Susze w XXI wieku

Susze w przeszłości przed XXI wiekiem występowały. Jednak nie na tyle długotrwale, intensywnie i często jak w ciągu ostatnich trzech niecałych dekad. Generalnie historyczne susze miały charakter wybitnie naturalny, a współczesne niestety najczęściej mają związek z zachodzącym intensywnie globalnym ociepleniem z powodu spalania paliw kopalnych, wylesiania i osuszania mokradeł.

Do okresu publikacji 2007 r. badania nad suszami globalnymi koncentrowały się głównie na wskaźnikach opadowych. Na przykład na standaryzowanym wskaźniku opadów (SPI – Standardized Precipitation Index) albo na klasycznym znormalizowanym wskaźniku intensywności suszy Palmera (PDSI – Drought Severity Index), które opierają się na uproszczonym bilansie wodnym z założeniami stałych parametrów klimatycznych i gleby. Te wskaźniki nie są jednak bezpośrednimi miarami stresu hydrologicznego i mogą maskować realną dostępność wody roślinom czy glebom.

Fot.1 Wysychające lasy Amazonii. Źródło: Doulton/domena publiczna

Globalny wskaźnik suszy dotyczący wilgotności gleb a model zmiennej pojemności infiltracyjnej

Justin Sheffield profesor hydrologii i teledetekcji oraz kierownik Wydziału Geografii i Nauk o Środowisku na Uniwersytecie w Southampton w Wielkiej Brytanii, oraz Eric F. Wood, emerytowany profesor inżynierii lądowej i środowiskowej na Uniwersytecie w Princeton, postawili sobie zadanie: czy można globalnie scharakteryzować susze na podstawie bezpośrednich symulacji wilgotności gleby i bilansem powierzchniowym, integrując faktyczne procesy hydrologiczne (infiltrację, ewapotranspirację, odpływ, retencję glebową)?

Badacze w swojej pracy wykorzystali model powierzchni lądowej – tzw. model zmiennej wydajności infiltracji (VIC – Variable Infiltration Capacity) w konfiguracji globalnej (~0.5° × 0.5°). VIC to fizyczny model hydrologiczny, który uwzględnia:

• rozkład retencji wodnej w glebie,

• saturację gleby i proces infiltracji,

• bilans energii i ewapotranspirację z udziałem roślinności,

• procesy odpływu powierzchniowego i podpowierzchniowego.

Symulacja była przeprowadzona w trybie off‑line, co oznacza, że model powierzchni lądowej działał niezależnie od bezpośredniego sprzężenia z modelem atmosferycznym, czyli był wymuszany zestawem obserwacyjno‑reanalizacyjnych danych meteorologicznych.

Wymuszanie meteorologiczne obejmowało opady atmosferyczne i temperaturę z zestawu CRU TS2.1 (Climate Research Unit Time‑Series, University of East Anglia). Dane opadów były kontrolowane krzyżowo z zestawem meteorologicznym GPCC (Global Precipitation Climatology Centre), Z kolei dane z reanalizy NCEP/NCAR obejmowały pola temperatury, promieniowania, wilgotności i wiatru, W niektórych regionach uzupełnienia danych pokrywane były za pomocą stacji naziemnych.

VIC generował miesięczne pola wilgotności gleby w dwóch warstwach: powierzchniowej (0–30 cm) i głębszej (30–100 cm. Ewapotranspiracja (ET) (parowanie z gleb i liści roślin) była obliczana fizycznie jako funkcja temperatury, wilgotności gleby, parametrów roślinności i potencjału parowania.

Dotychczas susza była definiowana jako anomalie percentylowe wilgotności gleby. To znaczy pomiary dotychczas mówiły o odchyleniu od normy dla danej pory roku i danego miejsca. Tymczasem autorzy zbudowali regionalną klimatologię referencyjną (1950–2000) dla wilgotności gleb. Stosowano kryteria intensywności, trwania i częstości epizodów suchych.

Wyniki VIC porównano z obliczeniami PDSI. To znaczy. porównano kilkanaście znanych epizodów susz (np. USA 1988, Australia 1982–83, Sahel 1970–80 Indie 1965-66). Zbadano przy tym zależności sygnałów suszowych z telekoneksjami naturalnych zmienności klimatycznych (ENSO, NAO).

Globalny wskaźnik suszy oparty na wilgotności gleby wykazał wyraźne regiony ognisk suszowych: Sahel, południowa Afryka, środkowo‑zachodnia Australia, południowo‑zachodnie USA. Oznaczało to, że rozkład intensywności suszy nie pokrywał się idealnie z tradycyjnymi wskaźnikami opadowymi. Równoważyły go bilans ewapotranspiracji (ET) i retencji glebowej.

W tym przypadku duże znaczenie miała długość susz.

Susze krótkoterminowe (1–6 miesięcy) częściej występowały w strefach tropikalnych, gdzie sezonowość opadów jest z reguły silna. Z kolei susze średnioterminowe (7–12 miesięcy) dominowały w strefach umiarkowanych. Ponadto długotrwałe epizody (>12 miesięcy) koncentrowały się przede wszystkim w północnej Afryce Subsaharyjskiej i regionach północnych.

W badanym okresie 1950–2000 nie zaobserwowano jednolitego globalnego trendu wzrostu suszy, Niektóre regiony (np. Sahel) wykazywały wzrost częstotliwości i intensywności epizodów suchych w późniejszych dekadach XX w. Natomiast w innych obszarach sygnał trendu był słaby lub niejednoznaczny.

Ogólna zgodność globalnych wzorców między badaniem wilgotności gleby przy pomocy modelu powierzchni ziemi o zmiennej pojemności infiltracyjnej (VIC) a znormalizowanym wskaźnikiem intensywności suszy Palmera (PDSI) była zaskakująco dobra. Różnice pojawiły się w rejonach o silnej sezonowości śniegu i tam, gdzie proste bilanse PDSI nie uchwyciły procesów bilansu energii i wilgotności gleby.

Rys.1 Przykłady miesięcznych kwantyli wilgotności gleby dla czterech głównych susz regionalnych: (a) Sahel, 1983–84; (b) północno-wschodnie Indie, 1965–1966; (c) Australia, 1983; (d) USA, 1988. Źródło: Justin Sheffield & Eric F. Wood, 2007/CC BY 4.0

Mechanizmy fizyczne i telekoneksje

Autorzy podkreślili duże znaczenie i ważną rolę telekoneksji klimatycznych. W szczególności wyróżnione zostały dwie oscylacje atmosferyczno-oceaniczne:

• ENSO (El Niño – Southern Oscillation) – wpływ na susze tropikalne (Ameryka Południowa, Azja Południowo‑Wschodnia),

• NAO (North Atlantic Oscillation) – wpływ na warunki suszowe w Europie i północnej Afryce,

Ponadto kluczowe w tym przypadku są sprzężenia między temperaturą powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) a monsunami. Natomiast symulacje VIC wykazały, że regiony o podobnym anomaliach opadowych mogą mieć różną odpowiedź hydrologiczną ze względu na:

• różnice w retencji gleby,

• różnice w sezonowej ewapotranspiracji,

• różne parametry roślinności i ich reakcję na stres wodny.

Praca Sheffielda i Wooda dała fizycznie ugruntowany obraz suszy globalnej, oparty na faktycznych procesach hydrologicznych, a nie tylko na opadach. Pokazała, że susza to jest stan bilansu wodnego, czyli wynik zrównoważenia opadów, ewapotranspiracji i retencji gleby. Jednocześnie wskazała, że globalne tendencje nie są jednorodne, ponieważ wzrost suszy w jednym regionie może równoważyć spadek w innym,

Dla modeli klimatycznych była to ważna baza walidacyjna do oceny symulacji wilgotności gleb przy pomocy zestawu modeli CMIP.

Po 2007 r. wyniki Sheffielda i Wooda w późniejszych pracach naukowych stały się podstawą do rozwoju takich wskaźników jak SPEI i SZI. Modele lądowe jak CLM, NOAH, MOSAIC integrowały podobne bilanse wodne, a dane satelitarne (SMOS, SMAP) ostatnio wzbogaciły obserwacje wilgotności gleby, weryfikując scenariusze modelowe.

 

Susza a śmiertelność drzew w lasach tropikalnych i metodyka MCWD

Susza w dużym zakresie jest przekleństwem dla wielu roślin, w tym drzew tworzących rozległe ekosystemy leśne. Wraz z intensywnymi falami upałów stanowi poważne zagrożenia dla istnienia wielu gatunków ze świata flory i fauny. Globalne ocieplenie wyraźnie zaznaczyło swój szkodliwy wpływ w tropikach.

jedno z kluczowych opracowań empirycznych z końca pierwszej dekady XXI wieku dotyczyło wpływu suszy na śmiertelność drzew w lasach tropikalnych. Zostało ono oparte na długoterminowych pomiarach terenowych realizowanych w ramach sieci RAINFOR (Amazon Forest Inventory Network) – największego systemu monitoringu trwałych powierzchni badawczych w Amazonii. Badanie koncentrowało się przede wszystkim na konsekwencjach silnych epizodów suszy związanych z ENSO (m.in. 1997–1998 oraz 2005).

Autorami tejże pracy naukowej byli współpracownicy pod kierownictwem Olivera L. Phillipsa z Uniwersytetu w Leeds na Wydziałe Geografii (sieć RAINFOR).

Analiza objęła ponad 100 stałych powierzchni próbnych rozmieszczonych w całej Amazonii, obejmujących setki tysięcy indywidualnych drzew o pierśnicy ≥10 cm.

Dane obejmowały:

• roczne przyrosty biomasy,

• wskaźniki rekrutacji i śmiertelności,

• zmiany zapasu węgla nadziemnego (AGB – Above Ground Biomass),

• dane klimatyczne (opad, temperatura, deficyt wilgotności).

Kluczowym wskaźnikiem stresu wodnego był w ciągu roku wyrażany w mm – tzw. maksymalny skumulowany deficyt wodny (MCWD – Maximum Climatological Water Deficit).  Pozwala on ilościowo oszacować intensywność i długość suszy w ujęciu fizjologicznym, a nie tylko opadowym.

Autorzy zastosowali analizę korelacyjną i modele regresji między MCWD a:

1. roczną śmiertelnością drzew (% populacji),

2. zmianą netto zapasu węgla (Mg C ha⁻¹ rok⁻¹) [Mg – megagram ; C – symbol pierw. chem. węgla ; ha – hektar],

3. dynamiką przyrostu.

Analiza uwzględniała opóźnione efekty suszy (lag effects), ponieważ śmierć drzew często następuje 1–2 lata po ekstremalnym stresie hydraulicznym.

Rys.2 Wrażliwość śmiertelności na suszę we wszystkich nizinnych lasach tropikalnych z dostępnymi danymi (Proportial change in mortality rate (%)-Difference in mortality rate, drought – pre-drought). Ciemnoszare symbole – Amazonia; jasnoszare symbole – susze doświadczalne we wschodniej Amazonii; czarne symbole – Borneo; białe symbole – Afryka, Ameryka Środkowa i Las Atlantycki. Przedstawiono najlepiej dopasowane modele dla każdego wskaźnika suszy i wskaźnika śmiertelności, z 95% przedziałami ufności bootstrappingowymi (przedziałami ufności, w których ma miejsce wielokrotne losowanie z tej samej próby, żeby sprawdzić, jak stabilny jest wynik). Ważenie (uwzględnienie, że nie wszystkie działki mają taki sam „statystyczny ciężar, np. w obliczaniu średniej) oparto na wielkości działki i interwale monitorowania (czas pomiędzy kolejnymi pomiarami w tej samej działce). Wagi są proporcjonalne do powierzchni symbolu. MCWD (maksymalny klimatyczny deficyt wody) – największy skumulowany miesięczny niedobór wody w ciągu roku ; Różnica MCWD (susza – okres przed suszą) – zmiana deficytu wody podczas epizodu suszy w porównaniu z okresem przed suszą (mm) ; Wskaźnik różnicy (różnica MCWD / roczny opad) – ta zmiana wyrażona jako procent rocznej sumy opadów, co pozwala porównywać regiony o różnych opadach (%). Źródło: Oliver L. Phillips et al., 2010/CC BY 4.0

Wysoka śmiertelność drzew w szczególności podczas bardzo silnych El Niño

Wzrost śmiertelności drzew podczas susz był najczęściej skorelowany z obecnością silnego El Niño, jak np. w latach 1982-83 czy 1997-98. W latach silnych epizodów suszy obserwowano istotny statystycznie wzrost śmiertelności drzew – lokalnie nawet o 30–50% względem średniej z lat wilgotnych.

Stwierdzono wówczas wyraźną korelację między nasileniem deficytu wodnego a tempem obumierania. Regiony o największym MCWD (południowo-zachodnia Amazonia w 2005 r.) wykazały najwyższy wzrost śmiertelności.

W latach bez suszy amazońskie lasy działały jako pochłaniacz węgla (ok. +0,5 Mg C ha⁻¹ rok⁻¹ netto). Ale podczas suszy efekt ten ulegał redukcji, a lokalnie dochodziło do przejścia w źródło CO₂ w wyniku zwiększonej śmiertelności i rozkładu biomasy. Gatunki o niższej odporności hydraulicznej (o niskim progu kawitacji ksylemu w pniu drzewa [kawitacja to zjawisko fizyczne polegające na gwałtownej przemianie fazy ciekłej w gazową wskutek spadku ciśnienia]) były bardziej podatne na obumieranie. Lasy nie reagowały jednorodnie – odpowiedź zależała od struktury funkcjonalnej zespołu drzew.

Autorzy interpretują wzrost śmiertelności jako efekt:

• stresu hydraulicznego (kawitacja, utrata przewodnictwa w ksylemie),

• ograniczenia fotosyntezy w warunkach wysokiego deficytu ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit),

• wyczerpania zapasów węglowodanów (carbon starvation),

• wtórnych infekcji i podatności na wiatr.

Kluczowe jest to, że susza nie tylko redukuje przyrost biomasy, ale destabilizuje strukturę całego ekosystemu.

Praca Phillipsa i in. była jednym z pierwszych tak jednoznacznych dowodów terenowych, że tropikalne lasy Amazonii są wrażliwe na ekstremalne susze. W kontekście prognoz IPCC ma to fundamentalne znaczenie.

Wzrost częstości silnych epizodów ENSO (El Niño) może zwiększyć śmiertelność drzew. Prowadzi to do potencjalnego osłabienia funkcji lasów jako pochłaniacza CO₂. A także stanowi ryzyko dodatniego sprzężenia zwrotnego klimat–las–węgiel.

Jednocześnie autorzy podkreślają dużą heterogeniczność regionalną i brak dowodów na natychmiastowe załamanie się biomu Amazonii. Reakcja jest zróżnicowana przestrzennie i zależna od historii klimatycznej danego obszaru.

Badanie ugruntowało:

• zastosowanie MCWD jako kluczowego wskaźnika suszy tropikalnej,

• znaczenie sieci stałych powierzchni monitoringowych,

• konieczność integracji danych terenowych z modelami klimatyczno-węglowymi (DGVM).

 

Dostępność wody jest coraz niższa

Naukowcy zauważyli, że w ostatnich latach coraz większym problemem jest coraz niższa dostępność wody dla ludzi, zwierząt i roślin.

Sanjiv Kumar z Centrum Lotów Kosmicznych im. Goddarda NASA, Oddział Nauk Hydrologicznych, wraz ze swoim zespołem naukowym ocenili wiarygodność prognoz dostępności wody w modelach klimatycznych dla XXI wieku. Zidentyfikowali istotny problem: mimo zaawansowania modeli klimatycznych – ogólnych modeli cyrkulacji (GCM – General Circulation Models), symulacje dostępności wody w regionach monsunowych, śródziemnomorskich i półsuchych pozostają niepewne. Celem było zrozumienie, jak bardzo niepewność modeli wpływa na przewidywane bilanse wodne w XXI wieku, oraz wskazanie ograniczeń dla planowania zasobów wodnych.

Autorzy wykorzystali zestaw danych CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) obejmujący projekcje RCP4.5 i RCP8.5. Analizowano:

• opad (przestrzenne pola miesięczne) z 15–20 modeli GCM,

• ewapotranspirację (ET) i odpływ powierzchniowy z lądowych modeli hydrologicznych, w tym CLM (Community Land Model) i modele VIC (Variable Infiltration Capacity),

• wilgotność gleby w dwóch warstwach (0–30 cm i 30–100 cm),

• zestawy obserwacyjne i reanalizy (odtworzenia przeszłej pogody i klimatu przy użyciu modeli i obserwacji): MERRA (Modern Era Retrospective-analysis for Research and Applications) oraz CRU TS2.1, służące do walidacji modelowej (sprawdzenie modeli, czy ich wyniki zgadzają się z rzeczywistością).

Analiza obejmowała okres historyczny (1950–2005) oraz prognozy do 2100 r. w dwóch scenariuszach emisji gazów cieplarnianych (RCP4.5 i RCP8.5).

W ocenie niepewności modeli wyróżniamy między innymi porównanie symulacji średnich wielomodelowych z pojedynczymi modelami oraz analizę rozrzutu prognoz w przestrzeni i czasie.

Również naukowcy w badaniu zastosowali wskaźnik całkowitej dostępności wody (TWA – Total Water Availability), czyli opadu, eewapotranspiracji, retencji gleby i jej odpływu. Analiza ta koncentrowała się na sezonowej i rocznej zmienności, a nie tylko na średnich wieloletnich trendach.

Ponadto w analizie badawczej zespołu Kumara wyróżniony został współczynnik różnicy (CV – Cofficient of Variation) pomiędzy modelami. Dodatkowo badacze zastosowali porównanie prognoz do reanaliz historycznych w celu oceny wiarygodności.

Rys. Zmiany dostępności wody w lokalnej porze suchej i deszczowej w prognozach RCP8.5 (2070–2099) w porównaniu z symulacjami historycznymi (1961–1990). Cieniowanie kolorem reprezentuje co najmniej 65% modeli (13 lub więcej z 20 modeli) wykazujących zmiany większe niż 2 klimatologiczne odchylenia standardowe w okresie historycznym. Punktowanie oznacza, że ​​co najmniej 65% modeli ma ten sam znak zmiany, co pokazano na rysunku. Regiony o niskich opadach (<100 mm/rok) zostały pominięte. Źródło: Saniv Kumar et al., 2013/CC BY 4.0

Hydrologiczne modele, scenariusze emisji i czynniki ograniczające dostępność wody, która jest obserwowana przez satelity 

W wielu regionach rozrzut między modelami był porównywalny lub większy niż przewidywane zmiany w dostępności wody w XXI wieku. Szczególnie dotyczyło to subkontynentu indyjskiego, Afryki Subsaharyjskiej, południowej Europy i północnej Ameryki.

Modele różniły się parametryzacją ewapotranspiracji (ET). Wśród nich badacze zastosowali lądowe, takie jak CLM i VIC, które różnie traktowały przepuszczalność gleby i jej retencję, co wpływało na przewidywania deficytu wodnego. W regionach monsunowych błędy w symulacji opadów były głównym źródłem niepewności.

Podczas zastosowania wymienionych modeli naukowcy w swojej analizie badawczej wykorzystali dwa kluczowe scenariusze emisji

• • RCP8.5, który wykazywał większą zmienność w prognozach, zwłaszcza w południowej Afryce i południowo-zachodnich USA,

  • RCP4.5 który dawał bardziej umiarkowaną zmianę średnich rocznych, ale nie redukował rozrzutu między modelami.

