Les projections mondiales de sécheresse éclair montrent un risque accru dans un climat en réchauffement

Communications Terre & Environnement volume 4, Numéro d'article : 165 (2023) Citer cet article

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La sécheresse éclair, caractérisée par un assèchement inhabituellement rapide, peut avoir un impact substantiel sur de nombreux secteurs socio-économiques, en particulier l'agriculture. Cependant, les changements potentiels du risque de sécheresse soudaine dans un climat en réchauffement restent inconnus. Dans cette étude, les changements projetés dans la fréquence des sécheresses éclair et le risque de sécheresse soudaine pour les terres cultivées sont quantifiés à l'aide de simulations de modèles climatiques mondiaux. Nous constatons que l'occurrence de la sécheresse éclair devrait augmenter à l'échelle mondiale dans tous les scénarios, les augmentations les plus fortes étant observées dans les scénarios avec un forçage radiatif plus élevé et une plus grande utilisation de combustibles fossiles. Le risque de sécheresse éclair sur les terres cultivées devrait augmenter à l'échelle mondiale, les augmentations les plus importantes étant prévues en Amérique du Nord (changement du risque annuel de 32 % en 2015 à 49 % en 2100) et en Europe (32 % à 53 %) dans le scénario d'émissions le plus extrême. . Le fait de suivre les scénarios bas et moyen par rapport aux scénarios haut de gamme indique une réduction notable du risque annuel de sécheresse soudaine sur les terres cultivées.

Selon le scénario moyen de la Division de la population des Nations Unies, la population mondiale devrait atteindre 9,7 milliards en 2050 et 10,4 milliards en 2100 par rapport à la population mondiale projetée de 8 milliards à la fin de 20221. La demande agricole associée devrait doubler de 2050, mettant à rude épreuve la sécurité alimentaire durable et équitable à l'échelle mondiale2,3,4. En outre, les augmentations prévues de la variabilité climatique dues au changement climatique mondial auront un impact sur l'expansion des terres cultivées et l'intensification agricole nécessaires pour répondre à la demande dans les décennies à venir5,6.

De tous les extrêmes météorologiques et climatiques, la sécheresse apportera probablement les défis les plus complexes aux systèmes alimentaires et à la productivité agricole au cours du prochain siècle7,8,9. Les sécheresses de divers types (par exemple, météorologiques, agricoles, hydrologiques) devraient augmenter en fréquence, en gravité et en étendue spatiale dans de nombreuses régions du globe10,11,12,13. Alors que les changements dans la fréquence des sécheresses dans certains endroits sont compliqués en raison des incertitudes concernant les précipitations10,14,15 (par exemple, la région de la mousson en Asie du Sud-Est), un risque élevé de sécheresse est le plus souvent attendu en Amérique centrale, en Europe et en Amazonie10,11, 16.

La sécheresse éclair présente un défi unique dans le domaine de la sécheresse. Compte tenu de leur développement rapide, les stratégies d'atténuation de la sécheresse sont difficiles à mettre en œuvre pendant la sécheresse soudaine, car ces événements se développent souvent avec un avertissement limité, tout en entraînant des impacts de grande envergure sur la surface terrestre17. Un exemple notable est la sécheresse éclair qui s'est produite dans l'ouest de la Russie au cours de l'été 2010. L'événement a entraîné une dessiccation rapide de la surface terrestre qui a favorisé le développement d'une vague de chaleur, entraînant une mortalité élevée et 11 000 décès supplémentaires18. De plus, les conditions de sécheresse éclair ont contribué au développement des incendies de forêt qui ont entraîné une grave pollution de l'air et le déplacement de milliers de personnes19,20. Cependant, les impacts de la sécheresse éclair ne se sont pas limités aux échelles locales. Le moment de la sécheresse éclair de 2010 s'est produit au cours d'une phase de croissance sensible pour les cultures de blé d'hiver et de printemps et a entraîné une baisse des rendements de blé jusqu'à 70 % dans les principaux oblasts producteurs de blé en Russie21. En conséquence, le gouvernement russe a interdit l'exportation de blé en août 2010 et les prix du blé ont augmenté à l'échelle mondiale21,22.

