基于CMIP6的西北地区未来气象干旱时空演变及气象驱动因子分析

西北地区作为典型干旱半干旱区，其未来气象干旱演变规律对水资源管理至关重要。本研究基于CMIP6多模式集合数据，通过计算SPEI12和SPEI03指数，结合游程理论揭示了SSP1-2.6至SSP5-8.5情景下干旱时空变化特征，并采用Spearman相关系数、收敛交叉映射（CCM）和多元线性回归定量解析气象要素贡献率。结果表明：未来干旱频率、持续时间和强度均显著增加，温度与降水是主导因子，为干旱风险评估提供了科学依据。

　　

在全球变暖背景下，干旱作为极端气候事件已对农业、生态和社会经济造成深远影响。西北地区作为中国典型的干旱-半干旱区，其"暖干化"与"暖湿化"转型争议持续多年。尽管观测显示该区域降水有所增加，但升温速率远超全球平均水平，导致蒸发需求激增，使得干旱风险不降反增。更棘手的是，西北地区拥有独特的"山地-盆地"相间地貌，冰川融水与绿洲经济高度依赖脆弱的水循环平衡。究竟未来气象干旱会如何演变？哪些气象要素在主导这一过程？这些问题直接关系到"丝绸之路经济带"的水安全战略。

针对这一科学难题，中国科学院西北生态环境资源研究院联合国内多家科研机构，基于CMIP6的21个全球气候模型输出数据，采用RoMBC偏差校正方法，首次系统评估了SSP1-2.6至SSP5-8.5四种情景下西北地区气象干旱的时空演变规律。研究创新性地结合游程理论提取干旱特征参数，并运用收敛交叉映射（CCM）解析气象要素与标准化降水蒸散指数（SPEI）的因果关系，相关成果发表在《Journal of Hydrology: Regional Studies》上。

研究团队主要采用以下关键技术方法：1）通过RoMBC多变量偏差校正方法处理CMIP6模型数据，提升降水、温度等要素模拟精度；2）基于Penman-Monteith方程计算潜在蒸散发（PET），进而构建多时间尺度SPEI指数；3）应用游程理论量化干旱频率、持续时间、峰值强度等特征；4）结合Spearman相关系数、CCM因果分析和多元线性回归解析驱动机制。

研究结果
3.1 CMIP6校正评估
经RoMBC校正后，多模式集合（MME）的降水模拟相关系数从0.5-0.84提升至0.93，温度模拟误差控制在±0.3°C内。空间偏差分析显示，新疆南部降水相对偏差从40-120%降至3-5%，验证了数据可靠性。

3.2 气象要素变化
1989-2017年历史期西北地区降水以1.15 mm/a速率增加，但未来SSP5-8.5情景下增速达1.24 mm/a（P<0.01）。温度增幅更为显著，SSP5-8.5情景下达0.07°C/a。值得注意的是，太阳辐射和潜在蒸散发分别以0.15 MJ/m²/10a和2.68 mm/a的速率增长，而相对湿度与风速呈下降趋势。

3.3 干旱时空变异
历史期冬季SPEI呈上升趋势（0.15/10a），但其他季节均下降。未来所有情景下SPEI显著降低，SSP5-8.5情景年尺度降幅达-0.09/10a。空间上，新疆南部、河西走廊干旱加剧，而秋季部分地区有所缓解。

3.4 干旱特征变化
游程理论分析显示：未来干旱频率将达31.92-37.40%，较历史期（32.69%）明显上升。SSP5-8.5情景下干旱持续时间延长至26.57个月，强度增加至29.67。干旱面积扩张主要来自中、重度干旱区，极端干旱面积变化较小。

3.5 干旱归因分析
Spearman分析表明温度（r=-0.74）、太阳辐射（r=-0.76）与SPEI负相关，相对湿度（r=0.62）正相关。多元回归显示：温度对SPEI变化的贡献率在SSP5-8.5情景下高达71.09%，春季更达78.86%；而冬季太阳辐射贡献率达56.97%，揭示季节性驱动差异。

结论与意义
该研究首次系统揭示：西北地区未来气象干旱将呈现"强度增、范围扩、季节分异"的特征，高排放情景（SSP5-8.5）下风险尤为突出。创新性发现温度是干旱加剧的核心驱动，但太阳辐射在冬季的作用不可忽视。方法论上，通过CCM因果分析突破了传统相关分析的局限性，证实气象要素与SPEI存在双向反馈。

实践层面，研究为"西北暖湿化"争论提供了量化证据：尽管降水增加，但升温导致的蒸散发激增使干旱风险持续攀升。这警示水资源管理者需重点关注新疆南部和河西走廊等热点区域，同时考虑季节性差异——春季需防范高温干旱，冬季则要警惕辐射增强的影响。理论层面，建立的"气象要素-干旱指数"响应框架，为干旱早期预警系统开发奠定了科学基础。

值得注意的是，研究也指出CMIP6模型在植被-CO₂反馈机制方面的局限性，未来需耦合生态水文模型以提升预测精度。该成果不仅为西北干旱风险管理提供直接依据，其"多模式-多方法-多尺度"的研究范式，也为全球干旱区气候适应研究提供了重要参考。