Autorzy wskazali, że głównymi czynnikami ograniczającymi dostępność wody są złożone sprzężenia gleba-roślinność-atmosfera, które mają zastosowanie w modelach lądowych. Ponadto uwzględnili niepewność parametrów konwekcji i ewolucji temperatury powierzchni morza (SST – Sea Surface Temperature) w klasycznych modelach GCM. Zauważyli, że występuje silna wrażliwość bilansu wodnego na ekstremalne zdarzenia opadowe i deficyty. A także regionalna heterogeniczność monsunów i procesów telekoneksji południowopacyficznej oscylacji (ENSO – El Niño Southern Oscillation) i dipola Oceanu Indyjskiego (IOD – Indian Ocean Dipole).

Prognozy dostępności wody w XXI wieku są mniej wiarygodne niż często zakłada się w literaturze i raportach politycznych, szczególnie w regionach wrażliwych na susze i monsun. Wysoka niepewność wymaga stosowania podejść probabilistycznych i zespołowych, zamiast bazowania na pojedynczych modelach.

Modelowanie powinno integrować obserwacje satelitarne (TRMM, SMOS, GRACE), reanalizy (MERRA, ERA-Interim) i modele lądowe, aby lepiej uchwycić zmienność przestrzenno‑czasową. Praca ta podkreśliła potrzebę uwzględnienia niepewności w planowaniu zasobów wodnych i polityce adaptacyjnej.

Kumar i jego współpracownicy wprowadzili w swoim badaniu podejście krytyczne wobec interpretacji średnich wielomodelowych. Co istotne, uwzględnili integrację hydrologii lądowej z prognozami klimatycznymi, opierając się na metodologii kwantyfikacji niepewności dla zmiennych krytycznych w hydrologii.

Praca ta stała się podstawą dla późniejszych analiz zespołowych sprzężonych modeli porównawczych CMIP5/CMIP6 w kontekście zarządzania wodą i ryzyka suszowego w XXI wieku.

Nowe badanie bilansu wodnego gleby: nowy wskaźnik SZI

2015 rok przyniósł kolejne nowatorskie badanie z zupełnie nowym wskaźnikiem fizycznym, który okazał się bardzo istotny w zrozumieniu dynamiki susz na Ziemi.

Baoqing Zhang z Uniwersytetu Northwest A&F na Wydziale Zasobów Wodnych i Inżynierii Lądowej w Xi’an (Chiny) i współautorzy podjęli wyzwanie stworzenia wskaźnika suszy opartego bezpośrednio na fizyce bilansu wodnego gleby, który byłby bardziej wiarygodny niż klasyczne wskaźniki meteorologiczne (SPI, SPEI) lub klasyczny wskaźnik Palmera PDSI. Problem polegał na tym, że tradycyjne wskaźniki nie uwzględniają pełnego cyklu hydrologicznego, a ich wartość prognostyczna w regionach o wysokiej zmienności gleby i roślinności jest ograniczona.

Celem pracy było opracowanie nowego wskaźnika – standaryzowanego wskaźnika anomalii wilgotności (SMAI – Standardized Moisture Anomaly Index (SZI)), który uwzględniał zarówno opad, ewapotranspirację (ET), odpływ powierzchniowy i podpowierzchniowy oraz zmiany zasobów wodnych w glebie. Ponadto, który może mieć zastosowanie w skali globalnej i lokalnej. I jest elastyczny względem występowania zarówno suszy krótkoterminowej, jak i długoterminowej.

Rys. Rozmieszczenie przestrzenne stacji hydrometrycznych i meteorologicznych w sześciu podregionach Wyżyny Lessowej. Źródło: Baoqing Zhang et al., 2015/CC BY 4.0

Autorzy w niniejszym badaniu wykorzystali następujące zbiory danych i modele:

• GLDAS (Global Land Data Assimilation System) – do uzyskania miesięcznych pól soil moisture, ET, odpływu i bilansu wodnego,

• ERA-Interim Reanalysis (ECMWF) – pola meteorologiczne: opad, temperatura, promieniowanie, wilgotność, wiatr,

• dane stacjonarne do walidacji regionalnej (Chiny, Ameryka Północna, Europa),

• obecne wskaźniki do porównania: SPI (Standardized Precipitation Index), SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index), klasyczny PDSI,

• analizy przestrzenne w rozdzielczości 0.25° × 0.25° i w przedziałach czasowych 1–24 miesięcy.

SZI bazuje na równaniu bilansu wodnego:

P−ET−R−ΔS

gdzie:

• P – opad,

• ET – ewapotranspiracja,

• R – odpływ powierzchniowy i podpowierzchniowy,

• ΔS – zmiana stanu wilgotności gleby.

Wynik jest standaryzowany względem wieloletniego okresu referencyjnego, co umożliwia porównania między regionami i sezonami.

Autorzy obliczyli SZI w przedziałach 1–24 miesięcy, co pozwala uchwycić zarówno susze krótkotrwałe (np. deficyt roczny w okresie wegetacyjnym), jak i wieloletnie susze hydrologiczne. Porównali ten wskaźnik z obserwowanymi deficytami wilgotności gleby. Następnie zastosowali statystyczne korelacje do wskaźników SPI, SPEI, PDSI.

Dzięki nowemu wskaźnikowi SZI była możliwa skuteczniejsza analiza jego zdolności do wykrywania znanych epizodów suszy (USA 1988, Sahel 1970–80, Australia 2002–03).

Do zasadniczych zalet nowego wskaźnika suszy jest jego godność z obserwacjami wilgotności gleby. Wykazał on wyższe korelacje (r≈0.7–0.85) z obserwowanymi deficytami wilgotności gleby niż SPI (r≈0.5–0.6) i PDSI (r≈0.6–0.65). Skuteczniej wykrywał susze krótkoterminowe w strefach monsunowych i wilgotnych tropikach.

SZI reagował wyraźnie na deficyty wodne w Amazonii, Afryce Subsaharyjskiej, północnej Indiach, południowej Europie, Umożliwiał identyfikację epizodów błyskawicznych susz w Europie i USA.

Analiza w 12‑, 18- i 24‑miesięcznych skalach ujawniła susze hydrologiczne niewidoczne w standardowych wskaźnikach meteorologicznych. Pozwoliło to na lepsze przewidywanie wpływu suszy na rolnictwo i ekosystemy leśne.

Standaryzacja deficytu wilgotności gleby pozwoliła uchwycić różnice regionalne w retencji glebowej i ewapotranspiracji, które klasyczne wskaźniki pomijają. SZI jest szczególnie czuły na stres hydrauliczny roślin, ponieważ uwzględnia faktyczny bilans wodny gleby w warstwie korzeniowej. Pozwala to uchwycić interakcje między deficytem opadów, wzrostem ewapotranspiracji, odpływem i akumulacją wody w glebie.

Rys. Szeregi czasowe miesięcznych anomalii wilgotności gleby (1 m) uśrednionych powierzchniowo na podstawie modelu CPC i VIC w latach 1971–2012 na Wyżynie Lessowej. Źródło: Baoqing Zhang et al., 2015/CC BY 4.0

Badanie chińskich naukowców pokazało, że wskaźnik hydrologiczny SZI, oparty na fizycznym bilansie wodnym, jest bardzo skuteczny w monitorowaniu susz niż dotychczasowe wskaźniki meteorologiczne. Może mieć szerokie zastosowanie w analizach regionalnych, krajowych i globalnych. Ponadto umożliwia wykrywanie susz krótkotrwałych (do kilku miesięcy) i długotrwałych (wieloletnich), co jest kluczowe dla zarządzania wodą, rolnictwa i ekosystemów leśnych.

Naukowcy chińscy podkreślili, że ich praca stanowi przełom do kolejnych nowych badań. Jest podstawą dla integracji danych satelitarnych (SMOS, SMAP) z modelami lądowymi oraz dla rozwijania wskaźników takich jak wskaźnik stresu ewaporacyjnego (ESI – Evaporative Stress Index).

Większa odporność na susze drzew liściastych od iglastych

Obecnie nadal wpływ ekstremalnych zjawisk klimatycznych na ekosystemy lądowe jest słabo poznany. Dotyczy to zarówno fal upałów, susz, jak i pożarów. Jeśli chodzi o susze, wpływ tych ekstremów jest bardzo ważny dla przewidywania sprzężeń zwrotnych związanych z przebiegiem cyklu węglowego, który z kolei może mieć wpływ na przyspieszenie lub ograniczenie zmian klimatu.

William W. R. L. Anderegg, adiunkt biologii na Wydziale Ekologii i Biologii Ewolucyjnej na Uniwersytecie Princeton oraz na Wydziale Biologii na Uniwersytecie Utah w Salt Lake City, wraz ze swoim zespołem naukowców, stwierdził następujący fakt, że połączone modele cyklu klimatyczno-węglowego zazwyczaj we wcześniejszych badaniach zakładały, że powrót roślinności po ekstremalnej suszy jest natychmiastowy i całkowity, jednak to jest sprzeczne ze zrozumieniem podstawowej fizjologii roślin 1.

Naukowcy zbadali w terenie odnowienie wzrostu pni drzew po silnej suszy w 1338 obszarach leśnych na całym świecie, obejmujących okres czasu 49 lat i porównali wyniki z jego symulowanym odnowieniem  w modelach klimatyczno-roślinnych. I odkryli wszechobecne i znaczące efekty opóźnienia wzrostu drzew, czyli ich zmniejszonego wzrostu i niepełnego wyzdrowienia w ciągu 1 do 4 lat po ciężkiej i długotrwałej suszy.

William Anderegg dla Phys.Org powiedział 2:

To naprawdę ma znaczenie, ponieważ w przyszłości oczekuje się, że w wyniku zmian klimatycznych w przyszłości susze będą powiększać się i nasilać. Niektóre lasy mogą konkurować ze sobą o odbudowę przed następną suszą.

Tempo powrotu do zdrowia po suszy jest w dużej mierze nieznane dla większości gatunków drzew. Anderegg i współpracownicy dokładnie zmierzyli odnowienie wzrostu pni drzew po ciężkich suszach od 1948 r. w ponad 1300 obszarach leśnych na całym świecie, korzystając z danych z Międzynarodowego Banku Danych Słojów Drzew. Słoje te zapewniają wygodną historię wzrostu drzew i dzięki temu można dokładnie śledzić absorpcję węgla w ekosystemie, w którym one rosły.

–

Fot.1. Martwe drzewa spowodowane suszą w Kalifornii. Zródło: Nathan Stephenson/domena publiczna

Rys.1. Efekty opóźnień są najbardziej rozpowszechnione w południowo-zachodnich i środkowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych oraz w niektórych częściach północnej Europy. Ich skutki są określane ilościowo jako różnica między obserwowanym a przewidywanym wzrostem (indeks bez jednostek) po anomalii suchej o 2 SD w klimatycznym deficycie wody w 1338 miejscach. A) Efekt opóźnień na poziomie obszaru zsumowany w ciągu pierwszych 4 lat po suszy. B) Średnia korelacja między wzrostem drzew (wskaźnik słojów) a klimatycznym deficytem wody (wilgotność gleby od 0 do 100 cm minus ewapotranspiracja potencjalna). Źródło: William R. L. Anderegg i in., 2015/CC BY 4.0

 

Średnio wzrost pnia trwał od 2 do 4 lat, aby drzewo mogło się zregenerować do stanu przed ekstremalną suszą. Był on o około 9 procent wolniejszy w pierwszym roku po jej zakończeniu i o 5 procent wolniejszy w drugim roku po jej zakończeniu.

Za pomocą zestawu modeli CMIP5, naukowcy przeprowadzili symulacje efektów opóźnienia wśród roślin iglastych z rodziny sosnowatych Pinaceae i roślin liściastych z rodziny bukowatych Fagaceae. I doszli do wniosku, że w obszarach suchych najsilniej one oddziałują na gatunki iglaste.

Łagodne efekty opóźnienia, gdzie zaobserwowany wzrost pni drzew był wyższy niż przewidywano po suszy, były najczęstsze w Kalifornii i regionie Morza Śródziemnego.

Autorzy pracy napisali, że nasiona roślin nagozalążkowych, pod względem wielkości i czasu trwania, wykazywały silniejsze efekty opóźnienia niż okrytozalążkowych.

Ogólnie, podczas analizy dwóch wybranych rodzin drzew: Pinaceae – głównie sosny, i Fagaceae – głównie dęby (> 90% analizowanych chronologii), naukowcy zaobserwowali większy efekt opóźnienia u tej pierwszej rodziny niż u drugiej. I jak stwierdzili w swojej pracy:

Choć sosny zazwyczaj występowały na stanowiskach suchszych niż dęby (średnie roczne opady dla sosen = 660 mm/rok; średnie dla dębów = 760 mm/rok), model uwzględniający interakcje między opadami a rodziną był bardzo istotny, co wskazuje, że takie interakcje były ważne.

Zarówno mokre, jak i suche siedliska sosny wykazywały silne negatywne skutki opóźnienia, podczas gdy mokre siedliska dębu wykazywały nieznacznie negatywne skutki opóźnienia, ale już suche siedliska dębu miały silnie pozytywne, czyli silnie łagodne skutki opóźnienia…..

Jak zostało stwierdzone w bazie danych, sosny wykazywały również silniejsze negatywne skutki efektów opóźnienia niż inna główna rodzina nagonasiennych – jałowcowate Cupressaceae. Czyli, wynik ten jest zgodny z ogólnie wyższą tolerancją na suszę tej drugiej rodziny niż tej pierwszej i ukazuje on mechanizm uszkodzeń hydraulicznych leżący u podstaw efektów opóźnienia wzrostu drzew. Były one najbardziej rozpowszechnione w suchych ekosystemach, wśród rodziny sosnowatych Pinaceae i wśród gatunków o niskim marginesie bezpieczeństwa hydraulicznego.

Naukowcy stwierdzili, że obecne modele klimatyczno-roślinne symulują ograniczone lub żadne skutki opóźnienia po suszy. A ich wyniki podkreśliły histerezę (czyli opóżnienie) obiegu węgla na poziomie ekosystemu i opóźnioną regenerację po ekstremalnych warunkach klimatycznych.

Podsumowując ten temat, naukowcy powiedzieli, że jeszcze nie wiadomo, w jaki sposób susza powoduje tak długotrwałe szkody, zaproponowali trzy możliwe odpowiedzi:

utrata zapasów liści i węglowodanów podczas suszy może osłabić wzrost w kolejnych latach

w drzewach narażonych na suszę mogą gromadzić się szkodniki i choroby

trwałe uszkodzenie tkanek naczyniowych może zaburzać transport wody

William Anderegg w serwisie Phys.Org powiedział:

Susza, zwłaszcza ta, która ma znaczenie dla lasów, dotyczy równowagi między opadami a parowaniem. Parowanie jest bardzo silnie powiązane z temperaturą. Fakt, że temperatury idą w górę sugeruje dość mocno, że zachodnie regiony USA będą miały częstsze i bardziej dotkliwe susze, co znacznie zmniejszy zdolność lasów do wyciągania węgla z atmosfery.

Tak samo badacze zwracają też szczególną uwagę na to, że ilość składowanego dwutlenku węgla w półpustynnych ekosystemach w ciągu 100 lat spadła o około 1,6 gigaton, czyli jest to równe ilości około jednej czwartej całej emisji w USA w ciągu roku.

Anderegg w tym samym serwisie jeszcze podkreślił:

W większości naszych obecnych modeli ekosystemów i klimatu wpływ suszy na lasy włącza się i wyłącza jak światło. Kiedy susza mija, modele zakładają, że odbudowa lasu jest całkowita i bliska natychmiastowej. Tak nie działa prawdziwy świat.

 

Wysoka śmiertelność drzew iglastych z powodu długotrwałej suszy

Michael Goulden z Wydziału Nauki Systemu Ziemi w Irvine i Roger Bales z Wydziału Inżynierii oraz Instytutu Badawczego Sierra Nevada w Merced – obaj z Uniwersytetu Kalifornijskiego, powiedzieli, że w latach 2012-2015 w stanie USA w Kalifornii mieliśmy do czynienia z jednoczesnym okresem skrajnie rzadkich opadów deszczu ze wzmocnieniem temperatury powietrza oraz z wymieraniem wielu drzew. Najmocniej ucierpiały drzewa w lasach iglastych, które są mniej odporne na takie ekstrema pogodowe niż liściaste 5.

Naukowcy za pomocą obserwacji terenowych i teledetekcyjnych omówili przestrzenne i czasowe wzorce wymierania drzew oraz deficytu wilgoci podczas suszy w Kalifornii.

Susze to przewaga ewapotranspiracji nad opadami. I z tego też wynika, że tak samo się oblicza ten parametr jak opady deszczu czy śniegu z atmosfery na glebę, tylko w kontekście ubytku wody z tejże gleby do atmosfery.

Skumulowana ewapotranspiracja podczas wielkiej 4-letniej suszy 2012-2015 w Kalifornii wyniosła 1500 mm. A poziom wilgotności  w glebie obniżył się w tym samym czasie do głębokości 5-15 metrów. Umarło wówczas wiele drzew. Zwłaszcza ucierpiały iglaste, które są bardziej podatne na destrukcyjny wpływ susz, zwłaszcza połączonych z falami upałów, w szczególności ekstremalnych.

W badanym okresie czasu wymarło około 55% drzew.

Michael Goulden zauważył, że susza ta przekroczyła margines bezpieczeństwa. Szczególnie dotkliwa ona była w południowej części Sierra Nevada. Kombinacja opadów poniżej średniej i ciepła powyżej średniej sprawiła, że była ona najgorsza co najmniej na przestrzeni kilkuset lat.

 

Fot. Pod koniec suszy w latach 2012-2015 w kalifornijskim paśmie górskim Sierra Nevada doszło do masowego obumierania drzew. Liczne stanowiska, takie jak to w pobliżu Soaproot Saddle (na zdjęciu), poniosły znaczne straty spowodowane wyczerpaniem zasobów wody glebowej, z której korzystały głębokie korzenie drzew, jak wykazały niedawne badania przeprowadzone przez UCI i UC Merced. Źródło: Margot Wholey/UC Merced/CC BY-SA 4.0

 

Obserwacje przeprowadzone przez US Forest Service Aerial Detection Survey wykazały, że niemal wszystkie dojrzałe drzewa iglaste doznały groźnego uszczerbku na zdrowiu z powodu, zarówno drastycznego niedoboru wód gruntowych, jak i też inwazji przez szkodniki owadów, takich jak korniki. W porównaniu z 2010 rokiem na niższej wysokości gór susza w 2016 roku doprowadziła do wysokiego stopnia śmiertelności sosen. I to aż o 80 proc. więcej niż pod koniec pierwszej dekady XXI wieku.

Obok badań terenowych były również wykorzystane badania teledetekcyjne w celu identyfikacji zbiorowisk drzew na różnych wysokościach i szerokościach geograficznych w rozległym paśmie górskim.

Mechanizm ekstremalnego ciepła w fuzji z ekstremalną suszą wymuszał na drzewach, w szczególności iglastych, większe parowanie wilgoci z liści (igieł u iglastych). W szczególności niekorzystny ma to skutek, gdy drzewa wykazują się gęstością. A to z kolei powodowało, że zestresowane drzewa pobierały jeszcze więcej wód z gleb. Naukowcy doszli do wniosku, że ten duży pobór wody z gleb przez drzewa przeważał nad opadami deszczu czy śniegu w latach 2012-2015.

