气候变化对东北地区雨落雪事件和春季农业干旱的影响

《Journal of Hydrology》：Impacts of climate change on rain-on-snow events and spring agricultural drought in Northeast China

　　

未来融雪量预计将减少，融雪开始时间将提前11–22天。雪上加雨（ROS）洪水事件的频率正在下降。未来农业干旱预计将因春季降雨增加而有所缓解。

## 引言

气候变化显著增加了极端天气事件的风险，包括融雪洪水和干旱（Rahmstorf and Coumou, 2011; Fischer et al., 2021; Iles et al., 2024; Rezvani et al., 2023）。根据世界气象组织（WMO）的数据，自20世纪70年代以来，极端天气事件造成的经济损失增加了七倍。在受影响的各部门中，农业尤为脆弱。融雪水是灌溉的关键水源，支撑了全球约16%的国际贸易农业产量（Qin et al., 2022）。然而，气候变化改变了融雪的时间和总量（Tian et al., 2018; Adam et al., 2009），对高度依赖融雪径流的食物生产体系构成了严重威胁（Qin et al., 2020; Biemans et al., 2019）。除了改变融雪模式外，气候变化还加剧了农业干旱，进一步扰乱了生长季节期间的供水状况。近几十年来，春季农业干旱的发生频率上升（Song et al., 2024），导致作物产量和收获面积减少（Lesk et al., 2016; Mohammed et al., 2022）。这些相互交织的变化——融雪减少和干旱加剧——预计将进一步加剧农业用水的时空变异性（Zeng et al., 2022; Mohammed et al., 2024），对全球粮食安全构成持续挑战。

除了融雪可用性的变化外，气候变化引起的雪相关水文过程改变也可调整雪相关极端事件的发生频率和严重程度，其中雪上加雨（ROS）洪水是一种特别重要的灾害。ROS洪水现象是指温暖风暴系统将大量降雨降落在广泛积雪覆盖区域上所引起的洪水（Musselman et al., 2018）。ROS事件在中高纬度地区的冬春转换期尤为常见，此时降落在已有积雪上的降雨可加速融雪并增强径流产生，从而增加下游洪水风险（Cohen et al., 2015; Brandt et al., 2022）。然而，气候变暖可能显著减少亚洲高山地区的融雪水量（Kraaijenbrink et al., 2021），并降低低海拔地区的ROS洪水风险（Hotovy et al., 2023; Xu et al., 2024）。虽然ROS频率降低可能减少洪水风险，但其水文后果远不止于洪水缓解：春季融雪是土壤水分的关键来源（Potopová et al., 2016），融雪水量减少将直接降低关键生长季早期的土壤水分补给（Harpold et al., 2015; Pan et al., 2022），可能导致主要灾害从洪水转变为农业干旱。

为量化融雪模式变化下春季农业干旱，本研究采用了Narasimhan和Srinivasan（2005）提出的土壤水分亏缺指数（SMDI）。与用于分析未来干旱情景的传统气象干旱指标相比（Yu et al., 2014; Guo et al., 2018; Stagge et al., 2015），SMDI具有自相关滞后低、捕捉农业干旱动态能力强以及与Palmer干旱严重指数（PDSI）和标准化降水指数（SPI）正相关等优势。该指数已被广泛应用于农业干旱监测（Fang et al., 2021; Yirdaw et al., 2008; Timmermans et al., 2012）。例如，Chen等（2020）使用SMDI分析了1981年至2015年中国冬小麦生长期的干旱演化，发现SMDI与冬小麦产量之间存在强相关性。Kamali等（2015）将此方法应用于半干旱地区的农业干旱识别，为流域管理提供了科学依据。Wambua等（2019）使用SMDI分析了肯尼亚上塔纳河流域农业干旱的时空特征，发现低海拔地区比高海拔地区更容易遭受干旱。以往的研究主要关注土壤水分、降水和干旱之间的关系（Cong et al., 2017），或温度和降水如何影响土壤水分（Lin et al., 2023）。然而，鲜有研究考察融雪对春季农业干旱的影响。

在全球公认的气候变暖背景下，融雪预计将减少并提前发生（Barnett et al., 2005; Musselman et al., 2021）。然而，这些变化影响春季农业干旱的机制仍未得到充分探索。在多年冻土和季节性冻土区域，土壤剖面中的冰可能降低孔隙连通性并限制水分运动，从而影响融雪入渗过程，并进而减少地下水和土壤水分补给（Chang et al., 2012; Liang et al., 2020）。这导致大量水分通过蒸散发损失，加剧了农业干旱风险，并增加了对春季灌溉的依赖。大多数现有研究依赖于遥感和统计分析来评估这些影响（Kumar et al., 2014; Liang et al., 2020），这限制了量化水文过程动态演化的能力。相比之下，SWAT模型凭借其专门的融雪径流模块和基于物理的机制，能够系统化地整合降雪-融雪过程、非饱和带水分传输和地下水流动动力学（Arnold et al., 2002）。其独特的海拔分区算法（Fontaine et al., 2002）也提高了研究中使用数据的可靠性。因此，该模型被广泛用于评估干旱特征（Lweendo et al., 2017; Zhang et al., 2024）和模拟融雪过程（Duan et al., 2018; Braud et al., 2010）。尽管以往的研究大大推进了对寒冷地区雪相关水文过程和干旱演化的理解，但仍有几个知识空白有待填补。首先，以往的研究表明将ROS过程纳入水文模型对改善寒冷地区水文极端的表征至关重要（Myers et al., 2021）。然而，在气候变暖背景下，ROS发生频率变化、融雪动态及其相关水文影响的综合评估仍然有限。其次，融雪已被认为是寒冷地区重要的季节性水源，基于水文和气候信息的干旱评估已被广泛开展（Kang and Sridhar, 2021）。然而，融雪过程对后续春季土壤水分状况和农业干旱发展的贡献仍未得到充分量化，特别是在春季水源对作物生长至关重要的寒冷农业区。为填补这些空白，本研究通过结合基于SWAT的水文模拟、ROS事件识别和春季农业干旱评估，在中国东北地区开发了一个综合的区域评估框架。

