利用标准化蒸发分数进行干旱识别：从地表能量分配的角度出发

《Journal of Hydro-environment Research》：Drought identification using standardized evaporative fraction: Perspective from surface energy partitioning

提出并验证了标准化的蒸发分数（SEF）干旱指数，通过地表能量分配视角分析干旱特征，与传统指标SPI、SPEI、SSMI对比，发现SEF能有效识别干旱频率、持续时间和强度，尤其在土地-大气耦合显著区域更具优势。

　　随着全球气候变化的加剧，干旱的频率和强度呈现出上升的趋势。这一现象不仅影响着农业生产，还对水资源管理、生态系统稳定性以及人类社会的可持续发展构成了挑战。传统的干旱指数主要依赖于降水、温度或土壤湿度等气候变量的异常变化来识别干旱事件，然而这些方法往往忽略了土地与大气之间复杂的相互作用，特别是在植被生理效应方面的影响。因此，为了更全面地评估干旱，有必要引入一种新的指标，以反映土地与大气之间的能量分配机制。

本研究提出了一种新的干旱指数——标准化蒸散发比（Standardized Evaporative Fraction, SEF）。该指数从地表能量分配的角度出发，综合考虑了多种因素，包括大气降水、植被覆盖、土壤湿度及其复杂的相互作用。与传统的降水指数（SPI）、降水蒸散发指数（SPEI）和土壤湿度指数（SSMI）相比，SEF能够更有效地识别干旱事件，尤其是在表面太阳能辐射不受限的区域。通过FLUXNET观测数据的分析，发现SEF与SPEI之间的相关性较为显著（p < 0.05），表明两者在干旱识别上具有良好的一致性。此外，SEF还能够识别出干旱加剧的热点区域，揭示了过去63年间，北美西部、南美中部、非洲中部、欧洲南部以及亚洲中东部等地的干旱频率、持续时间和强度均有所上升。

干旱的形成和演变是一个多因素交织的过程，其中土地与大气之间的相互作用至关重要。植被在这一过程中扮演了关键角色，它不仅影响地表的反射率，从而改变净太阳能辐射的分配，还通过蒸腾作用调节土壤水分的消耗。在干旱发生时，土壤水分的减少会导致植物根系受损，降低其吸收水分的能力，并增加气孔阻力，进而减少蒸散发。这种变化会削弱光合作用，减缓植物的生长速度，甚至使其停止生长。植被覆盖的减少进一步导致蒸散发的降低，使土壤水分向大气转移的效率下降，形成一种反馈机制。植被的存在与否可能会加剧或缓解干旱的程度，因此在干旱识别过程中，需要充分考虑植被对土地与大气相互作用的影响。

从地表能量分配的角度来看，太阳辐射到达地表后，主要被分为感热通量、潜热通量和土壤热通量。在长期尺度上，土壤热通量可以忽略不计，因此在本研究中未将其纳入考虑范围。感热通量和潜热通量共同作用于大气，使其升温。在干旱期间，由于水资源的匮乏，潜热通量在能量分配中的比例会下降，导致大气温度升高，进一步增加蒸发需求，从而加剧蒸发和水分流失。这种正反馈机制使得土壤水分的短缺更加严重，形成了恶性循环。蒸散发比（Evaporative Fraction, EF）表示潜热通量与净太阳能辐射的比值。在均衡温度条件下，可用能量被分配为潜热通量和感热通量，反映了蒸腾作用的强度和土地与大气之间的相互作用。因此，本研究基于EF的标准化，提出了SEF指数，以更准确地评估干旱。

本研究使用的数据来源于ERA5-Land月平均再分析数据集。该数据集提供了比ERA5更高分辨率的陆地变量演变情况，能够更全面地反映过去几十年的气候特征。ERA5-Land数据集通过重新构建ECMWF的ERA5气候再分析数据中的陆地部分，使得对过去气候的刻画更加准确，同时也更好地描述了地表过程。这些数据的高质量和一致性为本研究提供了可靠的基础，使得SEF指数的计算和分析具有更高的可信度。