– Spodziewamy się, że zmiany klimatu dodatkowo wzmocnią parowanie i nadmierny pobór wilgoci gruntowej podczas suszy. Efekt ten może skutkować wzrostem obumierania drzew podczas suszy o 15–20 procent na każdy dodatkowy stopień ocieplenia – powiedział Michael Goulden.

Lepsze zrozumienie takich czynników, oddziałujących w trakcie tak długotrwałej suszy jak w Kalifornii, jak:

• wysokość nad poziomem morza,
• gęstość roślinności,
• ciepło,
• opady i
• ilość wody w glebie

pozwoli skutecznie zredukować wymieranie lasów, zwłaszcza iglastych.

– Wykorzystując łatwo dostępne dane, możemy teraz przewidzieć, w których miejscach lasów górskich wieloletnie susze najprawdopodobniej będą miały największy wpływ, a także przy jakim progu te skutki są spodziewane – powiedział Roger Bales.

 

Kluczowe parametry susz – VPD i NDVI

Kluczowym parametrem decydującym o tym jak zareagują rośliny na jego uaktywnienie się jest deficyt ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit).

Profesor Wenping Yuan, badacz ekologii globalnych zmian z Uniwersytetu Sun Yat-sen w Kantonie w Chinach, w swojej pracy zespołowej zwrócił uwagę, że rosnący poziom stresu wodnego może przeciwdziałać efektowi nawożenia CO2 4.

Profesor Yuan dla Carbon Breef powiedział 5:

Globalny wzrost roślinności został wzmocniony przed końcem lat 90  – korzystając z efektu nawożenia CO2. Jednak nasze badanie pokazuje, że globalny wzrost roślinności wykazał tendencję spadkową od końca lat 90, kiedy globalne zmiany pary wodnej zaczęły się zwiększać.

VPD jest to miernik wskazujący różnicę pomiędzy ilością pary wodnej w powietrzu a punktem, w którym para wodna w powietrzu ulega nasyceniu. Miara ta daje wyobrażenie o „potencjale wody” w atmosferze, wyjaśnia Yuan:

Zasadniczo, jeśli potencjał wody w atmosferze jest większy – na przykład, jeśli VPD jest większy – woda będzie rozpraszać się szybciej i silniej z gleby i roślin.

Zwiększenie deficytu ciśnienia pary wodnej ma bardzo ujemny wpływ na gleby i roślinność, które ulegają szybszemu wysychaniu podczas intensywniejszego parowania.

 

Rys.3. Globalne anomalie średniego deficytu ciśnienia pary wodnej (VPD – Vapour Pressure Deficit) obszarów porośniętych roślinnością od 1850 roku do dnia dzisiejszego. Anomalie odnoszą się do średniej z lat 1982-2015. Kolorowe kółka służą do przedstawienia wyników z różnych zestawów danych klimatycznych (CRU / ERA-Interim, MERRA, HadISDH. Niebieska linia i szary obszar ilustrują średnią i odchylenie standardowe VPD symulowane przez modele klimatyczne CMIP5 przy użyciu scenariusza emisji GHG – RCP4.5. Źródło: Wenping Yuan i in., 2019/CC BY 4.0

 

Naukowcy za pomocą kilku globalnych zbiorów danych klimatycznych przeanalizowali od 1850 roku zmiany VPD, w szczególności na obszarach z roślinnością i odkryli jego szczególny wzrost od końca lat 90 XX wieku po dzisiejszy dzień.

Jak czytamy w pracy, naukowcy w swoim badaniu wykorzystali cztery oparte na obserwacjach globalnie siatkowe zestawy danych klimatycznych — CRU (Climatic Research Unit), ERA-Interim, HadISDH i MERRA (Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications) — w celu przeanalizowania trendu długoterminowego VPD nad gruntami porośniętymi roślinnością.

Jednocześnie również jest obserwowane zmniejszanie się ilości pary wodnej w atmosferze. Według najnowszych badań może to być spowodowane spadkiem ilości wody parującej z oceanów na świecie. Yuan mówi dla Carbon Brief: – Globalne ocieplenie może zmniejszyć prędkość wiatru, co z kolei zmniejsza parowanie wody z powierzchni oceanu.

Oznacza to, że deficyt między ilością pary wodnej w powietrzu a poziomem nasycenia ciśnienia wody w powietrzu rośnie wraz ze zmianą klimatu.

Naukowcy dokonując skrupulatnych obliczeń powiedzieli, że prawie 60-letni szereg czasowy pokazał, że dziesięcioletnia zmiana globalnego parowania oceanicznego ( ocean E – oceanic evaporation) charakteryzowała się wyraźnym przejściem od trendu wzrostowego do spadkowego około roku 1998. Parowanie to zmniejszyło się o około 2,08 mm rocznie -1 , od szczytowego poziomu 1197 mm rocznie -1 w 1998 r. do niskiego 1166 mm rocznie -1 w 2015 r., a 76 % powierzchni morza ujawniło zmniejszone parowanie ocean E po 1999 r.

Naukowcy zauważyli, że jest to też kluczowa przyczyna spowolnienia dostaw wilgotnego powietrza nad obszary zachodniej części Stanów Zjednoczonych, zwłaszcza Kalifornii od lat 90 XX wieku.

W kolejnej części badania autorzy wykorzystali dane satelitarne, aby zaobserwować, jak zmieniło się globalne tempo wzrostu roślin od lat 90 XX wieku.

Jak widać na rysunku powyżej, znormalizowany różnicowy wskaźnik wegetacji (NDVI – Normalized Diffirent Vegetation Index) mierzony za pomocą satelitów, pokazał przyrost od 1982 do 1998, ale pozostał ustabilizowany i następnie zatrzymał się po 1999 roku.

 

Ryc. 4 Porównanie trendów NDVI na obszarach globalnie zarośniętych między dwoma okresami 1982–1998 i 1999–2015. (A) Trend NDVI w latach 1982–1998. (B) Trend NDVI w latach 1999–2015. (C) Różnice trendu NDVI w latach 1999–2015 i 1982–1998. Wstawki (I) pokazują względny rozkład częstości (%) znaczących spadków (Dec*; P <0,05), spadków (Dec), wzrostów (Inc) i znaczących wzrostów (Inc*), a wstawki (II) pokazują rozkłady częstotliwości odpowiednich zakresów Źródło: Wenping Yuan i in., 2019/CC BY 4.0

 

Od 1982 do 1998 roku około 84% powierzchni roślinności wykazywało wzrost trendu NDVI (ze znacznym wzrostem ok. 28,5 %). Dla porównania, po 1999 r. trendy NDVI w wielu regionach odwróciły się, a 59% obszarów roślinnych wykazywało wyraźną tendencję spadkową pokazującą brązowienie roślinności (ze znacznym spadkiem 21,5 %).

Yuan podsumował temat: – Wyniki pokazują, że rosnąca od końca lat 90 VPD jest dominującą przyczyną zmniejszonego wzrostu roślinności.

 

Klimatyczne odciski palców – pomiary suszy

W pierwszej połowie XX wieku były dwie ekstremalne susze, gdzie oczywiście wpływ na nie miały także naturalne zmienności klimatyczne. Była to słynna przede wszystkim susza Dust Bowl, której zasięg sięgał od stanu Oklahoma w USA do prowincji Saskatchewan w Kanadzie. Ta gigantyczna i największa w historii Ameryki Północnej susza przyszła w trzech falach, w latach: 1934, 1936 i 1939-1940. Właściwie zaczęła się ona nawet już od 1931 roku. Zabiła ona wtedy ponad 5000 Amerykanów i 1100 Kanadyjczyków.

Również podczas drugiej wojny światowej w Chinach w latach 1941-1942, w prowincji Henan zmarło z głodu około 3 milionów ludzi, którym wojsko zabierało żywność dziesiątkowaną przez wiatry, gradobicia i szarańczę. Była to jedna z największych klęsk cywilizacyjnych.

Natomiast w okresie 1980-2017 wraz z wyraźnym sygnałem wymuszeń antropogenicznych gazów cieplarnianych, pojawiło się coraz więcej ekstremalnych susz, zwłaszcza od początku XXI wieku.

W latach 1987-89 na Wielkich Równinach blisko Parku Narodowego Yellowstone susza wraz z falą upałów po raz pierwszy doprowadziły do inicjacji pożarów lasów.

Natomiast w latach 2006-2010 w Syrii potężna susza doprowadziła 1,5 miliona mieszkańców do uchodźstwa z powodu zmian klimatu, które doprowadziły w tym kraju gospodarkę rolną do ruiny.

Kate Marvel, z Instytutu Badań Kosmosu im. Goddarda przy NASA (NASA GISS – NASA Goddard Institute for Space Studies) oraz z Wydziału Fizyki Stosowanej i Matematyki Stosowanej, na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, jako główna autorka pracy, wraz ze swoimi współpracownikami, przedstawiła dane występowania susz za pomocą modeli klimatycznych, obserwacji i rekonstrukcji klimatycznych (badań pośrednich – tzw. proxies) 1.

Badanie to koncentruje się już na wcześniejszym wykryciu wśród szumu zmienności naturalnych, sygnału zmian klimatu, dokładniej wymuszenia gazów cieplarnianych, których skutkiem jest właśnie nasilenie się suszy w XX wieku.

Za pomocą wskaźnika nasilenia suszy Palmera (PDSI – Palmer Drought Severity Index), który również uwzględnia wpływ ocieplenia pod kątem pomiarów opadów deszczu i ewapotranspiracji, naukowcy zbadali wilgotność gleby posługując się metodą rekonstrukcji klimatu za pomocą zapisu słojów drzew w czasie 600-900 lat.

Kate Marvel dla serwisu Carbon Brief powiedziała następująco 2:

Słoje drzew dają nam obraz warunków w letnim okresie wegetacyjnym. Jeśli jest mokry rok z dużą wilgotnością gleby, drzewa rosną bardziej. Jeśli jest suchy rok, rosną mniej. Tak więc grubość poszczególnych słojów mierzy wilgotność gleby w danym roku.

Zastosowując tzw. technikę „odcisków palców”, polegającą na wykryciu sygnału zmian klimatu, naukowcy porównali zapisy słojów drzew i meteorologiczne z modelowymi symulacjami klimatu w okresie 1900-2100. Symulacje te przedstawiły szereg czynników, które mogą wpływać na ryzyko powstawania i nasilenia suszy w danym okresie czasu. Takimi czynnikami stymulującymi mogą być też emisje aerozoli z erupcji wulkanów, jak i przemysłowe. Aby uwzględnić wpływ spowodowanych przez człowieka zmian klimatycznych, naukowcy wykorzystali scenariusz wysokich emisji gazów cieplarnianych znany jako RCP8.5.

 

Rys. Globalne odciski palców a–c, odciski palców dla PDSI (a), zintegrowanej w kolumnie wilgotności gleby do 30 cm (b) i zintegrowanej w kolumnie wilgotności gleby do 2 m (c), zdefiniowane jako wiodący EOF średniej wielomodelowej H85 dla każdej zmiennej w okresie 1900–2099. d, powiązane główne składniki dla każdego z EOF w a–c. Obszary lądowe, dla których nie istnieją dane atlasu suszy, są zaznaczone na szaro. Źródło: Kate Marvel i in., 2019/CC BY 4.0

 

 

Analiza łączy dane rekonstrukcyjne, obserwacyjne i modelowe. Wskaźnik PDSI oraz zmiany wilgotności gleby są zestawione z rekonstrukcjami hydroklimatu opartymi na słojach drzew, które pozwalają odtworzyć przestrzenny wzorzec susz w skali globalnej jeszcze przed epoką nowoczesnych obserwacji instrumentalnych. Zastosowanie analizy funkcji ortogonalnej empirycznej (EOF – Empirical Orthogonal Function) umożliwia wyodrębnienie dominujących wzorców przestrzennych zmian wilgotności gleby i suszy, natomiast odpowiadające im główne składowe pokazują, jak siła tych wzorców zmieniała się w czasie.

Badacze porównali trzy główne okresy: 1900–1949, 1950–1975 oraz 1980–2017, wykorzystując rekonstrukcje klimatyczne, obserwacje meteorologiczne i symulacje modeli klimatycznych. Dane zestawów meteorologicznych Zakładu Badań Klimatycznych (CRU – Climatic Research Unit) i interfejsu dostępu do danych (DAI – Data Access Interface) przedstawiają okres 1950–1975, który wprawdzie zamaskował sygnał wymuszenia gazów cieplarnianych (dodatnich emisji GHG), ale ujawnił sygnał wymuszenia aerozoli (ujemnych emisji GHG). W tym czasie ochładzający wpływ aerozoli przemysłowych częściowo równoważył ocieplający efekt gazów cieplarnianych, co utrudniało jednoznaczne wykrycie antropogenicznego sygnału w danych hydroklimatycznych.

Od początku XX wieku do początku lat 80. sygnał antropogenicznych zmian klimatu wpływających na wzrost częstotliwości, długości, intensywności i zasięgu geograficznego susz był jeszcze stosunkowo słabo wykrywalny. W pierwszej połowie XX wieku zmiany w systemie klimatycznym w dużej mierze maskowała naturalna zmienność klimatu, dlatego wzorce suszy obserwowane w rekonstrukcjach dendroklimatycznych i danych instrumentalnych były w dużej mierze wynikiem naturalnych fluktuacji. Świat nie był wówczas jeszcze tak silnie ocieplony jak obecnie, choć susze oczywiście występowały. Dopiero od początku lat 80. XX wieku sygnał antropogenicznego ocieplenia zaczyna być wyraźniej widoczny w analizach PDSI, wilgotności gleby oraz w rekonstrukcjach hydroklimatycznych, co wskazuje na rosnący wpływ działalności człowieka na globalny reżim susz.

Spadkowy zapis słojów drzew w latach 1950-1975 był spowodowany nasileniem emisji chłodzących klimat aerozoli antropogenicznego pochodzenia oraz większym zachmurzeniem na półkuli północnej, które zmniejszało fotosyntezę drzew, co przyczyniało się do bardziej zaburzonych przyrostów w słojach drzew w latach chłodniejszych od średniej. Jednak w tym okresie czasu na Wielkich Równinach USA w latach 1950-56 i 1962-66 miały miejsce długotrwałe, ale nie ekstremalne susze, dla których jednak sygnał antropogenicznych wymuszeń radiacyjnych nie był jeszcze tak silny jak od lat 80 do dziś. W tym okresie sygnał wymuszeń gazów cieplarnianych został zamaskowany sygnałem wymuszeń aerozoli chłodzących klimat, co też mogło dawać mylące wrażenie, że antropogeniczne zmiany klimatu, w tym ich wpływ na susze, nie ma miejsca.

Z kolei zapisy słojów drzew w latach 1900-1949 i 1980-2017 wyraźnie pokazały ich trend zwyżkowy oraz wyraźniejszy sygnał wymuszeń radiacyjnych na inicjację i nasilenie susz w XX wieku, gdyż sygnał wymuszeń aerozoli nie był tak silny. W pierwszym przypadku, gdyż nie był tak mocno jeszcze uprzemysłowiony świat, ale była wzmocniona aktywność słoneczna, a w drugim przypadku, ponieważ ludzkość postanowiła zredukować znacząco emisje chłodzących aerozoli siarczanowych w okresie 1950-1975, co w latach 90 odczuliśmy jako wzmocnienie globalnego ocieplenia.

Jak widać, badania hydroklimatu odgrywają kluczową rolę w zrozumieniu zmian zachodzących w systemie klimatycznym, ponieważ łączą analizę temperatury, opadów oraz dostępności wody na lądach. Pozwalają one ocenić, w jaki sposób zmiany energetyczne w atmosferze przekładają się na przekształcenia globalnych i regionalnych wzorców wilgotności, w tym częstotliwości i intensywności susz. Analizy tego typu są szczególnie ważne dla identyfikacji długoterminowych trendów w obiegu wody w przyrodzie oraz dla rozróżnienia sygnału zmian klimatycznych od naturalnej zmienności hydroklimatycznej.

Zespół naukowy Céline Bonfils, fizyczki z Narodowego Laboratorium Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory), przedstawił również wyniki badań identyfikacji „odcisków palców”, w których zaznaczył się wpływ na inicjację i nasilenie susz nie tylko pod wpływem antropogenicznych zmian klimatu, ale i również naturalnych zmienności klimatycznych takich jak erupcje wulkaniczne czy oscylacje oceaniczne jak El Niño czy La Niña 3.

Naukowcy, za pomocą symulacji modeli systemu Ziemi, takich jak zestaw modeli CMIP5 oraz model CanESM2-LE dotyczących odpowiednio lat 1861-2019 i 1950-2019, obliczyli w swoim artykule dwa odciski palców:

FM1(x) – charakteryzujący się globalnym ociepleniem, nasilonymi wzorcami mokro-suchymi i postępującym wysychaniem kontynentów na dużą skalę, w dużej mierze napędzanym przez kilkudziesięcioletni wzrost emisji gazów cieplarnianych (GHG).

FM2(x) – rejestrujący:

• wyraźny kontrast temperatury między półkulą północną a południową
• powiązane przesunięcia południkowe w międzyzwrotnikowej strefie konwergencji
• skorelowane anomalie opadów i suchości nad Kalifornią, Sahelem i Indiami

 

 

Rys. Porównanie wielowymiarowych i jednowymiarowych szeregów czasowych głównych składowych. Wyniki dotyczą projekcji anomalii strefowych CMIP5 HIST+8.5 dla T, P i CMI na wielowymiarowe i jednowymiarowe wersje FM1(x) (a) i FM2(x) (b). Korelacja między otrzymanymi wielowymiarowymi i jednowymiarowymi szeregami czasowymi głównych składowych jest przedstawiona w nawiasach wraz z wariancją wyjaśnioną przez odcisk palca. Wszystkie obliczenia przeprowadzono w okresie 1861–2019. Daty głównych erupcji wulkanicznych oznaczono zgodnie z opisem na rys. 1a w tekście głównym. Źródło: Céline Bonfils i in., 2020/CC BY 4.0

 

W niniejszym badaniu, FM2(x) wykazuje nieliniowe zachowanie czasowe: międzytropikalna strefa konwergencji przesuwała się na południe w okresie 1950-1975, w odpowiedzi na wzrost hemisferycznie asymetrycznych emisji aerozoli siarczanowych, a w okresie 1975-2014 przesuwa się na północ z powodu znacznego zmniejszania się emisji dwutlenku siarki i wywołanego przez gazy cieplarniane, takie jak dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu, ocieplenia lądowego na półkuli północnej.

Autorzy pracy w swoim artykule napisali:

Oba odciski palców są statystycznie identyfikowalne w obserwacjach wspólnych zmian temperatury, opadów i suchości w latach 1950–2014. Pokazujemy, że wiarygodna symulacja tych zmian wymaga połączonego wymuszania przez GHG, bezpośredniego i pośredniego wpływu aerozoli oraz dużych erupcji wulkanicznych. Nasze wyniki sugerują, że wysuszenie wywołane GHG może być modulowane regionalnie przez przyszłe redukcje emisji aerozoli siarczanowych.

