Глобальные тренды влажности земли: сухая на суше и влажная на мокрой земле

Влага оказывает решающее влияние на глобальный климат, гидрологию, экологию и окружающую среду. В настоящее время существует растущая противоречивая проблема относительно глобальных тенденций влажности. Некоторые исследователи предупреждают о повышении риска засухи в условиях глобального потепления 2 , 3 , 4 , 5 , Однако сообщалось, что глобальная засуха была переоценена из-за неопределенности и ошибок в источниках данных и используемых индексах 6 , 7 , 8 , В последнее время парадигма «сухой становится суше, влажная становится влажнее» (DGDWGW) стала распространенным мнением 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , Однако, в журнале Nature Geoscience , Greve et al. 1 заявил, что засушливость над землей не последовало простой интенсификации DGDWGW. Используя комбинацию наборов гидрологических данных, они обнаружили, что только 10,8% земной поверхности мира имеют устойчивую модель DGDWGW по сравнению с 9,5% с противоположной моделью. Это противоречие требует полного разъяснения, чтобы понять глобальные изменения влажности и поддержать стратегии водопользования.

Несколько факторов внесли свой вклад в противоречие, прежде всего различные источники данных, которые использовались в предыдущих исследованиях. Глобальная влажность обычно связана с гидрологическими переменными осадков, суммарного испарения и влажности почвы. Данные обычно получают из наземных измерений, моделирования и спутниковых наблюдений. 14 , 15 , В частности, наземные измерения являются традиционным и точным методом измерения гидрологических переменных. Однако наземные измерения составляют всего несколько квадратных метров, и их применение в больших масштабах затруднительно. Моделирование модели оценки переменных путем интеграции атмосферных факторов и факторов окружающей среды; однако их характеристики обычно ослаблены, потому что сложные физические процессы в них упрощены. В последние десятилетия спутниковое дистанционное зондирование получило широкое распространение для оценки данных о влажности из-за их пространственно согласованного представления в глобальном масштабе. Используя такие спутниковые данные, различные индексы (например, индекс серьезности засухи Палмера (PDSI) 2 , 16 , стандартизированный индекс осадков (SPI) 17 , 18 и процентиль влажности почвы (SMP) 19 , 20 ) были получены для количественной оценки тенденций влажности. Расчеты этих индексов зависят от ряда допущений, которые порождают значительные ошибки и неопределенности. 7 , 8 , 21 , Следовательно, было бы более надежным отслеживать глобальные изменения влажности с использованием гидрологических переменных, а не производных показателей. Наконец, классификация климатических регионов неизбежно влияет на пространственный анализ трендов влажности. Простейшая классификация состоит в том, чтобы идентифицировать влажные и сухие регионы как области с наибольшим и самым низким уровнем осадков 12 , 22 , Другим распространенным способом является определение регионов путем сочетания потенциального испарения и осадков 1 , Из-за различных критериев классификации регионы обычно имеют пространственные разногласия.

Здесь мы исследуем глобальные тренды влажности, используя влажность почвы, потому что она связывает осадки и суммарное испарение в процессе круговорота воды. Глобальная влажность почвы Европейского космического агентства (ESA) Инициативы по изменению климата (CCI), а не индексы, такие как PDSI, использовалась для нашего анализа для уменьшения ошибок и неопределенностей. Набор дат был получен путем объединения активных и пассивных спутниковых наблюдений с разрешением 25 км, зарегистрированных с 1978 по 2013 год. 23 , 24 , 25 , Точность является приемлемой при подтверждении глобальными наземными наблюдениями, а средний коэффициент корреляции (R) и среднеквадратическая ошибка (RMSE) составляют 0,46 и 0,04 см3 • см − 3 24 соответственно. Чтобы проанализировать пространственные закономерности трендов, мы сначала определили и классифицировали засушливые и влажные районы, используя обновленную климатическую классификацию Коппен-Гейгера (см. Методы). 26 , 27 , Затем мы оценили пространственную согласованность между глобальными тенденциями и климатическими регионами и, наконец, количественно определили соответствие между парадигмами трендов (см. Методы).

