《PLOS Climate》：Drought vulnerability assessment and its severe impact on crop production and livelihood of people: An empirical modelling of northern Ghana
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气候变化正在加剧加纳北部的干旱脆弱性，对半干旱地区的作物生产、粮食安全和农村生计构成严重风险。本研究开发了一个经验建模框架，在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，评估2026–2050年、2051–2075年和2076–2100年三个时间范围的干旱脆弱性
气候变化正在加剧加纳北部的干旱脆弱性，对半干旱地区的作物生产、粮食安全和农村生计构成严重风险。本研究开发了一个经验建模框架，在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下，评估2026–2050年、2051–2075年和2076–2100年三个时间范围的干旱脆弱性及其影响。研究人员整合了五个CMIP6模型（MRI-ESM2-0、EC-Earth3、IPSL-CM6A-LR、CESM2和HadGEM3-GC31-LL）的偏差校正输出，降尺度至0.25°分辨率，并结合干旱指数，包括标准化降水指数（SPI）、侦察干旱指数（RDI）、归一化差异干旱指数（NDDI）和土壤湿度指数（SMI）。这些数据与MODIS衍生的归一化差异植被指数（NDVI）、人口密度以及土地利用/土地覆盖相结合，利用基于GIS的工具生成复合干旱脆弱性地图。CMIP6模型经参考数据集验证，在年降水量（r = 0.95，RMSE = 3.4 mm）和温度（r = 0.99，RMSE = 0.47–0.74°C）方面表现出强劲性能。结果预测干旱严重程度将不断增加，到2100年平均温度上升2.0–3.9°C，降雨量下降最高达19%。到2050年，玉米、小米、高粱和花生的作物产量预计下降25–60%，其中玉米与干旱严重程度的负相关性最强（r = –0.72，p < 0.01），Mann-Kendall趋势在95%置信水平下得到证实。约84%的研究区域因适应能力有限、超过80%依赖雨养农业、超过49%的家庭粮食不安全、耕地利用率低于23%以及水体覆盖率不足5%而被归类为高度脆弱。降水预测仍存在显著不确定性，部分模型显示温度趋势存在分歧，凸显了气候影响建模的挑战。研究结果强调，迫切需要与UNDRR和仙台框架优先事项相一致的区级干旱防备、太阳能灌溉、指数保险、气候智能型农业和减少灾害风险措施，以增强加纳北部的韧性。
论文解读
一、研究背景与问题
干旱是全球最具破坏性和普遍性的气候灾害之一，对农业生产、粮食安全和农村生计产生深远影响，尤其是在半干旱地区。1970年至2019年间，干旱造成约65万人死亡，尽管仅占所有自然灾害的15%。2000年至2019年间，全球约有14亿人受到干旱事件影响。2017–2018年的干旱导致部分地区作物损失高达80%，严重影响了生计并加剧了区域粮食不安全。
政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次评估报告指出，2011–2020年全球平均温度比工业化前水平高出1.1°C。2024年成为有记录以来最热的一年，全球变暖首次超过1.5°C，凸显了实现《巴黎协定》温控目标的困难。全球变暖威胁着长期降雨格局和水资源可用性，从而增加了干旱事件发生的概率和严重程度。
加纳北部位于西非苏丹稀树草原地带，是加纳受气候变化影响最严重的地区之一。该地区超过80%的农业活动依赖季节性降雨，作物产量对降水和温度波动高度敏感。自1960年代以来，气温持续上升，加纳北部目前经历了自1901年以来最严重的气候条件。预计气候变化影响将进一步加剧，特别是在3月至6月期间，到2040年降水量预计每年下降4%。到2100年，气温预计上升1.4–4.2°C，高达90%的天数将超过35°C。
加纳北部的脆弱性因政府旨在振兴农业部门的政策和计划执行不力而加剧。尽管出台了多项政策举措，但政策执行方面的缺陷增加了农业社区对气候变率和变化的暴露程度。2009年至2020年间，加纳的粮食不安全状况显著恶化，粮食不安全人口从120万增加到360万。气候变化增加了干旱的频率和严重程度，降低了农业生产力和作物产量。玉米、小米、高粱和花生等主粮作物在关键生长阶段对水分胁迫高度敏感，使干旱成为粮食安全和经济稳定的主要威胁。
然而，现有研究主要集中于使用单一指数（SPI或SPEI）进行干旱灾害检测，或仅关注水文气象变率而未充分纳入社会经济脆弱性。据研究人员所知，尚无研究使用CMIP6集合预测全面调查加纳北部的未来干旱脆弱性。此外，许多现有评估依赖于早期代际的气候模型，对CMIP6集合在加纳北部的应用有限。因此，迫切需要将干旱灾害与农业生产和农村生计明确联系起来的综合评估方法。
二、研究内容与意义
本研究开发了一个经验建模框架，评估加纳北部在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下三个时间范围（2026–2050年、2051–2075年和2076–2100年）的干旱脆弱性及其影响。研究整合了五个CMIP6模型（MRI-ESM2-0、EC-Earth3、IPSL-CM6A-LR、CESM2和HadGEM3-GC31-LL）的偏差校正输出，降尺度至0.25°分辨率，并结合多种干旱指数（SPI、RDI、NDDI、SMI）以及NDVI、人口密度和土地利用/土地覆盖数据，利用GIS工具生成复合干旱脆弱性地图。