Główna autorka pracy, dr Céline Bonfils wyjaśniła dla serwisu Carbon Brief 4:

Głównym celem badań nad odciskami palców jest oddzielenie naturalnych i ludzkich wpływów na globalny klimat. Na klimat, którego doświadczamy w dowolnym momencie, wpływa wiele czynników. Jednym z czynników jest wewnętrzny „szum” ziemskiego klimatu – czysto naturalne wahania, takie jak El Niños i La Niñas . Na klimat mają również wpływ czynniki „zewnętrzne”, które działają w różnym tempie i miejscach.

Pierwszy odcisk palca:

Wzorce mokro-suche wskazują coraz wyrażniej za pomocą wskaźnika wilgotności klimatu (CMI – Climate Moisture Index), że w latach 1850-2019 na kontynentach przybywa obszarów zaznaczonych na mapach w kolorze brązowym, które odzwierciedlają obraz wysychania tych regionów. Zielony kolor na mapach pokazuje wzrost opadów i wilgoci.

CMI jest oparty na wzorcach opadów i zależności między temperaturą, opadami i parowaniem.

Zgodnie z wynikami badań, obszary, w których obserwuje się duży spadek opadów deszczu, obejmują Azję Środkową, Półwysep Indochiński, Indonezję, wschodnie Chiny, zachodnią część Stanów Zjednoczonych i Meksyku, zwłaszcza Kalifornię, Amazonię, basen Morza Śródziemnego.

Drugi odcisk palca:

Międzytropikalna strefa konwergencji (ITCZ – Intertropical Convergence Zone) to jest ogromny pas niskiego ciśnienia otaczający Ziemię w pobliżu równika. Reguluje ona roczne wzorce opadów w większości tropików, dzięki czemu ma ogromne znaczenie dla ludzi, gdyż w tym obszarze na Ziemi są najobfitsze opady deszczu niezbędne zarówno dla regionów rolniczych, jak i dla zwierząt i roślin zamieszkujących tropikalne deszczowe ekosystemy.

Bonfils wyjaśniła dla Carbon Brief:

Najsilniejsze opady na Ziemi występują w ITCZ. Ten tropikalny pas deszczowy powstaje tam, gdzie zbiegają się pasaty z półkuli południowej i północnej. Ich połączone masy powietrza spotykają się, unoszą do atmosfery i kondensują, powodując intensywne opady deszczu.

ITCZ każdego roku wędruje na północ i południe przez obszary tropikalne, mniej więcej według położenia słońca w czasie zmian pór roku.

Nowe badania udowodniają, że od lat 80 po redukcji chłodzących przemysłowych aerozoli siarczanowych, emisje antropogenicznych gazów cieplarnianych wpłynęły wyraźnie na ruch ITCZ w kierunku północnym.

Bonfils podsumowała temat w tym samym serwisie:

Drugi i bardziej subtelny „odcisk palca” ujmuje kontrast temperaturowy między półkulą północną a południową, kontrolowany głównie przez chłodzący wpływ zanieczyszczeń pyłowych emitowanych przez człowieka z Europy i Ameryki Północnej do lat 80. XX wieku. Ten kontrast temperatur przesunął tropikalny pas deszczowy [ITCZ] na południe, z dala od chłodniejszej półkuli północnej, powodując więcej opadów nad zachodnimi Stanami Zjednoczonymi, a mniej nad Sahelem i Indiami.

Po 1980 roku półkula północna stała się cieplejsza niż półkula południowa. Były ku temu dwa powody. Po pierwsze, przepisy dotyczące zanieczyszczeń zmniejszyły emisje aerozoli przez człowieka w Ameryce Północnej i Europie. Po drugie, efekt cieplarniany ogrzewa półkulę północną, która jest w przeważającej mierze pokryta lądem, szybciej niż półkulę południową, którą w większości pokrywają oceany.

Z obu tych powodów tropikalny pas deszczowy [ITCZ] cofnął się na północ po 1980 roku, przynosząc mniej opadów w zachodnich Stanach Zjednoczonych, a więcej w Sahelu i w Indiach.

 

Gorąco-suche zdarzenia w Stanach Zjednoczonych 1896-2017 (w tym, w latach 2011-2013 i 2014-2017)

Nie ulega wątpliwości, że kiedy mamy do czynienia z falami upałów, często też im towarzyszą właśnie susze. I to coraz częściej o wymiarze ekstremalnym, tak samo pod względem wzrostu częstotliwości, intensywności oraz długości, a także zasięgu, zarówno pod względem godzin w ciągu dnia, jak i liczby dni, przeważnie w sezonie letnim, ale i coraz częściej mają i one miejsce w sezonie wiosennym, jak np. w 2018 roku.

Jedną z prac przedstawiających układ synergiczny, omawianych wcześniej w książce fal upałów i teraz zaprezentowanych susz, jest praca zaprezentowana przez zespół naukowy, na którego czele stał Mohammad Reza Alizadeh, doktorant pod kierunkiem prof. Jana Adamowskiego na Wydziale Inżynierii Biozasobów na Uniwersytecie McGill w Kanadzie 1.

Naukowcy zidentyfikowali na obszarze Stanów Zjednoczonych dwa mechanizmy podczas samointensyfikacji i samorozporzestrzeniania się zdarzeń gorąco-suchych, a więc jednocześnie fal upałów i susz, gdzie ich częstotliwość, intensyfikacja i poszerzanie zasięgów potęguje tworzenie się sprzężeń zwrotnych lądowej atmosfery. Podczas występowania tych zdarzeń, wzmocniony efekt jednoczesnych fal upałów i susz ma wpływ na większe parowanie gleb, co powoduje, że malejący ich poziom wilgotności wzmacnia intensywnie wzrost temperatury powietrza, co z kolei prowadzi do znacznego ogrzewania atmosfery i do poważnego wysychania, zarówno wód powierzchniowych i gruntowych, jak i roślin.

 

Fot. Deszczowe chmury przesuwają się nad resztkami spieczonych łodyg kukurydzy w pobliżu Wiley, na równinach wschodniego Kolorado, 22 sierpnia 2012 roku. Letnia burza nadeszła zbyt późno, aby pomóc rolnikom, których uprawy zostały zdziesiątkowane podczas wyjątkowej suszy w Kolorado, równiny wschodnie. Źródło: Getty Images/domena publiczna

 

Współautor badania prof. Mojtaba Sadegh, badacz ekstremów klimatycznych z Uniwersytetu Stanowego Boise (Boise State University) dla Carbon Brief tak powiedział 2:

Samointensyfikacja oznacza, że susze i fale upałów nasilają się nawzajem; suchość prowadzi do większej ilości ciepła – a więcej ciepła powoduje więcej suchości. Samorozprzestrzenianie się odnosi się do przemieszczania się suchości i ciepła z jednego regionu do drugiego.

Zdarzenia sucho-gorące oddziałują bardzo ujemnie, zarówno na lasy naturalne i gospodarcze, jak i na rolnictwo oraz energetykę w danym regionie, w którym mają one miejsce. Ich długotrwała obecność bardzo często stymuluje inicjację pożarów wielkoskalowych, których tematyka będzie szerzej omawiana w następnej kolejności w książce.

Mojtaba Sadegh wyjaśnił w tym samym serwisie:

Jednoczesne susze i fale upałów są najbardziej szkodliwymi stresorami dla systemu rolniczego. Jeśli jest gorąco, potrzeba więcej wody do nawadniania, a jeśli jest sucho, wody do tego nie ma. Trzy takie zdarzenia w latach 2011–2013 w USA spowodowały straty w rolnictwie o wartości ponad 60 miliardów dolarów.

Złożone sucho-gorące wydarzenia są również bardzo szkodliwe dla lasów i mogą powodować śmiertelność drzew na dużą skalę, taką jak zaobserwowano w górach Sierra Nevada w Kalifornii w latach 2014-2017.

Naukowcy skupili się na dokładnej analizie przestrzennej obszarów Stanów Zjednoczonych. I zwrócili uwagę, że te zdarzenia są najczęstsze w zachodniej części kraju oraz w północno-wschodnich i południowo-wschodnich rejonach. W tym celu badacze przestudiowali ponad stuletnie pomiary temperatury, dokładniej okres 1896-2017, co z nich przeprowadzało, i co było powodem niedokładnemu przyjrzeniu się wielkiej suszy Dust Bowl w latach 30 XX wieku, którą ci naukowcy również zaliczyli do zdarzenia gorąco-suchego.

Nieparametryczna analiza Manna-Kendalla pokazuje statystycznie istotny trend wzrostowy średniej rocznej temperatury w latach 1896-2017 w większości przyległych obszarów Stanów Zjednoczonych, nie licząc Alaski i Hawajów (CONUS – Contiguous United States), z wyjątkiem części południowo-wschodniej, na wschód od południowych Wielkich Równin i południowej część Środkowego Zachodu.

 

 

Rys. Nieparametryczna analiza trendu Manna-Kendalla. Zacienione na czerwono obszary pokazują statystycznie istotny wzrost (na poziomie 5%) okresu powrotu: (A) ekstremów suchych, (B) ekstremów gorących i (C) równoczesnych ekstremów suchych i gorących w całym CONUS w ciągu ostatnich 122 lat ( 1896–2017) w skali rocznej. Na rysunku pokazano również ułamek powierzchni w każdym regionie i cały CONUS z istotnymi trendami. Źródło: Mohammad Reza Alizadeh i in., 2020/CC BY 4.0

 

Częstotliwość złożonych ekstremalnych zdarzeń sucho-gorących zaczyna wzrastać w całym CONUS, trend, który jest znaczący na poziomie 5% w zachodnich Stanach Zjednoczonych,a także w części północno-wschodnich i południowo-wschodnich Stanów Zjednoczonych.

Montaba Sadegh w serwisie Carbon Brief podsumował temat:

Pokazujemy, że jednoczesne susze i fale upałów rozszerzają się przestrzennie w alarmującym tempie, zwiększając prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremów w skali kontynentalnej.

 

Sekwencje susz w lasach na Ziemi

William Anderegg i jego współpracownicy zbadali sekwencje susz w ekosystemach leśnych Ziemi. W swoim artykule naukowcy napisali 3:

Wzrost częstotliwości i dotkliwości susz spowodowany zmianą klimatu może zagrozić ekosystemom leśnym i lądowym pochłaniaczom dwutlenku węgla. Podczas gdy wpływ pojedynczych susz na lasy był szeroko badany, zrozumienie, czy lasy aklimatyzują się lub stają się bardziej podatne na sekwencyjne susze, pozostaje w dużej mierze nieznane i ma kluczowe znaczenie dla przewidywania przyszłego stanu lasów. Łączymy zestawy danych z różnych biomów dotyczące wzrostu drzew, śmiertelności drzew i zawartości wody w ekosystemie, aby określić ilościowo skutki wielu susz w różnych skalach, od pojedynczych drzew po kulę ziemską od 1900 do 2018 r. Odkryliśmy, że kolejne susze mają ogólnie bardziej szkodliwy wpływ niż początkowe susze, ale efekt ten różni się ogromnie w zależności od kladu i ekosystemu, przy czym ekosystemy nagonasienne i zdominowane przez drzewa iglaste częściej wykazują zwiększoną podatność na wielokrotne susze. Zróżnicowany wpływ wielu susz na klady i biomy wskazuje, że zmiany częstotliwości susz mogą mieć fundamentalnie różne konsekwencje ekologiczne i cykl węglowy w różnych ekosystemach.

 

Fot.2. Góry Sierra Nevada. Zakres śmierci drzew jest oczywisty, gdy patrzy się na nie jako na część większego lasu. Źródło: UC Merced News/CC BY-SA 4.0

Rys.2. Analiza obejmowała szeroki zasięg geograficzny wzrostu i śmiertelności drzew. Zasięg geograficzny (a) chronologii słojów Międzynarodowego Banku Danych o słojach. (ITRDB – International Tree-Ring Data Bank) oraz (b) długoterminowych działek inwentaryzacyjnych US Forest Inventory and Analysis zawartych w tej analizie. Źródło: William L. R Anderegg i in., 2020/CC BY 4.0

 

Ekolog lasów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, Anna Trugman, współautorka pracy z Uniwersytetu Utah, Uniwersytetu Stanforda i Służby Leśnej Stanów Zjednoczonych, wraz z resztą zespołu naukowego Anderegga zbadała wpływ powtarzających się, ekstremalnych susz na różne rodzaje lasów na całym świecie. Naukowcy odkryli, że różne czynniki mogą zwiększać lub zmniejszać odporność lasu na kolejne susze. Jednak badanie to wykazało, że kolejne susze są generalnie coraz bardziej szkodliwe dla lasów, nawet jeśli każda susza nie była bardziej ekstremalna niż początkowa.

William Anderegg stwierdził, że chociaż susza może narazić drzewa, na znaczny stres wodny, to może zabić gatunki słabsze genetycznie. Może wyselekcjonować ocalałe osobniki z mniejszą konkurencją o wodę, jeśli powrócą kolejne suche warunki.

Fakt jednak jest taki, że po każdym zdarzeniu takim jak susza, drzewa, zarówno iglaste, jak i liściaste, mają mniejszy przyrost. Im bardziej ekstremalna wystąpi susza, tym jest on mniejszy.

Analizując słoje drzew w ciągu minionych 100 lat, naukowcy prześledzili, jak przebiegały susze i warunki po nich i w jakiej kondycji genetycznej i fizjologicznej były drzewa potem. Dane z US Forest Inventory and Analysis umożliwiły im dostęp do wskaźników śmiertelności drzew dla ponad 100 000 powierzchni leśnych w latach 2000-2018. Następnie połączyli te źródła z pomiarami satelitarnymi zawartości wody w koronach drzew leśnych. I upewnili się, że drzewa iglaste znoszą suszę najgorzej ze względu na odmienną i mniej elastyczną hydraulikę niż drzewa liściaste.

Anderegg w serwisie Science Daily powiedział 4:

Okrytozalążkowe mają znacznie bardziej elastyczną anatomię i fizjologię niż nagozalążkowe, co wydaje się pomagać im szybciej i pełniej regenerować się po początkowych suszach.

Ponadto naukowcy wyciągnęli takie słuszne wnioski, że dobór naturalny będzie preferować osobniki, zarówno wśród drzew iglastych, jak i liściastych, bardziej odporne nie tylko na stres wodny i cieplny, ale i też odporniejsze na szkodniki, patogeny i choroby.

Trugman dla Science Daily powiedziała: – To badanie dostarcza dużo motywacji, ale myślę, że następnym pilnym krokiem jest dotarcie do podstawowych mechanizmów na poziomie fizjologicznym i ekologicznym.

Z kolei Anderegg spuentował wypowiedź swoją: – Te wyniki są szczególnie istotne w zachodnich Stanach Zjednoczonych, gdzie mieliśmy wiele poważnych susz w ciągu ostatnich 20 lat.

 

Dotkliwe susze w Europie w pierwszych dwóch dekadach XXI wieku

Dwie pierwsze dekady XXI wieku przyniosły ze sobą wiele zjawisk suszy, których liczba, częstość, intensywność, rozmiar i długość diametralnie wzrastają wraz z dalszym wzrostem średniej temperatury powierzchni Ziemi, w tym średniej temperatury powierzchni Europy. Zjawisku temu najczęściej towarzyszą fale upałów, czyli wzrost temperatur regionalnych i lokalnych wysoko powyżej średniej. Również coraz częściej w Europie występują wielkoskalowe pożary, przynoszące wiele strat środowiskowych i ekonomicznych.

Naukowcy z Niemiec i Czech pod kierownictwem Vittala Hari z Centrum Badań Środowiskowych UFZ-Helmholtz w Lipsku, wykorzystali dane sięgające roku 1766, aby stwierdzić, że dwuletnia susza 2018-2019 była największą i najcięższą zarejestrowaną w historii suszą, od co najmniej 250 lat 1.

Oszacowali oni, że w drugiej połowie XXI wieku liczba ekstremalnych dwuletnich susz wzrośnie aż siedmiokrotnie, gdy będzie kontynuowany scenariusz najgorszych emisji „biznes jak zwykle”. Miałoby to drastycznie ujemny wpływ na 40 milionów hektarów upraw rolnych, czyli w porównaniu z dniem dzisiejszym, byłby to ubytek aż 60% wszystkich ziem rolnych na świecie.

Symulacje komputerowe pod względem umiarkowanych emisji miałyby wpływ na straty rolne o połowę mniej.

Naukowcy napisali w swojej pracy, że dwuletni okres suszy stanowi znacznie poważniejsze zagrożenie dla roślinności aniżeli jednoletnie z poprzednich lat, ponieważ ziemia nie może tak szybko zregenerować się po jednym roku suszy.

Ponadto badacze stwierdzili, że około jedna piąta regionu Europy Środkowej odnotowała słaby stan roślinności w ciągu ostatnich dwóch lat 2018-2019.

W badaniu tym zdefiniowano Europę Środkową jako obejmującą część Niemiec, Francji, Polski, Szwajcarii, Włoch, Austrii, a także Czechy, Belgię, Słowenię, Węgry, Słowację. Stwierdzono, że w tym regionie Europy ponad 34 procent całkowitej powierzchni gruntów jest intensywnie wykorzystywane do celów rolniczych.

 

Rys.1. Anomalie wskaźnika temperatury, opadów zdrowotności roślinności (VHI) w latach 2003, 2018 i 2019. (panele: a-i). Na panelu (j) zostały zaznaczone, w percentylach, ekstremalne susze w latach 2003, 2015, 2018 i 2019, które miały miejsce w Europie Środkowej. Na panelu (k) została zaznaczona anomalia temperatury (w °C) oraz opadów deszczu (w %). Źródło: Vital Hari i in., 2020/CC BY 4.0

 

Na rysunku (j) lata 2003, 2015, 2018 i 2019 charakteryzowały się spadkiem zdrowotności roślinności (ponad 20% regionu Europy Środkowej). Obszar zacieniony na szaro obejmował lata 2018 i 2019, w których zły stan roślinności utrzymywał się na ponad 20% obszaru Europy Środkowej, kolejno w ciągu 2 lat. Na rysunku (k) roczne anomalie opadów i temperatury w okresie letnim oszacowane zostały w regionie Europy Środkowej w ciągu 254 lat. Czerwonymi kropkami zaznaczono trzy wyjątkowe lata 2003, 2018 i 2019, w których średnie anomalie temperatury latem nad Europą Środkową osiągnęły rekordowe ekstremalne warunki przekraczające 2 °C

Średnie anomalie temperatury latem (czerwiec–sierpień), równe lub powyżej 30 °C, oszacowano w regionie Europy Środkowej (przedstawionym na rysunku przez czarny prostokątny na obszarze w panelu g) w latach 2000–2019. Gruba czarna linia pokazuje roczną średnią tygodniową wskaźnika zdrowotności klimatu i roślinności (VHI – vegetation health index) w miesiącach letnich, a różowy słupek reprezentuje odpowiedni poziom ufności 95% oparty na rozkładzie próby średniej.

Naukowcy dalej opisali, że gdy w lecie 2003 roku wzrost temperatury był bardziej skoncentrowany w Europie środkowej i południowej, lato 2018 roku charakteryzowało się nieprawidłowym wzrostem w Europie środkowej i północno-wschodniej. Mimo wszystko w obu danych okresach, wzrost temperatury i zmniejszenie opadów deszczu było najsilniejsze w regionie środkowoeuropejskim, co w końcu doprowadziło do przedłużających się ekstremalnych warunków suszy gdzie ucierpiało mocno rolnictwo.