En raison de la demande toujours croissante de produits agricoles et du risque accru pour la sécurité alimentaire mondiale au cours du XXIe siècle, cette étude aborde deux questions essentielles axées sur la sécheresse éclair : Quelles sont les tendances projetées de la fréquence des sécheresses éclair à travers le monde dans un climat en réchauffement , et comment le risque agricole de sécheresse éclair change-t-il à l'avenir ? Ces questions sont abordées en identifiant les sécheresses éclair à l'aide de six modèles de la phase 6 du projet d'intercomparaison de modèles couplés (CMIP623). Les simulations historiques capturent la période s'étendant de 1850 à 2014, tandis que trois scénarios sont utilisés pour projeter le développement de la sécheresse éclair selon différentes voies socio-économiques et différents niveaux de forçage radiatif pour les années 2015 à 2100. Les résultats identifient les caractéristiques de la sécheresse éclair dans un climat en réchauffement et les régions les plus sensibles aux impacts de ces événements.

Pour quantifier le développement de la sécheresse éclair, l'évapotranspiration (ET), l'évapotranspiration potentielle (PET) et l'humidité du sol ont été utilisées à partir de six modèles CMIP6 (tableau supplémentaire 1) sur des échelles temporelles quotidiennes pour les expériences historiques SSP126, SSP245 et SSP585. L'ET et la PET ont été utilisées pour dériver le rapport de contrainte d'évaporation standardisé24 (SESR) et quantifier le taux d'intensification vers la sécheresse (la composante "éclair" de la sécheresse éclair). L'humidité du sol a été utilisée pour définir les seuils d'humidité dans le développement de la sécheresse éclair (la composante « sécheresse » de la sécheresse éclair). Le SESR et l'humidité du sol sont sensibles aux changements rapides des conditions environnementales vers la sécheresse éclair18,24,25,26,27,28, fournissent une alerte précoce pour le développement de la sécheresse24,26,29, correspondent aux impacts de la sécheresse indiqués par le United States Drought Monitor24,25, 26,30 (USDM), et ont été utilisés pour quantifier le développement de la sécheresse éclair à des échelles spatiales allant du local au mondial31,32,33,34,35,36.

Nous avons d'abord examiné les expériences historiques des modèles CMIP6 pour déterminer avec quelle précision les modèles capturaient les caractéristiques climatologiques de la sécheresse éclair au cours de la période allant de 1980 à 2014. Quatre ensembles de données de réanalyse (MERRA, MERRA-2, ERA Interim et ERA5) ont été utilisés pour évaluer les performances des modèles CMIP6. La fréquence de la sécheresse éclair CMIP6 dans la plupart des endroits du monde se situe à moins de \(\pm\)5 % de l'occurrence de la sécheresse éclair basée sur la réanalyse pour la période allant de 1980 à 2014, tandis que seuls quelques endroits présentent une fréquence de sécheresse éclair moyenne multimodèle significativement différente (p < 0,1) que la moyenne des réanalyses multiples (par exemple, le sud-est des États-Unis et l'Europe de l'Est ; Fig. 1 supplémentaire). Dans l'ensemble, la fréquence des sécheresses éclair est légèrement sous-estimée dans les modèles CMIP6 aux latitudes basses à moyennes (0 à 40 °) et légèrement surestimée aux latitudes élevées (vers le pôle de 40 ° N) dans l'hémisphère nord par rapport aux résultats des jeux de données de réanalyse.

Dans les points chauds mondiaux d'occurrence de sécheresse éclair (c'est-à-dire 15 régions d'étude sélectionnées avec une fréquence de sécheresse éclair> 30% entre 1980 et 2014; Fig. 2 supplémentaire), la moyenne multimodèle CMIP6 capture le cycle saisonnier d'occurrence de sécheresse éclair représenté par une nouvelle analyse à travers une variété de types de climat (Fig. 3 supplémentaire). Un accord statistiquement significatif (p < 0,1) existe dans les régions d'étude avec des exceptions dans la péninsule ibérique, l'est de l'Amazonie et la péninsule indochinoise. Dans l'ensemble, avec quelques mises en garde régionales, la comparaison historique donne l'assurance que le composite des modèles CMIP6 a une compétence représentant le développement de la sécheresse éclair dans les scénarios futurs.

