北半球地中海气候区水资源变化的驱动因素

《Earth's Future》：Drivers of Water Resource Changes Over the Mediterranean Climate Regions of the Northern Hemisphere

　　

地中海气候区（Mediterranean Climate Regions, MCRs）是对全球变暖和水文气候变化高度敏感的水资源受限区域。然而，水资源可用性的长期下降和年际变异及其气候驱动因素仍然了解甚少。本研究利用GRACE/GRACE-FO卫星在2002–2023年间对总水储量（Total Water Storage, TWS）的观测数据，研究了欧洲-地中海（Euro-Mediterranean, Euromed）和美国西部（Western United States, WUS）MCRs中TWS的变异及其驱动因素。研究人员采用多元线性回归（Multiple Linear Regression, MLR）模型，对温度、总降水量以及两个反映互补降水特征的指标——强度（高于第95百分位；Intense Precipitation Above the 95th Percentile, IPA95P）和大于5毫米风暴的间歇性（Mean Dry Days Between Storms Above 5 mm, MDDA5）——进行建模。MLR模型解释了北半球MCRs中观测到的TWS变异的64%。虽然温度和降水量是解释TWS方差的主要驱动因素（分别贡献37%和36%），但IPA95P和MDDA5解释了较小但不可忽略的比例（高达15%），其影响集中在特定区域。降水量主要驱动TWS的年际变异，而温度升高则主导长期下降趋势。温度驱动的TWS损失率在Euromed达到-1.2毫米/年，在WUS达到-0.9毫米/年，对应的每升温1度的TWS敏感性在北非高达-25毫米/°C，在东Euromed为-34毫米/°C，在南WUS为-36毫米/°C。在中等SSP2-4.5情景下，到2100年，相对于1995–2014年，北非的TWS预计下降-60毫米，东Euromed下降-84毫米，南WUS下降-94毫米。这些结果揭示了MCRs的关键脆弱性，其中变暖引起的干燥可能加剧向更干旱气候的转变。

**论文解读：北半球地中海气候区水资源变化的驱动因素**

**研究背景与问题**

地中海气候区（Mediterranean Climate Regions, MCRs）位于中纬度大陆西岸，包括地中海盆地、加利福尼亚、智利中部、西南澳大利亚和南非。这些区域水资源受限，植被生长和蒸散发受降水季节性（干燥夏季和湿润冬季）强烈约束。然而，北半球MCRs（欧洲-地中海Euromed和美国西部WUS）在21世纪可能扩张，但伴随南侧向干旱气候的转变。已有研究表明，降水长期趋势不显著，而温度升高可能主导干燥趋势。此外，降水事件的时空分布（如强度和间歇性）可能影响地下水补给，进而影响总水储量（Total Water Storage, TWS）。传统上降水是评估水资源健康的主要变量，但这一假设受到挑战。地下水位在全球MCRs呈现负趋势，导致TWS长期下降。尽管GRACE/GRACE-FO卫星提供独特的TWS观测数据，但长期下降和年际变异及其气候驱动因素仍不明确。因此，本研究旨在量化TWS变化及其驱动因素，评估区域差异，识别主导驱动因素，并探索干燥趋势的成因。

**研究内容与结论**

本研究利用GRACE/GRACE-FO卫星2002–2023年TWS观测数据，结合气候研究单位（CRU）的降水和温度数据、CHIRPS的日降水数据，采用经验正交函数（EOF）分析和多元线性回归（MLR）模型，系统分析了北半球MCRs中TWS的变化及其驱动因素。MLR模型包含温度、总降水量、大于5毫米风暴的间歇性（MDDA5）和高于第95百分位的强降水（IPA95P）四个驱动因素。研究发现，MLR模型解释TWS变异的64%，其中温度和降水是主要驱动因素（分别贡献37%和36%），而IPA95P和MDDA5贡献较小但不可忽略（最高15%）。降水主要驱动年际变异，温度主导长期下降趋势。温度驱动的TWS损失率在Euromed达-1.2毫米/年，WUS达-0.9毫米/年。在SSP2-4.5情景下，到2100年，北非、东Euromed和南WUS的TWS预计分别下降-60毫米、-84毫米和-94毫米。该研究发表在《Earth's Future》上，强调了MCRs在变暖背景下向更干旱气候过渡的脆弱性。

**主要技术方法**

1. **GRACE/GRACE-FO TWS数据**：采用三个处理中心（CSR、GFZ、JPL）的mascon解，计算集合平均以减少噪声，并通过线性插值填补时间缺失（2014、2016、2017–2018年）。为排除海岸信号泄漏，开发算法移除被至少三个海洋网格点包围的陆地网格点，导致南半球MCRs被排除，仅分析北半球Euromed和WUS区域。
2. **气候数据**：降水与温度来自CRU TS4.08（月分辨率），日降水数据来自CHIRPS（用于计算IPA95P和MDDA5）。所有数据统一重采样至0.5°×0.5°网格，并验证2.5°分辨率结果的一致性。
3. **MLR模型**：对逐网格点建立TWS与四个驱动因素（温度、降水、MDDA5、IPA95P）的线性回归，采用LMG方法计算相对重要性（RI），并设置3个月滞后（降水、MDDA5、IPA95P）反映水文滞后。使用方差膨胀因子（VIF）检验多重共线性（所有预测因子VIF<2）。通过自助法（1000次迭代）评估三个GRACE产品间的边际不确定性。