Podobne badanie przeprowadzone przez zespół naukowy dr Any Bastos z Wydziału Geografii, Uniwersytetu Ludwika Maksymiliana w Monachium – przez ówczesną kierowniczkę grupy w Instytucie Biogeochemii im. Maxa Plancka w Jenie, w Niemczech, polegało na porównaniu ekstremalnych fal upałów 2018 roku z minionymi podobnymi zdarzeniami w 2010 i 2003 roku 2.

Naukowcy odkryli, że złożone zjawisko ekstremalnych fal upałów i susz w 2018 roku różniło się wyraźnie od tych z 2010 i 2003 roku, tym, że zarówno fala ciepła, jak i susza w Europie Środkowej miały już miejsce w okresie wiosennym.

Dr Ana Bastos powiedziała w serwisie Carbon Brief 3:

Warunki wiosenne doprowadziły do wzmocnienia fotosyntezy na początku sezonu wegetacyjnego, ale kosztem silnego wyczerpania gleby i wody. Na zdominowanych przez uprawy obszarach w Europie Środkowej zwiększony wzrost wiosną sprawił, że ekosystemy były bardziej podatne na suszę latem i spowodował on załamanie fotosyntezy.

Warto zaznaczyć, że dodatnie anomalie temperatury były znacznie większe w latach 2003 i 2010 niż w 2018 roku, gdyż ogólnie średnia temperatura powierzchni Ziemi czy w mniejszej skali kontynentu Europy, w pierwszej dekadzie XXI wieku była niższa niż pod koniec drugiej dekady.

Z tego co się jeszcze dowiadujemy z powyższej pracy, to jest to, że rekordowo wysokie temperatury i promieniowanie oraz rekordowo niskie opady w sezonie letnim ograniczały się głównie do Europy Środkowej. Jednak w porównaniu z innymi latami w 40-letnim zapisie, rok 2018 zarejestrował najsilniejsze przejście między mokrą zimą/wiosną a suchym latem/jesienią w skali kontynentalnej.

Wiosna 2018 roku na dużej części kontynentu w porównaniu z innymi latami, w których występowały przede wszystkim fale upałów w okresie letnim, była dużo cieplejsza i bardziej słoneczna. Ogólnie w tymże roku, w niektórych częściach Europy w porze wiosennej wystąpiły również niezwykle ogromne deficyty opadów, jednak nie były one jednolite na całym kontynencie.

Za pomocą 11 dynamicznych globalnych modeli wegetacji (DVGM – Dynamic Vegetation Global Model) naukowcy przeprowadzili symulacje wegetacji roślin i porównali trzy okresy wiosenno-letnie 2003, 2010 i 2018. Zaobserwowali wówczas duży przyrost roślinności w porze wiosennej ze względu na większe pochłanianie dwutlenku węgla przez rośliny. Jednak utrzymujący się dłuższy wzrost obniżonych opadów deszczu oraz wysokiej temperatury spowodował powstanie ekstremalnego zdarzenia gorąco-suchego w 2018 roku, o którym już była mowa wcześniej w książce. Z kolei zdarzenia wiosenne 2003 i 2010 nie były pod wpływem fal upałów, ale letnie już tak i to z dużą intensywnością.

 

Rys.2. Anomalie strumieni CO2 wiosną i latem 2018 r. Przestrzenne układy anomalii produkcji biomu netto (NBP – Netto Biom Production), mierzone w gramach węgla na metr kwadratowy w ciągu miesiąca w okres odniesienia 1979–2018: A) w okresie miesięcy wiosennych B) w okresie miesięcy letnich w 2018 roku. Źródło: Ana Bastos i in., 2020/CC BY 4.0

 

Na powyższym rysunku wartość dodatnia (ujemna) wskazuje na wyższe (niższe) pochłanianie CO2 netto niż wynosi średnia 40-letnia. Mapa kolorów pokazuje anomalie średnich grup wielomodelowych, a) kropkowanie wskazuje regiony o skrajnie niskich (ranga 40 lat) lub skrajnie wysokich (ranga 1 roku) wartościach w okresie odniesienia

Dr Ana Bastos wyjaśnia w tym samym artykule dla Carbon Brief:

Na zdominowanych przez uprawy obszarach w Europie Środkowej zwiększony wzrost wiosną sprawił, że ekosystemy były bardziej podatne na suszę latem i spowodował załamanie fotosyntezy latem.

A więc, wniosek z tego wypływa następujący, że wraz z rozpoczęciem lata w 2018 roku i cały czas trwającym od wiosny okresem suszy, wysychające gleby oraz rośliny uwalniały duże ilości dwutlenku węgla do atmosfery doprowadzając do jeszcze większego wzrostu temperatury w regionie środkowej Europy oraz potencjalnie bardziej zwiększonej suszy.

Naukowcy też zauważyli, że regiony Europy takie jak Skandynawia, są silnie zalesione i znacznie mniej odczuły wtedy wpływ wzrostu temperatury globalnej i suszy niż bardziej wylesione i o charakterze rolniczym regiony środkowej Europy.

 

Pomiary satelitarne i wskaźnikowe susz

Susza w obecnych czasach jest poważnym problemem cywilizacyjnym, uderzającym bezpośrednio w naszą działalność gospodarczą, głównie w sektorach: energetycznym, rolniczym i przemysłowym. Również jej ujemny wpływ coraz bardziej zaznacza się w ekosystemach lądowych.

Suszom najczęściej towarzyszą fale upałów, a także, gdy ich okres się wydłuża, dają o sobie znać wielkoskalowe pożary, o których powiemy sobie w dalszej części książki.

Bramha Dutt Vishwakarma z Uczelni Nauk Geograficznych na Uniwersytecie w Bristolu, w Wielkiej Brytanii, w swojej autorskiej pracy napisał, że w 2019 roku jedna czwarta światowej populacji była dotknięta poważnym niedoborem wody przez instytut zasobów wodnych 1.

Jak wynika z wcześniejszych prac na ten temat, do 2050 roku przewiduje się, że dostępu do wody nie będzie mieć połowa ludzkości, przy kontynuacji obecnych wysokich emisji gazów cieplarnianych. Te wszystkie prognozy na przyszłość oparte są na coraz dokładniejszych modelach, dzięki czemu potrafimy zrozumieć coraz lepiej współczesną czasoprzestrzenną charakterystykę susz. Dlatego liczne grupy badawcze badają systematycznie trwające i przeszłe zjawiska suszy, aby uzyskać coraz świeższe, nowe informacje na ich temat.

Ciekawą sprawą jest to jak przebiegają badania satelitarne pomiarów wód gruntowych, czyli zmiany magazynowania wody w gruncie. Badania takie przeprowadziła misja produktów satelitarnych GRACE, które też mierzą zmiany w pokrywach lodowych Antarktydy i Grenlandii, w poziomie globalnych wód oceanicznych. Ponadto, przeprowadzane są badania mniej związane z klimatem, bo z pomiarami skał i gruntów pod względem trzęsień ziemi.

Mamy różne rodzaje susz, które charakteryzują się różnymi zmiennymi hydrologicznymi. I na przykład:

• suszę meteorologiczną ocenia się na podstawie opadów
• suszę hydrologiczną ocenia się na podstawie spływu lub poziomu zbiornika
• suszę rolniczą ocenia się na podstawie wilgotności gleby

Do badania suszy potrzebne są długie nieprzerwane obserwacje hydrologiczne.

 

Rys.1. Dane NASA GRACE pokazują, że ziemia w dużej części Doliny Środkowej Kalifornii tonie w wyniku wydobycia wód gruntowych. Źródło: Bramha Dutt Vishvakarma i in., 2019/CC BY 4.0

 

Obecność wymuszeń antropogenicznych zwiększyła częstotliwość suszy

Felicia Chiang, Omid Mazdiyasni i Amir AghaKouchak, pracownicy na Wydziale Inżynierii Lądowej i Środowiskowej, na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine, przedstawili dowody powiązań wymuszania antropogenicznego z cechami meteorologicznej suszy 2.

Korzystając ze wskaźników: standaryzowanego wskaźnika opadów (SPI – Standarised Precipitation index) i standaryzowanego wskaźnika opadów i ewapotranspiracji (SPEI – Standarised Precipitation-Evapotranspiration Index), wygenerowanych z zestawu 9 modeli CMIP6 (przy użyciu 3 realizacji na każdy model), naukowcy pokazali, że obecność wymuszeń antropogenicznych zwiększyła częstotliwość suszy, maksymalny czas jej trwania oraz jej maksymalną intensywność, mającą wpływ w dużej części obu Ameryk, w basenie Morza Śródziemnego, na południu Afryki i we wschodniej części Azji.

Oszacowując prawdopodobieństwo wystąpienia suszy pod wpływem zmian klimatu, badacze posłużyli się współczynnikiem prawdopodobieństwa zastosowanym do ilościowego określenia prawdopodobieństwa wystąpienia suszy w warunkach historycznych w stosunku do warunków tylko naturalnych (tutaj nie wliczając czynników antropogenicznych) pod koniec XX wieku.

Ponadto Chiang, Mazdiyasni i AghaKouchak zidentyfikowali regiony o większej wrażliwości na antropogeniczną zmianę klimatu z perspektywy suszy meteorologicznej oraz poddali analizie indywidualny wpływ wymuszeń wyłącznie antropogenicznych gazów cieplarnianych (GHG) i aerozoli (AER) na prawdopodobieństwo wystąpienia suszy, aby lepiej zrozumieć indywidualny wkład wymuszeń GHG i AER. Oprócz analizy opartej na SPI, zbadali charakterystykę suszy w oparciu o dane SPEI, aby lepiej zrozumieć wpływ wymuszeń antropogenicznych na dostępność wody netto, uważaną tutaj za różnicę między miesięcznymi opadami a ewapotranspiracją potencjalną.

Korzystając przede wszystkim ze SPEI, naukowcy mogli dokładniej zbadać dodatkowy wpływ wymuszeń antropogenicznych na zapotrzebowanie atmosfery na parowanie, które ma wzrosnąć wraz ze wzrostem globalnych temperatur.

Ogólnie rzecz biorąc, zrozumienie wpływu antropogenicznych zmian klimatu na charakterystykę suszy jest ważne w naszej interpretacji historycznie obserwowanych trendów suszy.

 

Rys.2. Współczynnik prawdopodobieństwa obliczany dzięki wyznaczeniu 6-miesięcznych spadków SPI mniejszych niż 1,5 jako zdarzeń suszy, przy użyciu danych SPI wygenerowanych z zestawu porównywania sprzężonych modeli klimatycznych CMIP6 dla a) historycznego, b) tylko GHG i c) tylko AER. Wartości powyżej 1 wskazują na wyższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach wymuszonych, podczas gdy wartości poniżej 1 wskazują na niższe ryzyko wystąpienia suszy w warunkach naturalnych. Przekraczanie komórek siatki wskazuje, że mediana zbioru modelu jest statystycznie istotnie większa niż 1. Źródło: Felicia Chiang i in., 2021/CC BY 4.0

 

Główna autorka badania Felicia Chiang, która wtedy prowadziła projekt jako absolwentka na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine w zakresie inżynierii lądowej i środowiskowej dla Science Daily powiedziała 3:

Od zawsze istniała naturalna zmienność w zjawiskach suszy na całym świecie, ale nasze badania pokazują wyraźny wpływ człowieka na suszę, w szczególności emisje aerozoli antropogenicznych, dwutlenku węgla i innych gazów cieplarnianych.

Przeprowadzone badania za pomocą modeli CMIP6 nie wykazały regionalnych zmian w charakterystyce suszy od końca XIX do końca XX wieku.

Zespół odkrył bardzo istotną rzecz, że badając oddzielnie czynniki antropogeniczne (wyłączając wpływ czynników naturalnych), gazy cieplarniane miały widocznie większy wpływ na obszar Morza Śródziemnego, Ameryki Środkowej, Amazonii i południowej części Afryki, natomiast aerozole przemysłowe odgrywały znacznie większą rolę w azjatyckich regionach monsunowych i na subarktycznej półkuli północnej, a więc w rejonach silnie uprzemysłowionych, zurbanizowanych i zmotoryzowanych i także, jak chociażby w przypadku Półwyspu Indyjskiego, nasilonych spalaniem biomasy i odpadów w rolnictwie.

Z kolei współautor badania, Omid Mazdiyasni, który uzyskał doktorat w 2020 roku w inżynierii lądowej i środowiskowej na tym samym uniwersytecie i obecnie jest naukowcem w Departamencie Robót Publicznych hrabstwa Los Angeles, powiedział dla Science Daily następującą rzecz, w której wskazał rozwiązanie problemu, zarówno na ograniczenie szkodliwego zanieczyszczenia przemysłowego, jak i na zmniejszenie oddziaływania susz:

Co gorsza, suszom mogą towarzyszyć fale upałów, a wysokie temperatury i niska wilgotność mogą zwiększać ryzyko pożarów, które jest już znaczące w zachodnich Stanach Zjednoczonych.

Jeśli susze w ciągu ostatniego stulecia pogorszyły się z powodu zanieczyszczeń pochodzących z działalności człowieka, istnieje duże prawdopodobieństwo, że problem można złagodzić poprzez ograniczenie tych emisji.

 

Susze meteorologiczne: PNI – Percent of Normal Index

Susze meteorologiczne – definiowane jako długotrwały deficyt opadów – należą do najważniejszych ekstremów klimatycznych w Europie. Generują one poważne skutki gospodarcze i ekologiczne (np. straty w rolnictwie, spadki produkcji energii wodnej, stres hydrologiczny). Zmiana klimatu w przewidywalny sposób nasila ich częstość i intensywność. Jednocześnie wpływ wewnętrznej zmienności klimatu komplikuje detekcję sygnałów trendów długoterminowych. Zespół Andrei Böhnisch z Wydziału Geografii Uniwersytetu Monachijskiego im. Ludwiga-Maximiliana (LMU) podjął próbę określenia gorących punktów (hot spots) i trendów susz meteorologicznych w Europie, uwzględniając dużą niepewność wynikającą z naturalnej zmienności klimatu, oraz mierząc zmiany za pomocą wskaźnika procentowej normy (PNI – Percent of Normal Index) – prostego wskaźnika opartego na procentowym odchyleniu opadów od wartości długoterminowych.

Analiza obejmowała Europę kontynentalną podzieloną na osiem podregionów: Wyspy Brytyjskie, Skandynawia, Europa Środkowa, Alpy, Europa Wschodnia, Francja, basen Morza Śródziemnego i Półwysep Iberyjski. Modelowe symulacje obejmują okres 1950–2099, z opcją porównań między czasami: okres prezentowany (2001–2020), przyszłość odległa (2080–2099) oraz przedindustrialny klimat referencyjny.

Badanie wykorzystuje duży zespół pojedynczego modelu z warunkami początkowymi (SMILE – Single‑Model Initial‑Condition Large Ensemble), czyli dużą liczbę symulacji pojedynczego modelu regionalnego (CRCM5‑LE, kanadyjski regionalny model klimatyczny version 5). SMILE o wysokiej rozdzielczości (~0.11°) umożliwia rozdzielenie sygnałów wymuszeń klimatycznych od wewnętrznej zmienności systemu. Ponadto zastosowano pi‑control runs – symulacje klimatu bez antropogenicznego ocieplenia – jako przedindustrialną referencję, co umożliwia ocenę zmian spowodowanych przez emisje gazów cieplarnianych.

Percent of Normal Index (PNI) obliczany jest jako procent opadów w danym miesiącu/sezonie względem długoterminowej średniej z okresu referencyjnego. Indeks ten nie normalizuje dystrybucji, lecz ma bardzo prostą interpretację: PNI<100% wskazuje deficyt opadów, PNI>100% – warunki wilgotne. Dzięki prostocie PNI jest widoczny i intuicyjny dla komunikacji naukowo‑społecznej.

Analiza statystyczna obejmowała:

• porównania PNI między przedindustrialnym, współczesnym i przyszłymi warunkami klimatycznymi;

• oceny częstości, długości i intensywności susz (kategorie od lekkich po ekstremalne);

• ocenę sezonowości zmian;

• identyfikację regionalnych hot spotów zmian suszowych.

Rys. Regiony ClimEx i orografia [m] nad domeną europejską CRCM5-LE w rozdzielczości 0,11°. Źródło: Andrea Böhnisch et al., 2023/CC BY 4.0

Susze w przyszłości będą coraz częstsze. Zwłaszcza latem

Wyniki modelu SMILE wskazują na ogólny wzrost liczby, długości i intensywności susz meteorologicznych w przyszłości (2080–2099) w porównaniu z okresem 2001–2020 i przedindustrialnym. Trend jest szczególnie wyraźny w miesiącach letnich, gdy PNI spada znacznie poniżej wartości referencyjnych, co świadczy o silnym deficycie opadów.

Susze letnie (JJA) stają się bardziej intensywne i częstsze, natomiast susze zimowe (DJF) wykazują tendencję do zmniejszenia częstotliwości w wielu regionach. To oznacza, że klimat europejski w przyszłości może charakteryzować się większą sezonową dywergencją opadów – bardziej suche lata i bardziej mokre zimy.

Najsilniejsze trendy suszowe w modelowanych warunkach przyszłości pojawiają się w następujących regionach:

• Półwysep Iberyjski –przewidywany jest najgwałtowniejszy spadek PNI i najwyższe prawdopodobieństwo ekstremalnych susz,

• Basen Morza Śródziemnego – znaczny wzrost susz letnich,

• Alpy – silne trendy sezonowe z dużym deficytem letnim,

• Francja – wzrost częstotliwości długotrwałych susz. W tych obszarach obecne i przyszłe zmiany są znacząco większe niż we wschodniej czy północnej Europie.

Analiza długości susz wykazała, że w przyszłości nawet wydłużone epizody (≥3 miesięcy) będą występować częściej i trwać dłużej w wielu regionach – np. w Północnej Hiszpanii mogą trwać ponad rok. Jednocześnie wzrasta zmienność sekwencji suchych i mokrych sezonów.

Badanie pokazuje, że jeszcze częstsze susze letnie w przyszłości niekoniecznie będą kompensowane przez wilgotne zimy – w niektórych regionach (np. Półwysep Iberyjski) zmienność jest tak duża, że okresy suszowe mogą łączyć się w długie kryzysy wodne.

 

Oszacowanie ryzyka ekstremalnych susz w różnych strefach klimatycznych świata

W kontekście ocieplenia klimatu oznacza to, że przyszłe susze mogą być znacznie bardziej ekstremalne, niż wynika to z klasycznych analiz opartych wyłącznie na deficycie opadów.

Praca Poulomiego Ganguliego i Avijita Majhiego z Indyjskiego Instytutu Technologicznego w Kharagpurze oraz Rohini Kumar z Centrum Badań Środowiskowych im. Helmholtza w Lipsku jest jednym z pierwszych globalnych opracowań analizujących suszę jako zjawisko wielowymiarowe, w którym kluczowe parametry – takie jak czas trwania (duration), intensywność (severity) oraz deficyt przepływu wód – nie są niezależne, lecz pozostają ze sobą w nieliniowych relacjach. Celem badania było określenie, czy uwzględnienie zależności między tymi parametrami prowadzi do większego oszacowania ryzyka ekstremalnych susz w różnych strefach klimatycznych świata. Autorzy podkreślają, że tradycyjne analizy często traktują te zmienne jako niezależne, co może prowadzić do poważnego niedoszacowania ryzyka hydrologicznego.