Vers la fin du XXIe siècle (2066-2100), la fréquence des sécheresses éclair devrait augmenter à l'échelle mondiale dans les trois scénarios climatiques futurs étudiés (Fig. 1). Le scénario SSP126 montre la plus faible augmentation (6,0%), suivi par SSP585 (8,2%), puis SSP245 (9,5%). Au niveau régional, les augmentations prévues les plus importantes de l'occurrence des sécheresses éclair se situent en Europe et en Amazonie. Des changements dissemblables dans la fréquence des sécheresses éclair entre les différents scénarios sont également évidents en Afrique centrale près du Sahel, en Inde et dans le nord de l'Australie. L'occurrence de la sécheresse éclair devrait rester inchangée ou augmenter légèrement dans ces régions pour SSP126 et SSP245, mais diminuer dans SSP585.

a–c La variation moyenne multimodèle de la fréquence des sécheresses éclair entre les futurs scénarios de changement climatique (2066–2100) et la période historique (1980–2014). Les futurs scénarios de changement climatique incluent a SSP126, b SSP245 et c SSP585. L'accord unanime sur le signe du changement parmi les modèles est pointillé en noir. Les régions ombrées en gris sont des zones masquées qui sont soit trop arides soit trop froides pour le développement d'une sécheresse éclair.

Les points chauds régionaux en cas de sécheresse éclair (voir Fig. 2 supplémentaire) révèlent des modèles uniques de risque de sécheresse éclair au fil du temps (Fig. 2). Entre le milieu du XIXe siècle et le début du XXIe siècle, 11 des 15 régions étudiées avaient une tendance neutre au fil du temps (c'est-à-dire < 5 % de changement), 7 régions n'ayant ni une augmentation ni une diminution statistiquement significative (p < 0,1). tendance à la sécheresse éclair (Fig. 4 supplémentaire). Cependant, les projections futures de l'occurrence de la sécheresse éclair montrent une fréquence accrue dans la plupart des régions et des scénarios SSP (12 des 15 régions dans SSP126, 13 dans SSP245 et 10 dans SSP585), avec des tendances à la hausse statistiquement significatives (p < 0,1) de la sécheresse éclair sur 6 ans. des régions d'étude dans SSP126, 10 dans SSP245 et 7 dans SSP585. Plus précisément, les scénarios SSP585 et SSP245 montrent souvent une fréquence de sécheresse éclair élevée par rapport à SSP126 dans les régions où la fréquence de sécheresse éclair augmente au cours du XXIe siècle (par exemple, la péninsule ibérique, l'Europe de l'Est, l'ouest de la Russie, l'est de l'Amazonie et l'Asie Mineure). En revanche, des tendances divergentes existent dans les différents scénarios dans le nord-est de la Chine, l'Inde, la vallée du Grand Rift et le nord de l'Australie. Dans ces régions, SSP585 montre une tendance à la baisse de la fréquence des sécheresses éclair, tandis que SSP126 montre une augmentation de l'occurrence des sécheresses éclair d'ici la fin du XXIe siècle. En outre, la fréquence des sécheresses éclair augmente de manière monotone au Sahel dans les scénarios SSP126 et SSP245, tandis que la tendance dans le scénario SSP585 diminue au début du XXIe siècle, avant de s'inverser au milieu du XXIe siècle.

La couverture annuelle moyenne de sécheresse éclair multimodèle dans chaque domaine d'étude pour les modèles historiques (noir), SSP126 (bleu), SSP245 (orange) et SSP585 (rouge). Une moyenne mobile centrée sur 30 ans est appliquée à chaque série chronologique. Les régions ombrées indiquent la variabilité (±1σ) parmi les moyennes mobiles centrées sur 30 ans entre les six modèles pour les scénarios historiques et futurs correspondants.

La baisse de la production agricole est l'un des principaux impacts de la sécheresse éclair21,29,37,38. En tant que tel, il est essentiel de comprendre comment le risque de sécheresse soudaine pour les terres cultivées évolue selon différents scénarios climatiques. Globalement, les modèles indiquent que le pourcentage de la superficie des terres cultivées ayant subi une sécheresse soudaine au cours de la période historique (1850-2014) a soit diminué (Afrique et Asie) soit est resté relativement stationnaire au fil du temps (Australie, Amérique du Nord, Amérique du Sud et Europe ; Fig. 3). En revanche, les projections futures montrent des augmentations de la superficie des terres cultivées affectées par la sécheresse éclair sur tous les continents dans tous les scénarios (Fig. 3). Les augmentations les plus importantes entre 2015 et 2100 (valeurs tirées de la moyenne mobile sur 30 ans) sont projetées en Amérique du Nord (32 à 49 %) et en Europe (32 à 53 %) dans le scénario SSP585, avec des augmentations notables également en Afrique (35 –47%), Asie (28–38%) et Amérique du Sud (37–50%).