研究发现，到2100年，平均温度将上升2.0–3.9°C，降雨量下降最高达19%。到2050年，玉米、小米、高粱和花生的作物产量预计下降25–60%，其中玉米与干旱严重程度的负相关性最强（r = –0.72，p < 0.01）。约84%的研究区域因适应能力有限、超过80%依赖雨养农业、超过49%的家庭粮食不安全、耕地利用率低于23%以及水体覆盖率不足5%而被归类为高度脆弱。研究结果强调了区级干旱防备、太阳能灌溉、指数保险、气候智能型农业和减少灾害风险措施的迫切需求，与UNDRR和仙台框架优先事项保持一致。
三、主要技术方法
研究人员采用了多阶段综合评估框架。首先，从加纳气象局（GMet）获取1980–2022年的日历史观测数据，包括降水（pr）、最高温度（Tmax）、最低温度（Tmin）、相对湿度（rh）、风速（ws）和地表短波辐射（rn），历史基线定义为1980–2004年。其次，从CMIP6数据门户获取五个全球气候模型的未来气候预测，采用基于分位数映射（QM）的偏差校正方法。第三，计算标准化降水指数（SPI-3）和侦察干旱指数（RDI-3）来表征干旱灾害，SPI仅基于降雨，RDI同时纳入降水和潜在蒸散量（PET）。第四，采用Mann-Kendall（MK）趋势检验和Sen's斜率估计器分析干旱趋势的显著性和幅度，并使用Pearson相关系数评估SPI与RDI之间的一致性。第五，利用MODIS数据计算归一化差异植被指数（NDVI）、归一化差异干旱指数（NDDI）和土壤湿度指数（SMI），结合人口密度和土地利用/土地覆盖数据。第六，采用层次分析法（AHP）确定指标权重，通过成对比较矩阵和一致性比率（CR）检验专家判断的可靠性，最终构建复合干旱脆弱性指数（DVI）。
四、研究结果
GCM模型与观测对比。 偏差校正后的集合平均与观测数据高度一致，年降水量的R2值为0.95–0.99，RMSE为3.4 mm，温度的RMSE为0.47–0.75°C。年降水量在两种情景下均预计增加，SSP1-2.6情景下从历史时期的256 mm增至远期的352 mm，SSP5-8.5情景下从336 mm增至789 mm。历史参考期年均温度28.5°C预计在SSP1-2.6和SSP5-8.5情景下分别升至31.6°C和38.9°C。
干旱灾害特征。 SPI-3和RDI-3在几乎所有月份的干旱类别中均呈现一致的下降趋势，在95%置信水平下具有统计显著性。SPI-3在1980、1981、1990和2015年的10–12月期间识别出最频繁和广泛的干旱事件。RDI-3检测到1980、1981、1984–1986、1989和1990年的极端干旱。两种指数均表明，在CMIP6预测情景下，2030、2046、2051、2077、2087和2099年超过90%的研究区域将经历干旱条件。RDI值比SPI值更负，反映了其纳入潜在蒸散量后对温度驱动水分亏缺的更大敏感性。
干旱趋势分析与不确定性。 Mann-Kendall检验显示，3个月时间尺度上所有季节（JFM、AMJ、JAS和OND）均呈现统计显著的负趋势，表明干旱严重程度不断增加，其中OND季节的下降最为显著（Z = ?2.26，Q = ?0.028）。SPI-3与RDI-3之间的Pearson相关性从1991–2000年的r > 0.92下降至2020–2025年的0.78，这种分歧与2024年的骤发性干旱事件相吻合。RDI-3的标准差从0.61上升至0.94，SPI-3从0.58上升至0.87，表明水分条件日益不稳定。
脆弱性地图。 NDVI地图显示西北走廊的脆弱性为中等到高（45–55%），而东北区域的脆弱性较低（20–25%）。NDDI结果揭示西北地带为极高干旱脆弱性（60–70%），东北部为中等到高脆弱性（35–40%）。SMI地图显示西北地区为极高脆弱性（65–75%），中部走廊为中度脆弱性（40%）。人口密度分析表明约69%的研究区域属于极高脆弱性类别，上东部和上西部区域的人口密集区脆弱性最高。土地利用/土地覆盖分析显示耕地为主导土地利用类型（23–40%），水体和水淹平原占比不足5%，约84%的研究区域被归类为高度脆弱。
五、讨论与结论
研究讨论指出，加纳北部干旱脆弱性的根源在于其高度依赖雨养农业、有限的适应能力、贫困、低识字率和薄弱的制度支持。政策执行不力加剧了农业社区对气候变率和变化的暴露。研究强调，降水预测仍存在显著不确定性，部分模型显示温度趋势存在分歧，凸显了气候影响建模的挑战。研究结果与UNDRR和仙台框架的减少灾害风险优先事项保持一致，为加强干旱易发地区的韧性提供了实用指导。
研究结论表明，加纳北部正面临日益严重的干旱威胁，到2100年平均温度将上升2.0–3.9°C，降雨量下降最高达19%。主要作物产量预计下降25–60%，约84%的研究区域被归类为高度脆弱。研究强调了区级干旱防备、太阳能灌溉、指数保险、气候智能型农业和减少灾害风险措施的迫切需要，以建立加纳北部的气候韧性。通过识别干旱脆弱性热点区域并整合脆弱性制图、敏感性分析和模型验证，该研究为加强韧性和为政策决策提供信息提供了实用指导，可支持将风险知情规划纳入国家适应战略和干旱易发地区的灾害治理。