представляет пространственную картину глобальной влажности почвы. Многолетнее среднее значение составляет 0,227 ± 0,088 см3 • см − 3 на суше. Во всем мире сухие почвы в основном расположены в юго-восточной части Северной Америки, Северной Африке, юго-западной Европе, Центральной Азии и Австралии. Влажные районы в основном расположены в северной части Северной Америки, северной Европе и Юго-Восточной Азии. В масштабе климатических регионов влажность почвы составляет 0,144 см3 • см-3, 0,271 см3 • см-3 и 0,245 см3 • см-3 в засушливых, влажных и переходных регионах соответственно. В частности, наиболее засушливым климатическим регионом (0,099 см3 • см-3) является жаркая пустыня, представленная пустыней Сахара в Северной Африке, тогда как самый влажный регион (0,307 см3 • см-3) встречается в тропических лесах, как представлено бассейн реки Амазонки в Северной Америке.

Многолетнее среднее значение глобальной влажности почвы с 1979 по 2013 годМноголетнее среднее значение глобальной влажности почвы с 1979 по 2013 год.

Фигура была сгенерирована с использованием ArcGIS 10.0, а система координат - World Geodetic System 1984 (WGS84).

показывает временные тренды глобальной влажности почвы, которые представляют значительную пространственную изменчивость. Доля земель, которые стали более сухими, составила 22,16%, а 7,14% стали более влажными; показатели были -0,0023 см3 • см-3 • год-1 и 0,0029 см3 • см-3 • год-1 соответственно. Этот результат согласуется с результатами Дориго и соавт. 28 , Пространственно, более сухие районы были в основном расположены в северо-восточной части Северной Америки, Северной Африке, Центральной Азии и Юго-Западной Австралии. Более влажные районы были в основном в Северо-Западной Африке, северной части Южной Америки, Северо-Восточной Европе и Северо-Восточной Азии. Сравнивая и, можно видеть, что более сухая тенденция была в основном ограничена сухими регионами, тогда как более влажная тенденция была в основном ограничена влажными регионами.

Временные тренды глобальной влажности почвы.

Представлены только тренды, значимые при р <0,05. Фигура была сгенерирована с использованием ArcGIS 10.0, а система координат - World Geodetic System 1984 (WGS84).

показывает пространственную согласованность трендов и климатических регионов. Процент засушливой, влажной и переходной областей, которые стали более сухими, составляли 38,41%, 16,34% и 12,99% соответственно, и 2,91%, 8,05% и 10,46% аридной, влажной и переходной областей, соответственно, стали более влажными. Районы с засушливым и влажным климатом покрывают 73,22% земной поверхности. Тем не менее, только 15,12% мировых земель следовали парадигме DGDWGW, а 7,77% показали противоположную тенденцию. Этот результат демонстрирует, что парадигма DGDWGW переоценивает глобальные тренды влажности. Наши результаты подтверждают результаты Greve et al. 1 хотя они количественно отличаются. Greve et al. 1 показали, что 10,8% и 9,5% земли следуют парадигме и ведут себя противоположно парадигме, соответственно. Это различие связано с тем, что Северная Африка отсутствует в анализе Greve et al. 1 , Северная Африка имеет актуальный засушливый климат и охватывает большую территорию. Наши результаты показывают, что «сухая становится более сухой» является наиболее важной парадигмой в этом субрегионе, причем 59,59% площади становится более сухой. Отсутствие Северной Африки привело к большой потере информации, которая повлияла бы на тенденции, о которых сообщалось в Греве и др. 1 , Хотя DGDWGW является незначительным, существует очевидная парадигма, которую можно охарактеризовать как «сухая в сухом, влажная в мокром» (DIDWIW) (см. Методы). Процент условий сушки, имевших место в засушливых, влажных и переходных районах, составил 52,69%, 31,61% и 15,70% соответственно. В то же время 12,41%, 48,34% и 39,25% условий с повышенной влажностью произошли в засушливых, людских и переходных районах, соответственно. В целом, 51,63% тенденций следовали парадигме DIDWIW, тогда как 26,93% показали противоположное поведение. Парадигма DIDWIW в тропических субрегионах также была оценена для подтверждения этого результата. Для оценки были выбраны крупнейшие субрегионы регионов с засушливым и влажным климатом (BWh и Dfc соответственно). Субрегион BWh характеризуется жарким пустынным климатом и охватывает 13,52% общей площади суши. Площадь растущей засухи в этом субрегионе составляла 36,36% от площади растущей глобальной засухи, что примерно в три раза больше, чем отношение площадей над землей субрегиона. Субрегион Dfc характеризуется климатом с холодным летом и без сухого сезона. Он охватывает 18,69% от общей площади суши и занимает 22,46% от общей площади смачивания. Эти результаты также подтверждают наблюдение, что более сухие условия были все более вероятными в засушливых регионах, тогда как увеличение влажности было более вероятным во влажных регионах.