La moyenne multimodèle du pourcentage annuel de terres cultivées subissant une sécheresse soudaine sur des continents entiers pour les scénarios historiques (noir), SSP126 (bleu), SSP245 (orange) et SSP585 (rouge). Une moyenne mobile centrée sur 30 ans est appliquée à chaque série chronologique. Les régions ombrées indiquent la variabilité (±1σ) parmi les moyennes mobiles centrées sur 30 ans entre les six modèles pour les scénarios historiques et futurs correspondants.

Des changements plus complexes dans l'occurrence de la sécheresse éclair sur les terres cultivées existent également, avec SSP126 montrant le risque le plus élevé pour les terres cultivées en Australie et SSP245 projetant le risque le plus faible (et le changement minimal pour) les terres cultivées. Certains continents montrent également des preuves d'un « point de basculement » pour le risque de sécheresse éclair (c'est-à-dire une forte augmentation du risque de sécheresse éclair pour les terres cultivées entre les scénarios). Les exemples incluent l'Afrique et l'Amérique du Nord, où les scénarios SSP126 et SSP245 prévoient généralement le même risque pour les terres cultivées d'ici 2100, mais SSP585 montre une augmentation notable du risque de sécheresse éclair pour les terres cultivées.

La sécheresse éclair crée des défis complexes pour l'atténuation de la sécheresse et l'alerte précoce en raison de leur intensification rapide des conditions de sécheresse. En raison de l'intensification rapide de la sécheresse, le délai avant les impacts (par exemple, la perte de rendement agricole, les incendies de forêt, les vagues de chaleur) est considérablement réduit par rapport à la sécheresse conventionnelle à développement plus lent17. L'augmentation du risque de sécheresse soudaine dans un climat en réchauffement amplifie encore la fréquence de ces impacts et est particulièrement préjudiciable dans les zones où la perte rapide de rendement agricole peut entraîner la déstabilisation des économies régionales21.

Compte tenu de la connaissance limitée du risque de sécheresse éclair dans un climat en réchauffement, cette étude met en évidence les projections mondiales de l'occurrence de la sécheresse éclair sous différents scénarios de changement climatique dans six modèles CMIP6. En particulier, cette étude quantifie les tendances de la sécheresse éclair dans les régions mondiales sensibles de l'occurrence de la sécheresse éclair, ainsi que les changements dans les risques agricoles liés à la sécheresse éclair. Nous illustrons une augmentation générale de l'occurrence des sécheresses éclair dans le monde au cours du XXIe siècle, quel que soit le scénario futur, la fréquence des sécheresses éclair mondiales augmentant davantage avec des scénarios combinant une plus grande utilisation de combustibles fossiles et un forçage radiatif plus élevé (Fig. 1). En outre, 11 des 15 régions de points chauds à travers le monde ont montré une augmentation du risque de sécheresse soudaine parmi les trois scénarios de projection climatique entre 2014 et 2100 (Fig. 2). Enfin, les six continents devraient connaître un risque accru de sécheresse éclair sur les terres cultivées parmi tous les scénarios (Fig. 3). Des études antérieures sur les projections de sécheresse éclair dans des modèles climatiques dans des régions spécifiques concordent avec nos conclusions. Par exemple, une étude28 a montré un risque croissant de sécheresse éclair à la fin du XXIe siècle dans le sud-est de la Chine, similaire à celui illustré à la Fig. 1. En outre, une autre étude39 a révélé que les changements dans la fréquence des sécheresses éclair dans un climat en compliqué en raison des changements dans la variabilité intrasaisonnière des précipitations de mousson (Fig. 1). Les projections des caractéristiques des sécheresses éclair ont également montré que les sécheresses éclair devraient augmenter en durée et en gravité (ampleur de la sécheresse)40.