Analiza obejmowała 270 dużych zlewni rzecznych na całym świecie, reprezentujących różne reżimy klimatyczne:

• strefy tropikalne,

• szerokości umiarkowane,

• regiony subtropikalne przejściowe,

• obszary półsuche i monsunowe.

Rys. Grafika przedstawia przestrzenne zróżnicowanie zależności między atrybutami suszy oraz wynikające z tego zmiany w ocenie zagrożenia suszą w różnych regionach klimatycznych. Lewy panel odnosi się do suszy meteorologicznej, a prawy do suszy hydrologicznej. Panel (a) pokazuje siłę zależności między intensywnością suszy a czasem jej trwania, określoną za pomocą nieparametrycznego współczynnika korelacji Kendalla (τ). Wartości tego współczynnika informują, na ile silne epizody suszy są jednocześnie długotrwałe. Panel (b) przedstawia różnicę w dwuwymiarowym zagrożeniu suszą wyrażonym poprzez łączny okres powrotu zdarzeń (ΔJRP) dla łagodniejszych susz, odpowiadających dziesiątemu percentylowi prawdopodobieństwa przekroczenia atrybutów suszy. Pokazana różnica wynika z porównania obliczeń wykonanych z uwzględnieniem zależności między intensywnością i czasem trwania suszy oraz bez uwzględnienia tej zależności. Panel (c) przedstawia analogiczną analizę dla ekstremalnych epizodów suszy, odpowiadających dziewięćdziesiątemu percentylowi prawdopodobieństwa przekroczenia atrybutów suszy. Porównanie pozwala ocenić, jak silnie zależność między atrybutami suszy wpływa na oszacowanie ryzyka zdarzeń ekstremalnych. Wstawione wykresy pudełkowe pokazują rozkład wartości zależności oraz różnic w zagrożeniu suszą między analizami jednowymiarowymi i dwuwymiarowymi. Czarna linia w środku pudełka oznacza medianę, dolna i górna krawędź odpowiadają odpowiednio 25. i 75. percentylowi, a wysokość pudełka przedstawia rozstęp interkwartylowy. Wąsy wskazują zakres wartości mieszczących się w granicach q75+1,5(q75−q25)q_{75} + 1{,}5(q_{75}-q_{25})q75​+1,5(q75​−q25​) oraz q25−1,5(q75−q25)q_{25} – 1{,}5(q_{75}-q_{25})q25​−1,5(q75​−q25​), gdzie $q$ oznacza odpowiedni kwantyl analizowanej zmiennej. Źródło: Poulomi Ganguli et al., 2022/CC BY 4.0

Zależność między suszą meteorologiczną a hydrologiczną

Badanie koncentrowało się na zależnościach między suszą meteorologiczną (deficyt opadów) a suszą hydrologiczną (spadek przepływów rzecznych). Dzięki temu możliwe było prześledzenie propagacji deficytu wodnego w systemie hydrologicznym.

Autorzy wykorzystali globalne obserwacyjne serie hydrometeorologiczne, obejmujące:

• dane opadowe,

• pomiary przepływów rzecznych,

• długoterminowe serie hydrologiczne z globalnych sieci pomiarowych.

Do analizy zastosowano wielowymiarową analizę statystyczną suszy, obejmującą:

• analizę częstotliwości występowania suszy dwuwymiarowej (BDF – bivariate drought frequency) – uwzględnia ona jednocześnie dwa zmienne (np. opady i parowanie lub przepływ rzeczny i wilgotność gleby). Pozwala ocenić, jak prawdopodobieństwo suszy zmienia się w zależności od współwystępowania dwóch czynników. ,

• metody copula, stosowane do modelowania zależności między zmiennymi hydrologicznymi. Dokładnie, jest to funkcja łącząca rozkłady prawdopodobieństwa dwóch lub więcej zmiennych, zachowująca ich zależności. W hydrologii pozwala modelować współwystępowanie ekstremów (np. niskich opadów i niskich przepływów) niezależnie od marginesów każdej zmiennej.

• statystykę zależności opartą na współczynniku korelacji Kendalla (τ) (mierze zależności rangowej między dwiema zmiennymi). W hydrologii używa się go, by ocenić, czy duże lub małe wartości jednej zmiennej (np. opadów) odpowiadają dużym lub małym wartościom drugiej (np. przepływu), bez założenia liniowości.

W celu określenia stopnia wzmocnienia zagrożenia suszą autorzy opracowali model skalowania typu power-law, w którym intensywność wzrostu ryzyka zależy od siły korelacji między parametrami suszy. Jest to  model statystyczny opisujący zjawiska, w których prawdopodobieństwo ekstremalnych wartości maleje według prawa potęgowego. W kontekście suszy oznacza np., że bardzo długie lub bardzo intensywne susze występują rzadziej niż krótkie, ale prawdopodobieństwo ich wystąpienia spada w sposób przewidywalny zgodnie z funkcją potęgową.

Współczynnik skalowania λ (parametr opisujący, jak szybko zmienia się prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia ekstremalnego w miarę rosnącej jego wielkości) przyjmował wartości od 5 do 12, co wskazuje na silnie nieliniowy charakter zależności między parametrami suszy.

Analiza wykazała, że uwzględnienie zależności między czasem trwania i intensywnością suszy powoduje znaczne zwiększenie szacowanego ryzyka. Efekt ten zaobserwowano w około 65–76% analizowanych zlewni na świecie.

W badaniu tym duże znaczenie miało wykazanie różnic między strefami klimatycznymi:

1. • w tropikach i strefach umiarkowanych relacja między suszą meteorologiczną a hydrologiczną była słabsza,

   • w regionach przejściowych subtropików obserwowano silną zbieżność obu typów suszy, co oznacza większe ryzyko szybkiej propagacji deficytu wodnego.

Autorzy wykazali, że przy rosnącej zależności między parametrami suszy prawdopodobieństwo ekstremalnych zdarzeń wzrasta zgodnie z prawem potęgowym, co oznacza, że klasyczne modele liniowe znacząco zaniżają ryzyko ekstremów hydrologicznych.

Badanie wskazuje na kilka kluczowych mechanizmów odpowiedzialnych za wielowymiarowe wzmocnienie suszy:

• sprzężenia między deficytem opadów a przepływem rzecznym,

• interakcje między czasem trwania epizodu a jego intensywnością,

• regionalne różnice w retencji zlewni oraz zdolności magazynowania wody w glebie i systemach rzecznych.

Te czynniki powodują, że susza jest zjawiskiem systemowym, w którym parametry meteorologiczne, hydrologiczne i geograficzne wzajemnie się wzmacniają.

Praca Ganguliego, Majhiego i Kumar ma duże znaczenie dla współczesnej hydrologii klimatycznej, ponieważ pokazuje, że analiza jednowymiarowa suszy jest niewystarczająca. Wprowadza globalne podejście do wielowymiarowego ryzyka suszy i wskazuje na potrzebę uwzględnienia zależności między parametrami suszy w projektowaniu infrastruktury wodnej i systemów adaptacji klimatycznej.

Odczuwanie suszy

W wielu regionach świata zapotrzebowanie na wodę zbliża się do naturalnych zasobów. W takiej sytuacji nawet niewielki spadek opadów może prowadzić do poważnych konsekwencji społeczno-ekonomicznych. Autorzy podkreślają, że w takich warunkach pojawia się rozbieżność między rzeczywistą suszą meteorologiczną a tym, jak susza jest odczuwana przez społeczeństwo.

Praca Hooshyaripora z Wydziału Inżynierii Lądowej na Islamskim Uniwersytecie Azad w Teheranie, oraz jego współautorów wprowadziła nową koncepcję analizy suszy. Określana jest ona jako „drought feeling” (odczuwanie suszy). Jest to, inaczej mówiąc, subiektywne postrzeganie lub doświadczanie suszy przez ludzi, zależne nie tylko od faktycznego deficytu wody lub opadów, lecz także od lokalnych warunków społecznych, gospodarczych i środowiskowych. Autorzy zwracają uwagę, że klasyczne wskaźniki suszy – takie jak SPI (Standardized Precipitation Index) – opisują jedynie deficyt opadów, czyli komponent meteorologiczny. Tymczasem rzeczywiste skutki suszy w społeczeństwie zależą również od popytu na wodę, który rośnie wraz z populacją i rozwojem gospodarczym.

Naukowcy przeprowadzili eksperyment w zlewni Zolachai, ktra jest częścią systemu hydrologicznego jeziora Urmia w północno-zachodnim Iranie.

Najważniejsze cechy regionu badanego:

• powierzchnia zlewni: ok. 2259 km²,

• sieć 7 stacji meteorologicznych,

• dominująca działalność gospodarcza: rolnictwo nawadniane,

• populacja regionu: ok. 188 tys. mieszkańców (2016).

Rys. Grafika przedstawia lokalizację obszaru badań w północno-zachodnim Iranie w obrębie dorzecza jeziora Urmia. Pokazano położenie zlewni rzeki Zolachai, która stanowi część zamkniętego systemu hydrologicznego tego jeziora. Zlewnia ma powierzchnię około 2259 km² i rozciąga się od obszarów górskich do równiny Salmas, przez którą przepływa sezonowa rzeka Zolachai uchodząca do jeziora Urmia. Na mapie zaznaczono również główne miejscowości, stacje meteorologiczne oraz podział zlewni na mniejsze podzlewnie wykorzystywane w analizie. Źródło: Farhad Hooshyaripor et al./CC BY 4.0

Nowe wskaźniki suszy: MSDFI i IDI

Zlewnia została podzielona na tzw. 9 sub-zlewni, aby zbadać wpływ zmian demograficznych na percepcję suszy w różnych częściach systemu hydrologicznego. Szczególną uwagę zwrócono na kontrast między obszarami górnymi (słabo zaludnionymi) a dolnymi częściami zlewni o wysokiej koncentracji ludności.

Autorzy opracowali nowy wskaźnik suszy – wielowymiarowy znormalizowany wskaźnik odczuwalnej suszy (MSDFI – Multivariate Standardized Drought Feeling Index).

Wskaźnik ten łączy dwa główne komponenty:

1. podaż wody – reprezentowaną przez opady atmosferyczne,

2. popyt na wodę – reprezentowany przez liczbę ludności w danym regionie.

W praktyce MSDFI obliczono poprzez:

• dopasowanie rozkładów probabilistycznych (prawdopodobnych) opadów (m.in. uogólniony rozkład logistyczny – statystyczny rozkład stosowany do modelowania zmiennych ciągłych, który dzięki dodatkowym parametrom pozwala dopasować kształt i ogony rozkładu, czyli uwzględnić asymetrię i większe prawdopodobieństwo ekstremalnych wartości w danych, np. długości suszy czy deficytów opadów.),

• standaryzację wartości opadów w podobny sposób jak w SPI,

• uwzględnienie zmian populacji jako wskaźnika wzrostu zapotrzebowania na wodę.

Analiza została przeprowadzona w skalach czasowych: trzech, sześciu i 12 miesięcy

Do obliczeń wykorzystano również programy numeryczne w środowisku MATLAB oraz porównanie z klasycznym wskaźnikiem SPI.

Dodatkowo autorzy wprowadzili wskaźnik intensywności odczuwania suszy (IDI – Intensity of Drought Feeling), który jest definiowany jako różnica między MSDFI a SPI. Pozwala on określić, jak duży wpływ na percepcję suszy ma wzrost zapotrzebowania na wodę.

Co wykazały nowe wskaźniki i SPI

W wielu przypadkach analiza SPI wskazywała na normalne lub wilgotne warunki, podczas gdy MSDFI wykazywał wyraźne odczuwanie suszy. Oznacza to, że nawet przy stosunkowo stabilnych opadach społeczeństwo może doświadczać niedoboru wody z powodu wzrostu populacji i zużycia zasobów. Największe wartości IDI obserwowano w sub-zlewniach o szybkim wzroście liczby ludności.

W regionach miejskich i rolniczych dolnych części zlewni:

• odczuwanie suszy rosło mimo braku dużych zmian w opadach,

• wzrost populacji powodował wzrost zużycia wody i stres hydrologiczny.

Natomiast w obszarach słabo zaludnionych górnej części zlewni nawet silne epizody suszy meteorologicznej nie powodowały dużego odczuwania suszy.

Autorzy wskazują, że wzrost zapotrzebowania na wodę skraca czas przejścia:

susza meteorologiczna → susza hydrologiczna → susza socjoekonomiczna.

W efekcie w przyszłości konflikty związane z wodą mogą pojawiać się znacznie szybciej niż w przeszłości.

Praca irańskich naukowców ma szczególne znaczenie dla regionów o szybkim wzroście populacji i intensywnym wykorzystaniu zasobów wodnych, takich jak Bliski Wschód, Azja Południowa czy Afryka Północna.

Susza a czynniki migracyjne

Naukowcy rozpatrując zagadnienie suszy również szeroko omawiali  jak epizody suszy wpływają na przestrzenne rozmieszczenie osad ludzkich w Afryce i czy powodują systematyczne zmiany w kierunkach migracji.

Praca Sereny Ceoli z Wydziału Inżynierii Lądowej, Chemicznej i Środowiskowej na Uniwersytecie w Bolonii (Włochy), Johanny Mård i Giuliana Di Baldassarre z Centrum Nauki o Zagrożeniach Naturalnych i Katastrofach (CNDS) i z Wydziału Nauk o Ziemi, Powietrzu, Wodzie i Krajobrazie na Uniwersytecie w Uppsali (Szwecja) (2023) analizuje związek między suszą a mobilnością ludności w Afryce. Susza jest jednym z najważniejszych zagrożeń klimatycznych na kontynencie, a w ostatnich dekadach obserwuje się wzrost jej intensywności i częstotliwości. Jednocześnie rośnie liczba ludzi zmuszonych do migracji z powodu ekstremalnych zjawisk klimatycznych.

Autorzy podkreślili, że migracje klimatyczne są zjawiskiem wieloczynnikowym – zależą nie tylko od warunków środowiskowych, ale także od czynników ekonomicznych, politycznych, społecznych i demograficznych. Susza nie jest więc jedynym czynnikiem migracji, jednak może znacząco wpływać na decyzje o zmianie miejsca zamieszkania.

Analiza obejmowała 50 krajów Afryki w okresie 1992–2013.

Badanie miało charakter kontynentalny, co stanowi istotną nowość w literaturze. Wcześniejsze badania bazowały przeważnie na pojedynczych krajach lub konkretnych epizodach suszy.

Autorzy w pracy analizowali zmiany w rozmieszczeniu ludności w różnych regionach Afryki, w szczególności:

• Afryka Wschodnia (np. Somalia, Etiopia)

• Afryka Południowa (Namibia, Zimbabwe, Mozambik)

• Afryka Zachodnia (Gwinea, Gwinea-Bissau)

• Afryka Centralna (Czad)

Rys. Zmiany w strukturze osadnictwa ludzkiego w Afryce spowodowane suszą. (a) Wzory wzmożonego przemieszczania się ludzi w kierunku rzek (fioletowe kółka) i ośrodków miejskich (jasnofioletowe kółka) w poszczególnych krajach w latach sąsiadujących (rok suszy i rok poprzedni), uzyskane poprzez porównanie wartości medianowych w latach suszy i bez suszy, zgodnie z danymi dotyczącymi suszy z bazy SPEI-12 (jasnożółty). (b) Tak samo jak w punkcie a, ale zgodnie z danymi dotyczącymi suszy z bazy EM-DAT (pomarańczowy). Kraje, w których wystąpiła susza, według obu wskaźników, są oznaczone jasnożółto-pomarańczowym paskiem. Źródło: Serene Ceola et al./CC BY 4.0

Szczególnie silne sygnały migracji związanej z suszą zaobserwowano w regionach półsuchych i w strefach silnie zależnych od rolnictwa deszczowego. Autorzy zastosowali interdyscyplinarne podejście łączące dane hydrologiczne, demograficzne oraz satelitarne.

Dwa główne wskaźniki: EM-DAT i SPEI-12

Do identyfikacji epizodów suszy wykorzystano dwa główne wskaźniki:

• EM-DAT (International Disaster Database) – baza danych katastrof naturalnych zawierająca informacje o skutkach społeczno-ekonomicznych susz

• SPEI-12 (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index) – wskaźnik suszy uwzględniający opady i ewapotranspirację

Dzięki zastosowaniu dwóch wskaźników możliwe było uchwycenie zarówno meteorologicznych, jak i hydrologicznych aspektów suszy.

Do oceny zmian w rozmieszczeniu ludności wykorzystano:

• dane demograficzne dotyczące populacji miejskiej,

• satelitarne dane nighttime lights (nocne oświetlenie powierzchni Ziemi), które pozwalają wykrywać rozwój nowych osiedli lub zmiany intensywności zasiedlenia.

Zmiany w lokalizacji osad analizowano poprzez porównanie kolejnych lat obserwacji, co pozwoliło określić, czy w latach suszy ludność przemieszczała się w kierunku:

• rzek i zbiorników wodnych,

• miast i ośrodków miejskich.

Migracja w kierunku rzek i miast: ryzyko powodzi jest wysokie, tak jak eksplozja demograficzna ludzi

Analiza wykazała, że podczas epizodów suszy ludność często przenosi się bliżej źródeł wody lub do miast. W 73–81% krajów Afryki odnotowano zwiększoną mobilność ludności w kierunku rzek lub obszarów miejskich w latach suszy w porównaniu z latami normalnymi. W wielu krajach migracja w kierunku rzek była szczególnie wyraźna, ponieważ dostęp do wody umożliwia kontynuowanie działalności rolniczej.

Paradoksalnie migracja w kierunku rzek może zwiększać ryzyko innych katastrof naturalnych. Osiedlanie się na terenach zalewowych powoduje wzrost ekspozycji na powodzie, szczególnie w regionach o zmiennym klimacie. Oznacza to, że ludność może przemieszczać się z jednego zagrożenia klimatycznego do innego.

Podczas trwania suszy następuje boom populacyjny ludzi w miastach. W części krajów obserwowano również wyż demograficzny populacji miejskiej podczas epizodów suszy. Miasta przyciągają ludność z obszarów wiejskich, ponieważ oferują:

• większe możliwości zatrudnienia,

• dywersyfikację źródeł dochodu,

• lepszy dostęp do infrastruktury wodnej.

Autorzy wskazują kilka mechanizmów odpowiedzialnych za obserwowane wzorce migracji:

• spadek produkcji rolnej w okresach suszy,

• poszukiwanie stabilnych źródeł wody,

• ekonomiczna migracja do miast,

• brak infrastruktury adaptacyjnej na obszarach wiejskich.

W regionach takich jak Afryka Wschodnia czy Sahel susza może powodować masowe przesiedlenia ludności, zwłaszcza wśród społeczności zależnych od rolnictwa i pasterstwa.

Susze błyskawiczne w Indiach: badanie w zlewniach rzecznych

W przeciwieństwie do klasycznych susz rozwijających się miesiącami, tzw. błyskawiczne susze powstają w wyniku dynamicznych sprzężeń między atmosferą i systemem hydrologicznym. Szczególnie wrażliwy jest na nie region Indii, gdzie rolnictwo i zasoby wodne silnie zależą od letniego monsunu południowoazjatyckiego.