**研究结果**

**3.1 TWS趋势与年际变异**
- 2002–2023年，Euromed全域TWS趋势为负，最大值出现在中Euromed（-4 mm/年）、北非（-5.5 mm/年）和东Euromed（-7.6 mm/年），趋势解释方差达40%–83%。WUS中部和南部呈现干燥趋势（最高-9 mm/年），北部部分区域略有上升（+2 mm/年），趋势解释方差在赤道侧区域超40%（加利福尼亚达76%）。
- 去除线性趋势后的EOF分析：Euromed第一主成分（PC1，解释60%残差方差）与ENSO（Ni?o 3.4指数）正相关（r=0.4，p=0.05）；第二主成分（PC2，17%）呈偶极子结构，与NAO负相关（r=-0.45，p=0.03）。WUS第一主成分（81%）与PNA正相关（r=0.4，p=0.05）；第二主成分（14%）呈南北偶极子，与WPO负相关（r=-0.45，p<0.01）。

**3.2 TWS变异的驱动因素**
- MLR系数：降水系数全域为正（表示补给），温度系数为负（表示蒸散发耗水）。MDDA5系数多为负（降水事件频率降低减少补给），IPA95P系数在意大利、希腊、加利福尼亚等地为正，在西班牙、爱达荷、土耳其中部为负，后者与高海拔地形相关（模式相关系数-0.52，p<0.01），表明强降水在山区易形成径流而非入渗。
- 相对重要性（RI）：降水在伊比利亚半岛和中欧MCRs主导（RI_PRE达40%），温度在东Euromed和北非主导（RI_TMP达55%）。WUS中，降水主导北部（RI_PRE平均55%），温度主导南部（RI_TMP平均55%）。MDDA5和IPA95P的RI在局部可达30%–50%。跨区域平均，RI_TMP和RI_PRE均为37%和36%，反映趋势与年际成分的加权。
- 去除线性趋势后的残差相对重要性（RRI）：降水成为主要驱动（平均55%），温度RRI降至20%以下，确认温度主要通过长期趋势（而非年际波动）影响TWS。

**3.2.1 TWS趋势的驱动因素**
- 温度驱动趋势贡献最大：Euromed平均-1.2 mm/年，WUS平均-0.9 mm/年，东Euromed和南WUS局部达-2至-3 mm/年。降水驱动趋势贡献为负（北非和南WUS -0.7 mm/年），但局部地区（华盛顿、爱达荷、土耳其）有正贡献。MDDA5和IPA95P驱动趋势贡献较小，但南WUS的IPA95P贡献达-1.7 mm/年。MLR模型重建趋势与观测趋势一致，但系统低估最强烈区域（东Euromed和南WUS）。

**讨论与结论**

**讨论**
- Euromed全域TWS负趋势反映向干燥气候转变；WUS南部（加利福尼亚、内华达、亚利桑那）相似，北部（爱达荷、俄勒冈）因降水增加呈正趋势，华盛顿负趋势。Euromed纵向宽、纬度窄，WUS纵向受限、向北延伸更广，导致不同遥相关模式影响：Euromed受ENSO和NAO影响，WUS受PNA和WPO影响。首次证明WPO对TWS年际变异的直接影响（通过温度）。
- 局限性：GRACE数据存在海岸信号泄漏（排除西西里、撒丁岛等地）和时间缺失（线性插值引入误差）。有效分辨率约3°×3°，但2.5°重采样结果一致。MLR线性假设可能低估趋势，但VIF检验确认多重共线性不显著。人类活动（地下水抽取）可能影响TWS，但敏感性测试（使用WaterGAP v2.2d净抽取数据）表明温度驱动干燥趋势并非人为抽取的伪影。未来需改进全球水抽取数据集，并加强地球系统模型中气候-水文耦合的表征。

**结论**
本研究首次量化了北半球MCRs中TWS变异的驱动因素贡献。MLR模型解释TWS总方差的65%（Euromed 66.4%，WUS 62%）。温度主导长期下降趋势（Euromed -1.2 mm/年，WUS -0.9 mm/年），降水主导年际变异（去趋势后降水解释57%–63%方差）。IPA95P和MDDA5首次被识别为不可忽略的驱动因素（去趋势后贡献达22%–34%）。TWS对温度敏感性最高的区域为南WUS（-36.2 mm/°C）、东Euromed（-34.0 mm/°C）和北非（-25.3 mm/°C）。基于SSP2-4.5情景，到2100年，温度驱动TWS损失在东Euromed达-74.8 mm，北非-55.7 mm，南WUS-97.7 mm；降水驱动贡献在东Euromed额外-8.9 mm，北非-4.0 mm，而WUS降水增加部分抵消温度信号。总投影损失：东Euromed -83.7 mm，北非-59.7 mm，南WUS-94.1 mm。这些结果作为一阶上限估计，表明MCRs可能面临严重水文压力，增加干旱频率，降低地下水位，加剧向半干旱气候过渡的脆弱性。