Les sécheresses éclair se développent en raison de la combinaison de déficits de précipitations et d'une demande d'évaporation accrue41. La façon dont ces deux variables fondamentales (précipitations et PET) évoluent dans un climat futur peut donner un aperçu du changement de la fréquence des sécheresses éclair associées à différents scénarios de changement climatique. À l'échelle mondiale, les quantités moyennes annuelles de précipitations devraient augmenter dans de nombreuses régions d'ici la fin du XXIe siècle (Fig. 5 supplémentaire). Les points chauds de sécheresse éclair avec les plus fortes augmentations de précipitations ont des changements minimes dans la fréquence des sécheresses éclair (par exemple, le nord-est de la Chine) ou même une diminution de la fréquence des sécheresses éclair (par exemple, le Sahel et l'Inde, plus évidents dans SSP585 ; Fig. 1 et Fig. 5 supplémentaire ). Cependant, certains points chauds tels que l'Amazonie, la péninsule ibérique et l'Asie Mineure présentent des diminutions notables des précipitations, en particulier dans les scénarios SSP245 et SSP585, et une augmentation associée de la fréquence des sécheresses éclair.

En plus des précipitations, l'augmentation du PET peut également contribuer à une fréquence plus élevée de sécheresse éclair. Même si les précipitations restent relativement stationnaires au fil du temps dans une région, des niveaux constamment plus élevés de demande d'évaporation entraîneront un appauvrissement plus rapide de l'humidité du sol et augmenteront la probabilité d'une sécheresse soudaine grâce à une ET accrue. La température, un moteur essentiel de la demande d'évaporation42, augmentera d'ici la fin du XXIe siècle à l'échelle mondiale, avec des changements plus importants liés à un forçage radiatif net plus important (Fig. 6 supplémentaire). Les températures devraient augmenter davantage dans les latitudes plus élevées (Fig. 6 supplémentaire). Une tendance similaire est observée pour la TEP, la plupart des régions à l'équateur de 30° connaissant des augmentations relativement plus faibles de la TEP à la fin du XXIe siècle (<5 %, <10 % et <20 % dans SSP126, SSP245, SSP585, respectivement) par rapport aux régions vers les pôles de 30 ° avec des augmentations relativement importantes de la demande d'évaporation (10–30%—SSP126, 15–40%—SSP245, 25–50%—SSP585; Fig. 7 supplémentaire). Dans l'ensemble, des anomalies PET plus élevées dans les scénarios de changement climatique futurs chevauchent les régions avec des augmentations attendues de la fréquence des sécheresses éclair (Fig. 1 et Fig. 7 supplémentaire). Cette relation est plus évidente en Europe et dans les latitudes plus élevées en Amérique du Nord, où un gradient méridien d'augmentation du PET s'aligne sur un gradient d'augmentation de la fréquence des sécheresses éclair. De plus, les régions avec des augmentations minimes de la PET connaissent soit un changement négligeable, soit une petite diminution de la fréquence des sécheresses éclair, par rapport à la période historique (par exemple, le Sahel et l'Inde).

Parmi les principaux moteurs de la sécheresse éclair (un manque de précipitations et une demande d'évaporation accrue), il est important de quantifier leurs contributions relatives aux changements de la fréquence des sécheresses éclair dans les scénarios climatiques futurs. Dans les 14 régions du hotspot où les trois scénarios (SSP126, SSP245 et SSP585) montrent une augmentation de la fréquence des sécheresses éclair entre la période historique (1980-2014) et la fin du XXIe siècle (2066-2100 ; toutes les régions d'étude sauf l'Inde ), 13 régions devraient avoir un changement en pourcentage positif plus important dans le PET qu'un changement négatif dans les précipitations, tandis qu'une région présente un changement en pourcentage négatif plus important dans les précipitations qu'un changement positif dans le PET (Amazonie orientale ; Fig. 4). Dans le contexte des modèles historiques et des ensembles de données de réanalyse au cours de la période de développement de la sécheresse éclair, les précipitations se sont généralement avérées être le principal moteur de la sécheresse éclair, tandis que la demande d'évaporation est un important contributeur secondaire31,43. Cependant, dans le contexte du changement climatique, les augmentations de la demande d'évaporation au cours du prochain siècle devraient être plus importantes et, en tant que telles, sont probablement plus importantes pour un risque accru de développement de sécheresse éclair, par rapport à la diminution des précipitations. Alors que les changements dans l'humidité du sol dans les projections sont minimes par rapport aux changements dans les précipitations et la demande d'évaporation, 9 des 15 régions étudiées ont un léger assèchement (moyenne des scénarios entre −0,2 et −6,5 %) de l'humidité du sol à la fin des vingt- premier siècle (Fig. 4). Le coefficient de détermination indique également que la variance expliquée des changements de fréquence de sécheresse éclair à partir des changements de PET (67, 4%) est supérieure à la variance expliquée des changements de fréquence de sécheresse éclair à partir des changements de précipitations (52, 9%; Fig. 4). Cependant, il est important de noter que la relation la plus forte et la variance expliquée la plus élevée des changements dans la fréquence des sécheresses éclair sont avec le changement total combiné des précipitations et du PET (Fig. 4), renforçant le point critique selon lequel le risque de sécheresse éclair est le plus élevé. avec la combinaison d'une réduction des précipitations et d'une augmentation du PET24,41.