作为中国高纬度寒冷地区，东北地区的融雪对气候变化的响应显著强于全球大多数其他地区（Derksen et al., 2012）。融雪水是缓解春季农业干旱的关键水文因素，其变化对区域粮食安全具有重要意义。中国东北是重要的商品粮生产基地，2019年总产量为16.54×10?吨，接近中国粮食总产量的四分之一和商业粮食产量的三分之一，被誉为"中国第一粮仓"（Lei et al., 2022; Li et al., 2021）。然而，该地区频繁发生严重的春季农业干旱（Qi et al., 2022; Pei et al., 2024）。在持续的气候变化下，这一矛盾正日益凸显。现有研究表明，气候变化将显著改变中国东北地区的积雪特征。Shi等（2011）预测，1951年至2100年间积雪天数和积雪持续时间都将下降，而Zhou等（2018）预测在RCP4.5情景下总降雪量将减少。气候变化也已被证明改变了该地区的干旱模式，Wang等（2024）报道了干旱发生季节从春夏季向秋冬季的转换。然而，鲜有研究考察中国东北地区农业干旱与融雪动态相关的时空演化。

本研究以中国东北地区为案例，比较了历史时期（1980–2019）和未来时期（2021–2100）雪上加雨洪水（ROS）和农业干旱（SMDI）的变化。研究目标为：(1) 基于SWAT模型，评估各种未来排放情景（SSP126–SSP585）下融雪量和融雪时间的时空演化；(2) 量化不同气候情景下融雪洪水事件频率和春季农业干旱的趋势；(3) 调查融雪、土壤水分和农业干旱之间的响应机制。研究结果旨在为不同生态区域的ROS洪水预警阈值制定和抗旱灌溉调度策略开发提供支持。

## 研究区概况

中国东北位于东经115°30′至135°30′、北纬38°43′至53°30′之间，面积约1.249×10? km2。包括辽宁、吉林、黑龙江三省以及内蒙古东部的四个盟市（呼伦贝尔、通辽、赤峰、兴安盟）。中国东北地区雨热同期，大部分降水集中在夏季，而春夏冬季降水显著偏少（Qian et al., 2023）。玉米、大豆和……（原文截断）

## 水文-气候预测的不确定性和变异性

### (1) SWAT模型预报的不确定性

水文模拟不可避免地会受到来自模型输入、结构和参数化的不确定性影响（Chiang et al., 2007）。关于输入数据，Hernandez等（2000）证明，将雨量站覆盖率从1个增加到10个可改善流域径流模拟精度。为提高模型精度，本研究使用了多达205个气象站的实测气象数据。此外，融雪对春季农业干旱的影响……（原文截断）

## 未来气候变化下融雪对春季农业干旱的影响

### (1) 未来气候变化下的融雪特征

在未来情景下，中国东北地区的融雪预计将减少。然而，融雪将在一些特定流域增加，如NR流域，这反映了温度敏感性和积雪条件的空间异质性（Kraaijenbrink et al., 2018）。同样，Javadinejad等（2021）使用融雪径流模型（Snowmelt Runoff Model）观察到融雪减少。Jenicek等（2021）也报道了捷克地区的融雪……（原文截断）

## 结论

本研究考察了未来气候变化对中国东北地区雪上加雨（ROS）洪水和春季农业干旱的影响，涵盖三个时间尺度：历史时期（1980–2019）、近期未来（2021–2060）和远期未来（2061–2100）。通过考虑各种排放途径（SSP126、SSP245、SSP370、SSP585），并采用与ROS事件识别和基于SMDI的评估相结合的SWAT模型，主要发现总结如下：

(1) 在未来气候变化下，……（原文截断）

## CRediT作者贡献声明

Zhenyuan Lei：撰写——初稿。Jia Liu：撰写——初稿。Yi Yang：资源。Yonggang Hao：方法学。Moran Xu：方法学。Chong Du：资源。Zhang Guangxin：资源。Peng Qi：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。

## 利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。

## 致谢

本研究得到国家重点研发计划（2024YFD1501700）、国家自然科学基金（42371037）和吉林省自然科学基金（YDZJ202401485ZYTS）的支持。此外，我们感谢编辑和审稿人付出的努力和建议。

Zhenyuan Lei | Jia Liu | Yi Yang | Yonggang Hao | Moran Xu | Chong Du | Zhang Guangxin | Peng Qi