为了探讨SEF、SPI、SPEI和SSMI之间的关系和差异，本研究进行了皮尔逊相关性分析，以展示这些干旱指数数值变化的一致性（图S2-S3）。此外，还利用这些干旱指数对1960至2022年间全球范围内的干旱频率、持续时间和强度进行了分析，并计算了这些指标的变化趋势。研究结果表明，这些干旱指数在一致的6个月时间尺度上具有较好的适用性，能够反映不同区域干旱的变化特征。

SEF指数的优势在于其能够综合考虑多种因素，包括大气降水、植被覆盖和土壤湿度，以及它们之间的复杂相互作用。这使得SEF在评估由气候变化引起的干旱强度及其演变方面具有更高的准确性，尤其是在那些土地与大气耦合效应显著的地区。与传统的单一因素干旱指数相比，SEF不仅能够识别干旱事件，还能够揭示干旱在不同区域的演变过程，为干旱的预测和管理提供了新的视角。

在讨论部分，研究者强调SEF的目的并非取代现有的干旱指数，而是作为现有指标的补充工具，以提高其在干旱识别中的适用性。SEF通过标准化蒸散发比（EF）来反映地表能量分配中蒸腾作用的重要性，因此在干旱评估中具有独特的价值。植被覆盖的变化在干旱识别中起着关键作用，因为它不仅影响地表的反射率，还通过蒸腾作用调节土壤水的消耗。因此，在干旱识别过程中，需要将植被覆盖的变化纳入考虑范围，以更全面地评估干旱的发生和发展。

研究结果还表明，SEF指数能够更准确地识别干旱事件，尤其是在那些土地与大气相互作用较强的地区。传统的干旱指数往往过于依赖单一的气候变量，如降水或土壤湿度，而忽略了植被对干旱形成和演变的影响。这种局限性在干旱研究中可能导致一定的偏差，特别是在气候变化背景下，植被的生理效应可能对干旱的发生和发展产生重要影响。因此，SEF指数的提出为干旱研究提供了一种新的方法，有助于更全面地理解干旱的形成机制及其演变过程。

本研究还对SEF指数在不同区域的应用进行了分析。结果表明，SEF在干旱识别方面具有较好的适用性，特别是在那些土地与大气相互作用较强的地区。这使得SEF指数能够更准确地反映干旱的发生和发展，为干旱的预测和管理提供了新的依据。此外，SEF指数还能够揭示干旱在不同区域的演变趋势，为干旱的长期监测和评估提供了重要的参考。

研究者指出，尽管SEF指数具有诸多优势，但其应用仍需进一步验证和完善。未来的研究可以结合更多的观测数据和模型模拟结果，以提高SEF指数的准确性和适用性。此外，还可以探索SEF指数与其他干旱指标的结合使用，以实现更全面的干旱评估。随着遥感技术和数据处理能力的不断提升，SEF指数的应用前景将更加广阔。

本研究的结论表明，SEF指数是一种创新的干旱评估工具，能够通过土地与大气相互作用的角度更全面地识别干旱。与传统的单一因素干旱指数相比，SEF在评估干旱强度及其演变方面具有更高的准确性，特别是在那些土地与大气耦合效应显著的地区。因此，SEF指数的提出为干旱研究提供了一种新的方法，有助于更深入地理解干旱的形成机制及其演变过程。此外，SEF指数还能够揭示干旱在不同区域的演变趋势，为干旱的预测和管理提供了重要的参考。

总的来说，本研究通过引入SEF指数，为干旱评估提供了一种新的视角。这一指数不仅能够更全面地反映土地与大气之间的相互作用，还能够揭示干旱在不同区域的演变趋势。未来的研究可以进一步完善SEF指数的计算方法，并探索其与其他干旱指标的结合使用，以实现更精准的干旱预测和管理。随着气候变化的加剧，干旱的频率和强度将不断增加，因此，开发和应用更加科学和全面的干旱评估工具具有重要的现实意义。