a La variation de la médiane multimodèle entre les scénarios futurs (SSP126—bleu, SSP245—orange et SSP585—rouge pour les années 2066-2100) et la période historique (1980-2014) pour la fréquence des sécheresses éclair (FD), les précipitations ( P), l'évapotranspiration potentielle (PET) et l'humidité du sol dans la zone racinaire (RZSM) dans chaque domaine d'étude. b Comparaison du changement total des précipitations et du PET (-P + PET), c du changement des précipitations et d du changement de l'évapotranspiration potentielle par rapport au changement de la fréquence des sécheresses éclair entre la moyenne des scénarios futurs (2066-2100) et la période historique ( 1980-2014).

Un aspect critique de la sécheresse éclair est le taux d'intensification de la sécheresse. Cette caractéristique déterminante de la sécheresse éclair (par rapport au développement plus lent de la sécheresse conventionnelle) réduit considérablement le temps de développement vers des impacts à grande échelle, notamment les pertes agricoles, le stress de l'écosystème, le développement des incendies de forêt et la réduction des ressources en eau37,41,44,45. Ces impacts pourraient être encore exacerbés à l'avenir si les taux d'intensification de la sécheresse soudaine augmentent avec le temps. Dans tous les scénarios de changement climatique, le taux d'intensification de la sécheresse éclair devrait augmenter à l'échelle mondiale, les augmentations les plus importantes étant observées dans la SSP585 (32,1 % ; Fig. 8 supplémentaire) et plus particulièrement dans le nord de l'Amérique du Sud, le Sahel et certaines parties de l'Inde (> 70 % ).

Plusieurs facteurs favorisent une intensification plus rapide de la sécheresse, tels que des niveaux plus élevés de demande d'évaporation et des différences de type de couverture terrestre18,44,46,47. À l'échelle mondiale, la TEP devrait augmenter au cours du XXIe siècle et est probablement le moteur le plus important de l'augmentation mondiale globale des taux d'intensification des sécheresses éclair (Figs. 7 et 8 supplémentaires). Cependant, les variations locales des taux d'intensification sont dues à d'autres facteurs. Par exemple, les maxima mondiaux du taux d'intensification dans le nord de l'Amérique du Sud, en particulier dans la région amazonienne, sont également alignés dans l'espace avec de fortes diminutions du couvert forestier primaire (Fig. 9 supplémentaire). La conversion des terres boisées de l'Amazonie de forêts en terres cultivées et en pâturages modifie le climat en prolongeant les périodes sèches48,49. La déforestation entraîne une diminution de l'ET, car moins de végétation est présente pour subir la photosynthèse, et une diminution des précipitations sur les régions déboisées, car les changements dans les bilans énergétiques et hydriques créent des conditions plus sèches dans l'ensemble50,51. Parce que les forêts sont plus résistantes au développement de la sécheresse éclair que les prairies et les terres agricoles18,44,47, la déforestation accélérée dans des voies socio-économiques plus agressives exacerbe l'augmentation du taux d'intensification de la sécheresse éclair.