Praca Rajesha Singha i Vimala Mishry z Indyjskiego Instytutu Technologicznego w Gandhinagarze (IITGN) (2024) dotyczy mechanizmów powstawania błyskawicznych susz hydrologicznych (flash droughts) w warunkach klimatu monsunowego Indii. Susza błyskawiczna to specyficzny typ suszy, który rozwija się bardzo szybko, nawet w ciągu kilku tygodni, wskutek gwałtownego spadku wilgotności gleby i przepływu wód. Zjawisko to stanowi poważne zagrożenie dla rolnictwa, gospodarki wodnej oraz produkcji energii wodnej.

Badanie obejmowało 64 zlewnie rzeczne na terenie Indii, reprezentujące różne warunki klimatyczne:

• regiony wilgotne wschodnich i południowych Indii,

• obszary półsuche północno-zachodnich Indii,

• regiony monsunowe centralnych Indii.

Analiza przedstawiała okres 1971–2018, dzięki czemu możliwe było uchwycenie wieloletniej zmienności klimatycznej oraz powiązań między procesami atmosferycznymi a hydrologią zlewni.

Rys. Wyznaczenie zlewni z wykorzystaniem numerycznego modelu terenu dla 64 stacji wodowskazowych Centralnej Komisji Wodnej Indii. Szczegółowe informacje na temat stacji wodowskazowych znajdują się w tabelach S1 i S2 w Informacjach Uzupełniających S1. Powierzchnia zlewni poniżej 6000 km² reprezentuje zlewnie małe, powyżej 35 000 km² reprezentuje zlewnie duże, a między 6000 a 35 000 km² reprezentuje zlewnie średnie. Źródło: Rajesh Singh & Vimal Mishra, 2024/CC BY 4.0

Badanie oparte na integracji kilku typów danych hydrometeorologicznych

Dane obserwacyjne oparte były na pomiarach przepływów rzecznych (streamflow) z sieci hydrologicznych. Ponadto wzięte były pod uwagę obserwacje opadów atmosferycznych. Dane temperatury powietrza.

W badaniu też dużą rolę odegrały globalne reanalizy meteorologiczne, które pozwalają analizować zmiany w:

• cyrkulacji atmosferycznej,

• temperaturze powierzchni,

• wilgotności powietrza.

Dzięki modelom hydrologicznym symulacje przepływów rzecznych umożliwiły określenie dynamiki rozwoju suszy w zlewniach oraz identyfikację momentów gwałtownego spadku przepływu.

Badacze indyjscy wyróżnili dwa zasadnicze typy susz błyskawicznych:

Meteorological Flash Drought (MFD) – nagły deficyt opadów połączony z wysoką temperaturą.

Streamflow Flash Drought (SFD) – gwałtowny spadek przepływu rzecznego w krótkim czasie.

Analiza koncentrowała się na procesie propagacji (przenoszenia się) suszy meteorologicznej do hydrologicznej.

Przerwa w dostawie monsunu i przepływ wód podziemnych

Najważniejszym mechanizmem inicjującym suszę błyskawiczną są tzw. monsoon breaks, czyli okresowe przerwy w intensywnych opadach monsunowych.

Podczas tych epizodów obserwuje się deficyt opadów, wzrost temperatury powietrza oraz intensywną ewapotranspirację.

W rezultacie dochodzi do szybkiego wysychania gleby i spadku dostępności wody.

Kluczowym czynnikiem kontrolującym rozwój suszy jest baseflow, czyli podstawowy przepływ wód podziemnych zasilających rzeki.

Badanie wykazało, że:

• wysoki baseflow może opóźniać rozwój suszy,

• bardzo niski baseflow ogranicza możliwość gwałtownego spadku przepływu,

• umiarkowany baseflow sprzyja powstawaniu susz błyskawicznych.

Oznacza to, że rozwój suszy zależy nie tylko od warunków atmosferycznych, ale również od hydrologicznego stanu zlewni przed rozpoczęciem epizodu suszy.

Propagacja suszy meteorologicznej do hydrologicznej.

Badanie wykazało, że deficyt opadów i anomalnie wysokie temperatury prowadzą do meteorologicznej suszy błyskawicznej, W odpowiednich warunkach hydrologicznych zjawisko to szybko przekształca się w suszę hydrologiczną, objawiającą się gwałtownym spadkiem przepływu rzek. Proces ten zachodzi szczególnie często w wilgotnych zlewniach podczas sezonu monsunowego, gdzie duża zmienność opadów powoduje silne reakcje systemu hydrologicznego.

Autorzy identyfikują kilka głównych mechanizmów powstawania susz błyskawicznych:

1. deficyt opadów podczas przerw monsunowych,

2. anomalnie wysokie temperatury zwiększające ewapotranspirację,

3. warunki hydrologiczne zlewni (baseflow),

4. sprzężenia atmosfera–ląd, które przyspieszają wysychanie gleby.

Te czynniki powodują szybkie przejście od normalnych warunków hydrologicznych do poważnego deficytu wody.

Ekstremalna susza w Europie Środkowej i Południowej (2022): jak duże były intensywność i zasięg

W XXI wieku susza objęła duże obszary Europy, wpływając ujemnie m.in. na dorzecza Renu, Padu i Dunaju oraz na regiony rolnicze Francji, Niemiec, Włoch i Europy Środkowej.

Emanuele Bevacqua z Katedry Złożonych Ryzyk Środowiskowych w Centrum Badań Środowiskowych im. Helmholtza (UFZ) w Lipsku (Niemcy) oraz jego zespół naukowy w badaniu sprzed dwóch lat przeanalizował jedną z najbardziej ekstremalnych susz w historii współczesnej Europy. Mianowicie suszę z 2022 roku, która obejmowała znaczną część kontynentu i spowodowała poważne konsekwencje gospodarcze oraz środowiskowe. Wydarzenie to było związane z bardzo niską wilgotnością gleby, spadkiem przepływów rzecznych oraz licznymi skutkami społeczno-ekonomicznymi, takimi jak ograniczenia w dostawach wody, spadek plonów rolnych czy zakłócenia w energetyce i transporcie rzecznym.

Głównym celem badania było określenie, w jakim stopniu zmiana klimatu wywołana działalnością człowieka przyczyniła się do intensywności i zasięgu tej suszy, a także zbadanie, czy wpływ ten działał wyłącznie w roku wystąpienia zdarzenia, czy również poprzez wcześniejsze procesy klimatyczne prowadzące do stopniowego wysuszania środowiska.

Badania obejmowały obszar Europy Środkowej i Południowej, gdzie skutki suszy były najbardziej widoczne. Region ten doświadczył rekordowo niskiej wilgotności gleby oraz znacznego deficytu zasobów wodnych. Analizy wykazały, że 2022 rok charakteryzował się największym deficytem wilgotności gleby w wielu regionach od co najmniej 1960 roku, a całkowity deficyt wody w glebie był największy od początku obserwacji satelitarnych w 2002 r.

Rys. a , Anomalia symulowanej średniej wilgotności gleby JJA 2022 w jednostkach odchylenia standardowego rozkładu JJA z lat 1960–2021. Punktowanie wskazuje miejsca, w których rok 2022 był bardziej suchy niż jakiekolwiek symulowane lato w latach 1960–2021. b , Anomalia całkowitej (nad polem w a ) średniej wilgotności gleby JJA w Europie w stosunku do lat 1960–2021 ( Metody ). c , Powierzchnia Europy dotknięta silną suszą, tj. przy średniej anomalii wilgotności gleby JJA poniżej dwóch odchyleń standardowych rozkładu z lat 1960–2021. Symulacje oparte są na modelu mHM. Źródło: Bevacqua E. et al./CC BY 4.0

Obserwacje, modele klimatyczne, modele hydrologiczne

Autorzy zastosowali zintegrowane podejście łączące obserwacje, modele klimatyczne oraz modele hydrologiczne. Analiza obejmowała:

• dane meteorologiczne i reanalizy klimatyczne (np. E-OBS),

• symulacje modeli klimatycznych CMIP6,

• modele hydrologiczne i powierzchni lądowej (m.in. mHM-E-OBS oraz CLM-ERA5),

• analizy zmian wilgotności gleby i przepływów rzecznych od 1960 roku.

Metodologia polegała na porównaniu scenariuszy rzeczywistego klimatu z symulacjami bez wpływu antropogenicznego ocieplenia, co pozwoliło oszacować wkład zmiany klimatu w intensywność suszy. Kluczowym elementem pracy było również rozdzielenie wpływu klimatu na dwa komponenty:

1. Bezpośredni efekt zmiany klimatu – związany z warunkami pogodowymi w roku hydrologicznym 2022.

2. Efekt opóźniony (lagged effect) – wynikający z wcześniejszych zmian klimatycznych, które stopniowo zwiększały parowanie i wysuszały gleby jeszcze przed rozpoczęciem roku hydrologicznego.

Główna przyczyna ekstremalnej suszy w Europie – deficyt opadów

Analizy wykazały, że deficyt opadów był głównym bezpośrednim czynnikiem meteorologicznym prowadzącym do suszy, jednak zmiana klimatu znacząco zwiększyła jej intensywność poprzez wzrost temperatury i parowania. Najważniejsze wyniki obejmowały:

• ponad 30% intensywności suszy można przypisać antropogenicznej zmianie klimatu, głównie poprzez wzrost parowania,

• około 14–41% wpływu zmiany klimatu wynikało z efektów opóźnionych, czyli wcześniejszego wysuszania gleby w latach poprzedzających 2022 rok,

• zmiana klimatu znacznie zwiększyła zasięg przestrzenny suszy, powiększając obszar dotknięty ekstremalnym niedoborem wilgotności gleby,

• susza meteorologiczna przekształciła się w suszę hydrologiczną, powodując spadki przepływów rzecznych i ograniczenia w transporcie wodnym oraz energetyce.

Badania wykazały również, że temperatury w 2022 roku były jednymi z najwyższych w historii pomiarów w Europie, co dodatkowo zwiększyło tempo parowania i pogłębiło deficyt wody w glebie.

Autorzy wskazują, że takie procesy mogą prowadzić do kumulacji deficytu wody w kolejnych latach, co oznacza, że nawet pojedynczy rok z niewielkimi opadami może wywołać ekstremalne skutki, jeśli poprzedzają go lata stopniowego wysuszania środowiska.

Wyniki badań mają duże znaczenie dla zarządzania zasobami wodnymi i adaptacji do zmian klimatu w Europie, ponieważ wskazują na konieczność uwzględniania zarówno bieżących warunków meteorologicznych, jak i długoterminowych trendów klimatycznych przy ocenie ryzyka suszy.

Nie tylko regiony w strefach suchych są podatne na wysuszanie, także te, które charakteryzują się wysokimi opadami

W ostatnich latach susza staje się coraz bardziej uciążliwa. I jak się okazuje procesy wysuszania w niektórych regionach nie ograniczają się wyłącznie do stref suchych. Także regiony o wysokich opadach mogą przejawiać tendencje do zwiększonego deficytu wilgotności. Wielu badaczy szczególną uwagę głównie zwrócili na zmiany w ostatnich dekadach, gdy tempo globalnego ocieplenia znacząco przyspieszyło.

Solomon H. Gebrechorkos z Wydziału Geografii i Środowiska na Uniwersytecie Oksfordzkim oraz z Wydziału Geografii i Nauk o Środowisku na Uniwersytecie w Southampton (Wielka Brytania) oraz jego współautorzy (2025) ukazali analizę globalnych trendów intensywności suszy w warunkach postępującego ocieplenia klimatu. Jak już wiadomo, w ostatnich latach susza jest jednym z najpowszechniejszych i najbardziej złożonych zagrożeń środowiskowych, oddziałujących na ekosystemy, rolnictwo, gospodarkę wodną oraz bezpieczeństwo żywnościowe na całym świecie. Jednym z kluczowych problemów badawczych pozostaje jednak określenie, w jakim stopniu wzrost temperatury i związany z nim wzrost zapotrzebowania atmosfery na wodę wpływa na nasilanie się susz, niezależnie od zmian w opadach atmosferycznych.

Atmosferyczne zapotrzebowanie na parowanie (AED) to „pragnienie atmosfery” — maksymalna szybkość, z jaką woda może parować z powierzchni lądu i wody, zależna od temperatury, wilgotności, wiatru i promieniowania słonecznego

Autorzy skoncentrowali się szczególnie na roli terminu atmosferycznego zapotrzebowania na parowanie (AED – atmospheric evaporative demand), które rośnie wraz ze wzrostem temperatury powietrza. W cieplejszym klimacie atmosfera może „pobierać” więcej wilgoci z gleby, roślin i zbiorników wodnych, co prowadzi do szybszego wysuszania środowiska. Celem badania było zatem określenie wpływu AED na zmiany intensywności, częstotliwości oraz przestrzennego zasięgu susz na świecie w ostatnim stuleciu.

Badanie suszy na całym globie w okresie 1901-2022

Badania obejmowały skalę globalną, analizując zmiany suszy na wszystkich kontynentach w latach 1901–2022. Analiza uwzględniała zarówno regiony tradycyjnie suche (np. obszary półpustynne i stepowe), jak i regiony o dużych zasobach wodnych.

Autorzy opracowali zestaw wysokorozdzielczych globalnych baz danych dotyczących suszy, obejmujących okres ponad 120 lat (1901–2022). W analizie wykorzystano liczne dane klimatyczne, hydrologiczne oraz modele opisujące procesy parowania i bilansu wodnego.

Metodologia obejmowała:

• analizę wieloletnich danych meteorologicznych dotyczących opadów i temperatury,

• obliczenia wskaźników suszy opartych na bilansie wodnym,

• ocenę zmian atmosferycznego zapotrzebowania na parowanie (AED) jako głównego czynnika kontrolującego parowanie,

• analizę trendów przestrzennych i czasowych intensywności suszy w skali globalnej.

Kluczowym elementem badania było oddzielenie wpływu zmian opadów od wpływu wzrostu temperatury, co pozwoliło określić rzeczywistą rolę ocieplenia klimatu w nasilaniu susz.

Rys. Udział procentowy AED i opadów w trendach 6-miesięcznego SPEI. a , b , Procentowy udział AED ( a ) i procentowy udział opadów ( b ) w obserwowanych zmianach 6-miesięcznego HRSPEI w latach 1981–2022. Wkłady oblicza się, obliczając różnicę między obserwowanym trendem a trendem opartym na wartościach klimatologicznych AED (AEDclm) i opadów (Prclm). Wkład AED określa się na podstawie różnicy między trendem opartym na obserwowanym AED i opadach oraz trendem opartym na obserwowanych opadach i AEDclm. Podobnie, wkład opadów oblicza się jako różnicę między trendem opartym na obserwowanych opadach i AED oraz trendem opartym na obserwowanych AED i Prclm. Procentowy udział każdego czynnika oblicza się następnie jako wartość bezwzględną różnicy podzieloną przez całkowitą różnicę bezwzględną, zapewniając względną miarę wpływu każdego czynnika na obserwowany trend. c , Regionalny i globalny średni wkład opadów i AED w zmiany SPEI. Źródło: Solomon H. Gebrechorkos et al./CC BY 4.0

Wzrost intensywności susz w ostatnich dekadach: duże znaczenie parametru atmosferycznego zapotrzebowania na parowanie (AED)

Wyniki badań wykazały jednoznaczny wzrost intensywności susz na świecie, szczególnie w ostatnich dekadach. Jednym z najważniejszych wniosków pracy jest stwierdzenie, że rosnące zapotrzebowanie atmosfery na parowanie jest jednym z głównych czynników nasilających globalne susze.

Najważniejsze wyniki obejmują:

• średnio około 40% wzrostu intensywności suszy na świecie można przypisać wzrostowi AED, czyli zwiększonemu parowaniu wynikającemu z ocieplenia klimatu,

• zarówno regiony suche, jak i wilgotne wykazują tendencję do nasilania procesów wysuszania,

• w latach 2018–2022 obszary dotknięte suszą były średnio o 74% większe niż w latach 1981–2017,

• rok 2022 był rekordowy pod względem zasięgu suszy, gdyż około 30% powierzchni lądowej Ziemi było dotknięte umiarkowaną lub silną suszą, z czego około 42% tej skali można przypisać zwiększonemu AED.

Badanie wskazuje również, że wzrost temperatury powoduje nie tylko częstsze susze, ale także wydłużenie ich czasu trwania oraz zwiększenie intensywności deficytu wilgotności gleby.

Praca Gebrechorkos i współautorów ma duże znaczenie dla zrozumienia globalnych zmian klimatycznych, ponieważ pokazuje, że susze mogą się nasilać nawet bez znaczącego spadku opadów atmosferycznych. Kluczową rolę odgrywa bowiem wzrost temperatury i wynikające z niego zwiększone parowanie.

Oznacza to, że w przyszłości wiele regionów świata może doświadczać coraz bardziej intensywnych i rozległych susz, nawet jeśli zmiany opadów będą stosunkowo niewielkie. Wyniki te mają istotne znaczenie dla planowania gospodarki wodnej, rolnictwa oraz zarządzania ryzykiem klimatycznym, ponieważ wskazują na konieczność uwzględnienia w prognozach nie tylko opadów, lecz także procesów parowania i zapotrzebowania atmosfery na wilgoć.

Autorzy podkreślają również, że jeśli globalne ocieplenie będzie postępować zgodnie z obecnymi scenariuszami emisji, rola atmosferycznego zapotrzebowania na wodę w nasilaniu susz będzie dalej rosła, co może prowadzić do częstszych i bardziej dotkliwych epizodów suszy w wielu regionach świata.

Wieloletnie susze – analiza statystyczna

Wieloletnie susze (ang. multi-year droughts – MYDs) należą do najbardziej dotkliwych ekstremów klimatycznych, ponieważ ich długotrwały charakter powoduje poważne konsekwencje dla gospodarki wodnej, rolnictwa, ekosystemów oraz funkcjonowania społeczeństw. Zjawiska te mogą prowadzić do spadku produkcji żywności, degradacji środowiska oraz długotrwałych kryzysów wodnych w wielu regionach świata.

Celem pracy Powera i Gillett (2025) była analiza właściwości statystycznych wieloletnich susz oraz określenie, czy ich charakterystyka w modelach klimatycznych jest zgodna z obserwacjami i teorią statystyczną. Autorzy starali się odpowiedzieć na pytanie, jak często występują susze trwające wiele lat, jak długo mogą trwać oraz jakie mechanizmy statystyczne opisują ich pojawianie się.

Badanie koncentruje się na analizie ciągów lat, w których roczna suma opadów pozostaje poniżej określonego progu, co pozwala identyfikować okresy wieloletniej suszy i analizować ich częstotliwość oraz długość trwania.

Analiza została przeprowadzona w skali globalnej, z wykorzystaniem zarówno symulacji modeli klimatycznych, jak i danych obserwacyjnych. Dzięki temu możliwe było porównanie statystycznych właściwości susz w modelach z rzeczywistymi zapisami klimatycznymi.

Autorzy analizowali dane z różnych regionów świata, co pozwoliło określić przestrzenne zróżnicowanie występowania wieloletnich susz. Badanie wykazało, że charakterystyka tych zjawisk różni się w zależności od regionu klimatycznego oraz średnich warunków opadowych.