Статистика трендов влажности почвы.

( а ) более сухой тренд и ( б ) более влажный тренд. Аббревиатуры, используемые для обозначения оси X, относятся к климатическим регионам, которые состоят из двух или трех букв. Первая буква относится к типам климата: тропический ( A ), сухой ( B ), умеренный ( C ) и холодный ( D ). Вторая буква указывает на условия осадков: тропический лес ( f ), муссон ( м ) и саванна ( ы ) в тропиках, пустыня ( W ) и степь ( S ) в засушливое, сухое лето ( а ), сухую зиму ( w ) и без сухой сезон ( f ) в умеренном и холодном климате. Третья буква обозначает жаркое (h) и холодное (k) в засушливое и жаркое лето ( a ), теплое лето ( b ), холодное лето ( c ) и очень холодное лето ( d ) в умеренном и холодном климате. «Климатические регионы становятся более сухими / влажными» - это отношение более сухой / влажной зоны для климатического региона. «Более сухой / более влажный в климатическом регионе» относится к отношению более сухой / более влажной области в климатическом регионе к общей площади более сухой / более влажной. Сумма «сухой / влажный в климатическом регионе» равна 100%. Рисунок был создан с использованием Microsoft Excel 2010.

Чтобы уловить тенденции, мы дополнительно определили области парадигм DGDWGW и DIDWIW. Сначала мы разделили тренды в засушливых районах на «более сухие» (DID) и «влажные в сухих» (WID), а тренды во влажных областях на «влажные во влажном» (WIW) и «более сухие во влажном» ( DIW) областей. Затем мы сравнили климатические и влажностные характеристики четырех районов. Используя этот метод, было легко определить фон двух парадигм. Осадки и суммарное испарение являются двумя наиболее важными переменными, влияющими на влажность почвы, которые, соответственно, служат для снабжения и истощения воды в почве и были приняты для нашего анализа (источники данных описаны в разделе «Методы»). 29 , 30 , Статистические результаты показывают, что влажность почвы, осадки и суммарное испарение составляли 0,108 см3 • см-3, 151,76 мм и 108,63 мм соответственно в DID и 0,147 см3 • см-3, 380,73 мм и 284,23 мм соответственно в WID. Что касается трендов во влажной области, эти три переменные составляли 0,267 см3 • см-3, 690,40 мм и 367,25 мм соответственно в WIW и 0,269 см3 • см-3, 713,84 мм и 375,01 мм соответственно в DIW. С точки зрения климата эти результаты позволяют предположить, что две засушливые парадигмы могут быть идентифицированы в засушливых районах с низким уровнем осадков. Основная причина заключается в том, что низкий уровень осадков привел к дефициту влаги в почве в этих районах. Сухие почвы затем подняли поток ощутимого тепла, который создал более теплую и сухую атмосферу низкого уровня и увеличил потенциальное суммарное испарение. 31 , Незначительные различия в областях WIW и DIW показывают, что во влажных регионах существуют более сложные гидрологические процессы 32 ,

В целом, мы заключаем, что парадигма DGDWGW была переоценена в предыдущих исследованиях. В качестве альтернативы, эта тенденция представляет значительную парадигму «сухой в мокром и влажном» (DIDWIW). Две парадигмы предлагают две разные концепции. DGDWGW оценивается по шкале климатических регионов. DGDWGW предполагает, что климатические регионы ощущаются более сухими или влажными на суше, что сильно переоценивает степень глобальных трендов влажности. Фактически, только приблизительно 30% земли испытали сильные изменения влажности. Парадигма DIDWIW фокусируется на тенденциях влажности, которые могут детально отражать их пространственные структуры. Две парадигмы могут быть идентифицированы в засушливых регионах с низким уровнем осадков, что позволяет предположить, что исследователи рассматривают эти различия в сочетании глобальных тенденций климата и влажности.