Dans le cadre des futurs changements climatiques, non seulement les terres cultivées seront plus exposées au risque de sécheresse52, mais elles seront également plus sensibles à une fréquence plus élevée de sécheresse éclair (Fig. 3). Au XXIe siècle, une expansion et une intensification considérables des terres cultivées sont attendues quelle que soit la trajectoire socio-économique, en particulier en Afrique et en Amérique du Sud (Fig. 10 supplémentaire). Ainsi, la superficie totale des terres cultivées qui devrait subir une sécheresse soudaine augmentera également tout au long de la période à venir. Cependant, le pourcentage relatif de terres agricoles qui sont touchées par l'intensification rapide de la sécheresse augmente également en raison des projections d'une fréquence plus élevée d'occurrence de sécheresse éclair (Figs. 2 et 3). Pour cette raison, même si l'expansion des terres cultivées se poursuit dans les décennies à venir pour tenir compte de la demande croissante en agriculture, les défis pour répondre à la demande alimentaire mondiale seront encore exacerbés par le risque croissant de développement des terres cultivées par une sécheresse soudaine.

Les projections du risque agricole soulignent également l'importance même des scénarios dits modérés (tels que SSP245) par rapport aux scénarios plus agressifs (c'est-à-dire SSP585) du changement climatique futur. Dans le scénario SSP585, tous les continents, à l'exception de l'Australie, connaissent la plus forte augmentation du risque agricole de sécheresse soudaine par rapport aux scénarios SSP126 et SSP245 (Fig. 3). Cependant, l'Amérique du Nord, l'Afrique et, dans une certaine mesure, l'Amérique du Sud affichent une augmentation spectaculaire des terres cultivées connaissant une sécheresse éclair sur une base annuelle si le scénario SSP585 est suivi, tandis que SSP126 et SSP245 restent relativement similaires et le risque de sécheresse éclair est considérablement réduit.

À mesure que la population mondiale augmente et que la demande agricole augmente, les changements dans la fréquence des sécheresses soudaines mettront encore plus à rude épreuve la sécurité alimentaire à l'avenir. En effet, la sécheresse éclair crée des défis supplémentaires en réduisant l'accès à nos besoins fondamentaux en nourriture et en eau à des échelles de temps beaucoup plus rapides que la sécheresse conventionnelle à développement plus lent. Cette étude révèle que les régions agricoles du monde entier peuvent être les plus sensibles à des sécheresses éclair plus fréquentes et plus intenses dans un climat changeant et sont donc les plus exposées aux impacts de la sécheresse éclair sur la production agricole. À l'avenir, des recherches futures sont nécessaires pour explorer les facteurs atmosphériques et océaniques dépendant de la région du développement de la sécheresse éclair dans un climat futur (téléconnexions, modèles d'ondes atmosphériques de niveau supérieur, etc.). En outre, les impacts à l'échelle locale et les stratégies d'atténuation de la sécheresse éclair nécessitent une enquête supplémentaire basée sur les changements prévus dans l'occurrence de la sécheresse éclair dans le contexte du réchauffement climatique.

Les données d'utilisation des sols sont issues du projet Land-Use Harmonization (LUH2 v2f)53. LUH2 fournit des états d'utilisation des terres pour la période historique (1850–2014) et future (2015–2100) dans les modèles CMIP6 à des échelles annuelles avec une résolution spatiale de 0,25°. Les scénarios d'utilisation des terres SSP historiques et futurs54 (SSP126, SSP245 et SSP585) ont été utilisés pour l'analyse en conjonction avec les expériences CMIP6 correspondantes. Il est important de noter que bien que les modèles CMIP6 utilisent le même ensemble de données d'utilisation et d'occupation des terres (LULC) (LUH2 v2f), une incertitude dans la classification des différentes catégories LULC peut exister. Ces incertitudes peuvent avoir un impact sur les émissions de CO2 et le cycle mondial du carbone55, et les modèles du système terrestre peuvent être sensibles aux changements de LULC56,57. Certains types de LULC peuvent être plus sensibles ou résilients au développement d'une sécheresse soudaine (par exemple, forêts vs prairies vs terres cultivées)18,44. Cependant, la plupart des régions du monde devraient connaître une augmentation de la fréquence des sécheresses éclair sur un large éventail de types de LULC (Fig. 1). Ainsi, toute incertitude concernant les LULC dans les projections futures peut avoir un impact sur l'ampleur des changements dans la fréquence des sécheresses éclair, mais la tendance générale de l'occurrence des sécheresses éclair restera la même.

