多地区的干旱和高温极端事件有所增加（Rateb等人，2025年；Rodell和Li，2023年）。因此，了解这两种极端事件的共变性对于水资源管理非常重要。

不同的自然或人为过程可能导致地下水干旱和高温极端事件的联合影响。地下水干旱通常被认为是降水不足（降雨和降雪）的结果，这些降水不足与多种过程有关，如土壤渗透和渗流，这些过程会减少地下水补给（Amazirh等人，2023年；Sun等人，2018年；Wei等人，2024年；Wu等人，2020年）。在气象干旱期间，当地表饮用水稀缺时，地下水为人类社会提供了关键的替代水源（例如，通过抽取地下水）。同时，地下水系统也受到高温极端事件的影响，无论是通过增加的蒸散作用（或减少的降雪或积雪覆盖）还是人类活动增加的用水需求，这两者都会进一步减少可用的水资源（Wu等人，2020年）。因此，长期的高温可能导致通过过度蒸散作用减少地下水（Condon等人，2020年）。此外，某些地区为了满足作物用水需求而增加了地下水抽取量，这导致了地下水资源的加速枯竭（Asoka等人，2017年；Bhattarai等人，2023年；Tack等人，2011年）。由于与高温极端事件相关的这些过程（Bloomfield等人，2019年；Li等人，2019a），温度已被用作区域和全球尺度上地下水（或陆地水储存TWS）的预测因子（Han等人，2024年；Li等人，2024年；Rateb等人，2025年）。因此，在气象干旱和高温极端事件期间，自然地下水补给可能会减少，而地下水抽取量可能会增加，从而加剧现有的地下水干旱影响（Liu等人，2022年）。这些研究强调了通过结合降水不足（例如，自然补给减少）和高温（例如，蒸散作用增加）以及相关的人类活动（增加的地下水抽取和用水需求）来理解地下水干旱动态的重要性。

复合极端事件与自然危害在时空尺度上的同时或连续发生有关，其影响可能比单独的极端事件更大（Hani等人，2025年；Hao等人，2013年；Huang等人，2025年；Tian等人，2024年；Zscheischler和Seneviratne，2017年）。干旱和高温极端事件的同时发生会加剧水资源短缺，这构成了复合干旱和高温极端事件（简称CDHEs或“热干旱”）。自2010年代这一领域兴起以来，人们在理解它们的变异性、驱动因素及其影响或风险方面取得了实质性进展（Hao等人，2022年）。迄今为止，研究最广泛的CDHEs类型是同时发生的低降水量和高温度（De Luca等人，2020年；Hao等人，2013年；Mazdiyasni和AghaKouchak，2015年；Zhou和Liu，2018年），这主要是由于数据集的广泛可用性。同时，借助模型模拟或土壤湿度的遥感技术，基于农业干旱的CDHEs研究也近年来有所增加（Feng等人，2022年；Zhang等人，2022b）。基于流量、TWS或湖泊水位的水文干旱也可能与高温极端事件同时发生（Han等人，2024年；Rateb等人，2025年）。例如，水文干旱（例如，影响发电厂的冷却能力、河流运输、水库储水量下降）和高温的同时发生引起了广泛关注，因为它们可能对水资源和基础设施产生影响（Li等人，2026年；Rakovec等人，2022年）。基于这一概念，基于不同定义的干旱，全球各地的CDHEs数量持续增加（Hao等人，2022年）。尽管已经评估了与高温极端事件相关的各种类型的干旱，但关于同时发生的地下水干旱和高温极端事件的研究仍然很少。

本研究的目的是探讨全球范围内复合地下水干旱和高温极端事件的频率和变异性。我们打算在这项研究中解决四个研究问题：（1）为什么需要定义复合地下水干旱和高温极端事件（CGDHEs）？（2）地下水干旱和高温极端事件同时发生的热点在哪里？（3）基于地下水和降水的CDHEs分布有何差异？（4）与地下水干旱相对应的累积降水的最佳时间尺度是什么，可以减少这两种复合极端事件之间的差异，以帮助CGDHEs的运营监测？

数据集和区域

本研究中使用的地下水储存百分位数是由流域地表模型（CLSM）同化的产品，该模型由重建的重力恢复和气候实验（GRACE和GRACE-FO）卫星数据（Humphrey等人，2023年；Li等人，2019b）和其他气象数据（例如，降水、太阳辐射）驱动。该产品在反映全球地下水储存变化方面表现良好（Li等人，2019b）。使用0.25°的中月数据

地下水干旱与CMDHEs之间的滞后

我们计算了CMDHEs条件下地下水干旱的条件概率，以探讨其响应情况，如图1所示。如图S2的比较所示，CMDHEs条件下的地下水干旱条件概率总体上高于单独气象干旱条件下的概率（例如，差异的正中位数）。此外，CMDHEs条件下的地下水储存百分位数低于单独干旱条件下的百分位数（图S3）。这些结果可以归因于

与以往研究的比较

多项研究表明，复合低降水量和高温度对水资源的影响更大。近年来，这种极端事件对地下水（或TWS）的影响也引起了关注，因为降水不足和高温极端事件与较高的蒸散作用相关，可能导致补给期间的地下水水平下降（Chen等人，2020年；Han等人，2024年；Ndehedehe等人，2025年）。我们还发现CDHEs对...

结论

本研究表明，在大范围内，与滞后0个月（或同时发生期）相比，CMDHEs条件下的地下水干旱概率在1个月和2个月的滞后时间内更高，这意味着仅考虑复合气象干旱和高温极端事件并不总是足以描述对水资源的潜在影响。在这项研究中，CDHEs是基于复合地下水干旱和高温（CGDHEs）定义的

作者贡献声明

黄润泽：撰写——初稿，正式分析，数据管理。郝增超：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析，概念化。孙亚历山大：正式分析。赵星宇：正式分析。张一桐：正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（42271024）的支持。ERA5产品可以从ECMWF气候数据存储库获得（https://cds.climate.copernicus.eu/datasets）。地下水储存百分位数可以从国家干旱减灾中心的网站获得（https://nasagrace.unl.edu/GlobalData.aspx）。