Niektóre regiony wykazują większą skłonność do występowania długotrwałych okresów suszy, podczas gdy w innych regionach dominują krótsze epizody niedoboru opadów.

Rys. Współczynnik autokorelacji rocznych opadów z rocznym opóźnieniem. Metoda punktowania wskazuje, że > 70% modeli zgadza się co do znaku współczynnika autokorelacji. Źródło: Scott B. Power & Zoe E. Gillett/CC BY 4.0

Symulacje statystycznych właściwości susz

W pracy wykorzystano 38 symulacji klimatycznych o długości 200 lat pochodzących z globalnych modeli klimatycznych projektu CMIP6, symulujących warunki klimatyczne w stanie przedindustrialnym. Dzięki temu możliwe było przeanalizowanie długich serii danych i określenie statystycznych właściwości susz bez wpływu współczesnego wymuszenia antropogenicznego.

Autorzy analizowali kilka kluczowych statystyk opisujących wieloletnie susze, w tym:

• udział lat należących do susz trwających co najmniej n lat,

• udział wszystkich susz o długości ≥ n lat,

• liczbę i długość trwania wieloletnich epizodów suszy.

Dodatkowo opracowano formuły teoretyczne oparte na prostych modelach stochastycznych (modelach matematycznych opisujących zjawiska, w których występuje losowość. Zamiast jednej dokładnej prognozy daje rozkład możliwych wyników i ich prawdopodobieństwo.), które pozwalają oszacować oczekiwane wartości tych statystyk. W badaniu uwzględniono również wpływ autokorelacji czasowej opadów, czyli zależności między kolejnymi latami pod względem ilości opadów.

Wyniki uzyskane z modeli klimatycznych zostały następnie porównane z wartościami teoretycznymi oraz z danymi obserwacyjnymi, co umożliwiło ocenę dokładności modeli klimatycznych w odwzorowywaniu wieloletnich susz.

Wierne odwzorowanie statystycznych właściwości wieloletnich susz

Analiza wykazała, że modele klimatyczne stosunkowo dobrze odwzorowują statystyczne właściwości wieloletnich susz, szczególnie gdy uwzględnia się zależności czasowe pomiędzy kolejnymi latami opadowymi.

Najważniejsze wyniki obejmują:

• wieloletnie susze można opisać za pomocą prostych modeli statystycznych, które dobrze odtwarzają wyniki uzyskane z symulacji klimatycznych,

• wartości statystyk dotyczących długości i częstotliwości susz w modelach klimatycznych są zbliżone do wartości teoretycznych,

• uwzględnienie autokorelacji czasowej opadów pozwala uzyskać bardziej realistyczne oszacowania częstości występowania wieloletnich susz,

• różnice regionalne w statystyce susz są w dużej mierze związane z przestrzennym zróżnicowaniem średnich opadów i ich zmienności.

Autorzy wykazali również, że proste modele teoretyczne mogą stanowić użyteczne narzędzie do szybkiej oceny ryzyka wystąpienia wieloletnich susz.

Znaczenie statystyczne długotrwałych susz

Praca Powera i Gillett dostarcza ważnych informacji na temat statystycznej natury długotrwałych susz, które należą do najbardziej destrukcyjnych ekstremów klimatycznych. Wyniki badań pokazały, że analiza statystyczna może być skutecznym narzędziem do oceny ryzyka suszy oraz do interpretacji wyników modeli klimatycznych.

Zastosowanie prostych modeli teoretycznych pozwala lepiej zrozumieć mechanizmy powstawania wieloletnich susz i może wspierać prognozowanie oraz planowanie zarządzania zasobami wodnymi w regionach narażonych na długotrwałe deficyty opadów.

Wyniki pracy są również istotne dla badań nad zmianą klimatu, ponieważ pozwalają ocenić, czy współczesne modele klimatyczne są w stanie prawidłowo odwzorować częstotliwość i długość trwania wieloletnich susz, co jest kluczowe dla prognozowania przyszłych ekstremów klimatycznych.

Niedobór wody – ekstremalne kryzysy wodne w skali globalnej

Niedobór wody stanowi jedno z najpoważniejszych wyzwań środowiskowych i społecznych XXI wieku. Wraz z postępującym ociepleniem klimatu oraz rosnącym zapotrzebowaniem na zasoby wodne związanym z rozwojem gospodarczym i wzrostem populacji, rośnie ryzyko występowania ekstremalnych kryzysów wodnych. W pracy Ravinandrasana i Franzke (2025) podjęto próbę określenia momentu pierwszego pojawienia się bezprecedensowego niedoboru wody w skali globalnej, który jest bezpośrednio związany z działalnością człowieka w epoce antropocenu.

Autorzy Vecchia P. Ravinandrasana i Christian L. E. Franzke z Centrum Fizyki Klimatu w Instytucie Nauk Podstawowych w Pusanie (Korea Południowa) i z Wydziału Nauk o Zintegrowanym Systemie Klimatycznym na Uniwersytecie Narodowym w Pusanie (2025) wprowadzili koncepcję suszy dnia zerowego (DZD – Day Zero Drought) – ekstremalnego zdarzenia hydrologicznego, w którym dostępne zasoby wodne nie są w stanie zaspokoić zapotrzebowania społeczeństwa. Zjawisko to może powstawać wskutek współwystępowania kilku czynników: długotrwałego deficytu opadów, spadku przepływów rzecznych, zwiększonego parowania oraz rosnącego zużycia wody.

Głównym celem badań było określenie kiedy i gdzie na świecie po raz pierwszy pojawią się takie ekstremalne zdarzenia niedoboru wody, a także w jakim stopniu są one związane z antropogeniczną zmianą klimatu.

Globalne hot spoty kryzysów wodnych – analiza

Analiza została przeprowadzona w skali globalnej, obejmując różne regiony klimatyczne świata. Autorzy zwrócili szczególną uwagę na obszary, które już obecnie wykazują duże ryzyko niedoboru wody lub są silnie zależne od infrastruktury wodnej, takiej jak zbiorniki retencyjne i systemy irygacyjne.

Wyniki wskazują, że potencjalne globalne „hotspoty” przyszłych kryzysów wodnych obejmują między innymi:

• region śródziemnomorski,

• południową Afrykę,

• zachodnią część Ameryki Północnej,

• północne Chiny oraz Indie,

• południową Australię.

W wielu z tych regionów wzrost temperatury, spadek dostępności wody powierzchniowej oraz rosnące zapotrzebowanie na wodę mogą prowadzić do nasilenia ryzyka poważnych kryzysów wodnych w nadchodzących dekadach.

Rys. Czas pierwszego pojawienia się (ToFE) suszy dnia zerowego (DZD) i regiony globalnych punktów zapalnych na podstawie symulacji zespołu CESM2-LE w ramach scenariusza SSP3-7.0. Rozkład przestrzenny dekadowego ToFE zdarzeń DZD w skali globalnej w latach 1900–2100. Kolorowe cieniowanie pokazuje pierwszą dekadę, w której zdarzenia DZD stają się statystycznie przypisywalne antropogenicznej zmianie klimatu, co zdefiniowano jako moment, gdy ułamek przypisywanego ryzyka przekracza 0,99 (FAR ≥ 0,99). Szare obszary oznaczają komórki siatki, w których do 2100 r. nie przewiduje się wystąpienia DZD możliwego do przypisania zmianie klimatu. W regionach z infrastrukturą magazynowania wody moment ToFE odnosi się do pierwszej dekady po oddaniu zbiorników do użytku, gdy jednocześnie spełnione są wszystkie kryteria DZD, tak aby uwzględnić wpływ infrastruktury na odporność systemu wodnego. Czarne gwiazdy wskazują lokalizacje zbiorników szczególnie narażonych na pojawienie się zdarzeń DZD. Źródło: Vecchia P. Ravinandrasana & Christian L. E. Franzke/CC BY 4.0

Diagram kołowy pokazuje rozkład czasowy ToFE według dekad. Kolory przedstawiają udział procentowy komórek siatki (obszarów lądowych), w których pierwszy sygnał pojawienia się DZD występuje w danej dekadzie między 1900 a 2100 rokiem, ilustrując globalne tempo pojawiania się tych zdarzeń w czasie.

Symulacje modeli klimatycznych i wskaźniki hydrologiczne wskazują na wysoce ekstremalny i krytyczny poziom niedoboru wody 

W badaniu zastosowano probabilistyczne podejście oparte na dużych zestawach symulacji klimatycznych. Autorzy wykorzystali między innymi:

• symulacje modelu klimatycznego CESM2 Large Ensemble (CESM2-LE),

• dodatkowe symulacje modeli klimatycznych z projektu CMIP6,

• scenariusze emisji gazów cieplarnianych SSP3-7.0 oraz SSP2-4.5.

Kluczowym elementem analizy było wyznaczenie tzw. czasu pierwszego pojawienia się (ToFE – Time of First Emergence), czyli momentu, w którym ekstremalne niedobory wody pojawiają się po raz pierwszy z wysokim prawdopodobieństwem w wyniku działalności człowieka.

Autorzy analizowali jednocześnie kilka wskaźników hydrologicznych, które opisują różne aspekty systemu wodnego:

• SPEI (Standardized Precipitation Evapotranspiration Index) – opisujący deficyt opadów i wzrost parowania,

• SRFI (Standardized River Flow Index) – wskazujący zmiany w przepływach rzecznych,

• SWSI (Standardized Water Scarcity Index) – opisujący relację między dostępnością wody a jej zapotrzebowaniem,

• czas opróżniania zbiorników wodnych (TRD – Time for Reservoirs to Dry).

Dzięki jednoczesnej analizie tych wskaźników możliwe było określenie momentu, w którym różne komponenty systemu hydrologicznego osiągają krytyczny poziom niedoboru wody.

Zwiększenie prawdopodobieństwa ekstremalnych niedoborów wody na całym świecie

Wyniki badań wskazują, że antropogeniczna zmiana klimatu znacząco zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia ekstremalnych niedoborów wody na świecie. Analiza pokazuje, że w wielu regionach świata zdarzenia typu „Day Zero Drought” mogą pojawić się już w najbliższych dekadach.

Najważniejsze wyniki obejmują:

• około 35% regionów zagrożonych niedoborem wody może doświadczyć pierwszego pojawienia się takich zdarzeń już w latach 2020–2030,

• do końca XXI wieku nawet 74% analizowanych regionów może być narażonych na bezprecedensowy niedobór wody,

• około 14% globalnych zbiorników wodnych może zostać całkowicie opróżnionych w wyniku ekstremalnych susz,

• rosnące zapotrzebowanie na wodę w połączeniu z długotrwałymi suszami znacząco zwiększa ryzyko kryzysów wodnych.

Badanie wykazało również, że odstępy czasowe między kolejnymi ekstremalnymi epizodami niedoboru wody mogą być krótsze niż czas potrzebny na odbudowę zasobów wodnych, co dodatkowo zwiększa ryzyko długotrwałych kryzysów wodnych.

Antropogeniczne zmiany klimatu będą nasilać kryzysy wodne

Praca Ravinandrasana i Franzke stanowi jedno z pierwszych globalnych opracowań analizujących moment pojawienia się bezprecedensowych kryzysów wodnych w warunkach antropogenicznej zmiany klimatu. Wyniki wskazują, że przyszłe niedobory wody będą wynikać nie tylko z samej suszy meteorologicznej, lecz także z interakcji między zmianami klimatu a rosnącym zapotrzebowaniem na wodę.

Badanie podkreśla konieczność opracowania nowych strategii zarządzania zasobami wodnymi, które uwzględniają zarówno zmiany klimatyczne, jak i presję społeczną na zasoby wodne. Szczególnie ważne jest zwiększenie odporności systemów wodnych w regionach najbardziej narażonych na susze oraz rozwój infrastruktury i polityk zarządzania wodą w miastach i regionach o wysokiej gęstości zaludnienia.

Autorzy podkreślają również, że ograniczenie globalnego ocieplenia do 1,5°C może znacząco zmniejszyć ryzyko wystąpienia najbardziej ekstremalnych kryzysów wodnych, które w przeciwnym razie mogą stać się jednym z głównych zagrożeń środowiskowych w XXI wieku.

 

Referencje:

Sheffield J. & Wood E. F. 2007 ; Characteristics of global and regional drought, 1950–2000: Analysis of soil moisture data from off-line simulation of the terrestrial hydrologic cycle ; Journal of Gephysical Research Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2006JD008288

Phillips O. L. et al., 2010 ; Drought–mortality relationships for tropical forests ; New Phytologist ; https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1469-8137.2010.03359.x

Kumar S. et al., 2013 ; Less reliable water availability in the 21st century climate projections ; Earth’s Future ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2013EF000159

Anderegg W. R. L. et al., 2015 ; Pervasive drought legacies in forest ecosystems and their implications for carbon cycle models ; Science ; https://www.researchgate.net/publication/280582920_FOREST_ECOLOGY_Pervasive_drought_legacies_in_forest_ecosystems_and_their_implications_for_carbon_cycle_models

University of Utah, 2015 ; Drought’s lasting impact on forests ; Phys.Org ; https://phys.org/news/2015-07-drought-impact-forests.html

Zhang B. et al., 2015 ; Development and evaluation of a physically based multiscalar drought index: The Standardized Moisture Anomaly Index ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JD023772

Zana W. et al., 2016 ; Depiction of drought over sub-Saharan Africa using reanalyses precipitation data sets ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016JD024858

Wang W. et al., 2016 ; Propagation of Drought: From Meteorological Drought to Agricultural and Hydrological Drought ; Advances in Meteorology ; https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1155/2016/6547209

Erfanian A. et al., 2017 ; Unprecedented drought over tropical South America in 2016: significantly under-predicted by tropical SST ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-017-05373-2

Naumann G. et al. 2018 ; Global Changes in Drought Conditions Under Different Levels of Warming ; Geophysical Research Letters ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL076521

Otkin J. A. et al., 2018 ; Flash Droughts: A Review and Assessment of the Challenges Imposed by Rapid-Onset Droughts in the United States ; Bulletin of the American Meteorological Society ; https://journals.ametsoc.org/view/journals/bams/99/5/bams-d-17-0149.1.xml

Rashid Md. M Johnson F. & Sharma A. 2018 ; Identifying Sustained Drought Anomalies in Hydrological Records: A Wavelet Approach ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JD030525

Tiwari A. D. & Mishra V., 2019 ; Prediction of Reservoir Storage Anomalies in India ; JGR Atmospheres ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019JD030525

Goulden M. L. & Bales R. C., 2019 ; California forest die-off linked to multi-year deep soil drying in 2012–2015 drought ; Nature Geoscience ; https://www.nature.com/articles/s41561-019-0388-5

UC Irvine, 2019 ; UCI, UC Merced: California forest die-off caused by depletion of deep-soil water ; UC Irvine News ; https://news.uci.edu/2019/07/01/uci-uc-merced-california-forest-die-off-caused-by-depletion-of-deep-soil-water/

Yuan W. et al., 2019 ; Increased atmospheric vapor pressure deficit reduces global vegetation growth ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aax1396

Dunne D., 2019 ; Rising water stress could counteract ‘global greening’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/rising-water-stress-could-counteract-global-green-study-says

Marvel K. et al., 2019 ; Twentieth-century hydroclimate changes consistent with human influence ; Nature ; https://www.nature.com/articles/s41586-019-1149-8

Dunne D., 2019 ; Climate change has influenced global drought risk for ‘more than a century’ ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/climate-change-has-influenced-global-drought-risk-for-more-than-a-century

Bonfils C. J. W. et al., 2020 ; Human influence on joint changes in temperature, rainfall and continental aridity ; Nature Climate Change ; https://www.nature.com/articles/s41558-020-0821-1

Dunne D., 2020 ; Scientists discover new ‘human fingerprint’ on global drought patterns ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/scientists-discover-new-human-fingerprint-on-global-drought-patterns

Alizadeh M. R. et al., 2020 ; A century of observations reveals increasing likelihood of continental-scale compound dry-hot extremes ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aaz4571

Dunne D., 2020 ; US sees ‘alarming’ increase in combined heatwaves and droughts ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/us-sees-alarming-increase-in-combined-heatwaves-and-droughts

Anderegg W. R. L., 2020 ; Divergent forest sensitivity to repeated extreme droughts ; Nature Climate Change ; https://www.researchgate.net/publication/344413369_Divergent_forest_sensitivity_to_repeated_extreme_droughts

University of California – Santa Barbara, 2020 ; The effects of repeated droughts on different kinds of forests ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2020/10/201013101635.htm

Hari V. et al., 2020 ; Increased future occurrences of the exceptional 2018–2019 Central European drought under global Warming ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-020-68872-9

Bastos A. et al., 2020 ; Direct and seasonal legacy effects of the 2018 heat wave and drought on European ecosystem productivity ; Science Advances ; https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aba2724

Dunne D., 2020 ; Warm spring worsened Europe’s extreme 2018 summer drought, study says ; Carbon Brief ; https://www.carbonbrief.org/warm-spring-worsened-europes-extreme-2018-summer-drought-study-says

Vishwakarma B D., 2020 ; Monitoring Droughts From GRACE ; Interdisciplinary Climate Studies ; https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2020.584690/full

Chiang F. et al., 2021 ; Evidence of anthropogenic impacts on global drought frequency, duration, and intensity ; Nature Communications ; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22314-w

University of California – Irvine, 2021 ; Greenhouse gas and aerosol emissions are lengthening and intensifying droughts ; Science Daily ; https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210517124927.htm

Böhnisch A. et al., 2021 ; Hot Spots and Cliate Trends of Meteorological Droughts in Europe – Assesing the Percent of Normal Index in a Single-Model Initial-Condition Large Ensemble ; Water and Climate, vol. 3 ; https://www.frontiersin.org/journals/water/articles/10.3389/frwa.2021.716621/full

Ganguli P. et al., 2022 ; Observational Evidence for Multivariate Drought Hazard Amplifications Across Disparate Climate Regimes ; Earth’s Future Vol. 10, Issue 9 ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2022EF002809

Hooshyaripor F. et al., 2022 ; A new concept of drought feeling against the meteorological drought ; Scientific Reports ; https://www.nature.com/articles/s41598-022-21181-9

Ceola S. et al., 2023 ; Drought and Human Mobility in Africa ; Earth’s Future, Volume 11,, Issue 12 ; https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023EF003510

Singh R. & Mishra V., 2024 ; Atmospheric and Land Drivers of Streamflow Flash Droughts in India ; JGR Atmospheres, Volume 129, Issue 4 ;  https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2023JD040257

Bevacqua E. et al., 2024 ; Direct and lagged climate change effects intensified the 2022 European drought ; Nature Geoscience, 17 1100-1107 ; https://www.nature.com/articles/s41561-024-01559-2 

Gebrechorkos S. H. et al., 2025 ; Warming accelerates global drought severity ; Nature 642, 628-635 ; https://www.nature.com/articles/s41586-025-09047-2

Power S. B. & Gillett Z. E., 2025 ; Statistical properties of multi-year droughts in climate models and observations with corresponding theoretical estimates ; Climate Dynamics, Volume 63, article number 184 ; https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-025-07632-9

Ravinandrasana V. P. & Franzke C. L. E., 2025 ; The first emergence of unprecedented global water scarcity in the Anthropocene ; Nature Communications, 16, 8281 ; https://www.nature.com/articles/s41467-025-63784-6