La sécheresse éclair historique a été quantifiée à l'aide de quatre ensembles de données de réanalyse mondiale : MERRA58, MERRA-259, ERA-Interim60 et ERA561. Plusieurs études ont montré que ces ensembles de données de réanalyse sont capables de saisir efficacement la sécheresse éclair d'un point de vue climatologique et d'une analyse d'études de cas18,24,25,31,33,46,62,63,64. Les modèles CMIP623 ont été utilisés dans cette étude pour la modélisation historique et la projection future de la sécheresse éclair, avec des détails sur chaque modèle fournis dans le tableau supplémentaire 1. Les modèles ont été sélectionnés à partir de l'expérience CMIP6 en fonction de la disponibilité des variables nécessaires à l'analyse de la sécheresse éclair (ET, PET et humidité du sol) sur des échelles de temps quotidiennes et des scénarios utilisés dans l'analyse (historique, SSP126, SSP245, SSP585). Compte tenu de ces exigences, six modèles ont fourni les données nécessaires à cette étude (IPSL-CM6A-LR, MPI-ESM1-2-HR, MPI-ESM1-2-LR, MRI-ESM2-0, NorESM2-LM et NorESM2-MM ; Tableau supplémentaire 1).

L'ET quotidienne, la PET et l'humidité du sol près de la surface ont été obtenues à partir des quatre ensembles de données de réanalyse mondiale entre 1980 et 2014, entre 1850 et 2014 pour les modèles historiques et entre 2015 et 2100 pour les scénarios futurs. La TEP quotidienne a été dérivée de chaque ensemble de données à l'aide de l'équation Penman-Monteith de l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture65. Il est important de noter que le PET calculé via l'équation de Penman-Monteith (et d'autres formulations courantes de PET) ne tient pas compte du rôle de l'augmentation de la concentration de CO2 dans le réchauffement climatique et peut conduire à une surestimation du séchage dans les variables qui intègrent le PET66. Malgré cette limitation, cette étude se concentre sur la sécheresse éclair et le taux d'intensification de la sécheresse, et non sur l'ampleur globale de l'assèchement. Dans les modèles CMIP6, la vitesse du vent est fournie à 10 m. Cependant, la vitesse du vent à 2 m a été approximée à partir de la vitesse du vent à 10 mètres en utilisant la méthode de la réf. 67 à incorporer dans l'équation pour la TEP. Les valeurs quotidiennes du rapport de stress évaporatif (ESR) ont été calculées en prenant le rapport entre l'ET quotidien et le PET. Les valeurs moyennes des pentades de l'ESR et de l'humidité du sol ont été calculées et l'ESR a été standardisée à chaque point de la grille pour calculer l'ESR standardisée (SESR). Le SESR est donné par :

où \({{{{{{\rm{SESR}}}}}}}}_{{ijp}}\) (appelé SESR) est le score z de l'ESR à un point de grille spécifique (i, j) pour une pentade spécifique p, \(\overline{{{{{{{\rm{ESR}}}}}}}}\) est l'ESR moyenne à un point de grille spécifique (i, j) pour un pentade p pour les années entre 1980 et 2014, et \({\sigma }_{{{{{{{\rm{ESR}}}}}}}}\) est l'écart type de l'ESR à un point de grille spécifique (i, j) pour une pentade spécifique p pour les années entre 1980 et 2014.

Pour tenir compte de la variabilité pentade à pentade du SESR, le filtre Savitzky–Golay68 a été utilisé pour lisser la série chronologique du SESR à chaque point de la grille tout en préservant les moments les plus élevés dans les données32. Suivant les indications des applications aux observations de télédétection69, d = 4 a été utilisé pour le degré de polynôme, et m = 10 a été utilisé comme demi-largeur de la fenêtre de lissage (longueur de fenêtre complète de 21 pentades). Le filtre Savitzky–Golay avec le même degré de polynôme et de longueur de fenêtre a également été appliqué à l'humidité du sol à chaque point de la grille.

Suite au calcul de SESR et du filtre Savitzky – Golay, le changement temporel de SESR a été calculé et standardisé comme suit :

où \({({\Delta {{{{{{\rm{SESR}}}}}}}_{{ijp}})}_{z}\) (appelé ΔSESR) est le z- score du changement de SESR d'une pentade à une autre pentade à un point de grille spécifique (i, j) pour une pentade spécifique p, \(\overline{\Delta {{{{{{\rm{SESR}}}}} }}}\) est la variation moyenne des valeurs SESR à un point de grille spécifique (i, j) pour une pentade spécifique p pour les années 1980-2014, et \({\sigma }_{\Delta {{{{ {{\rm{SESR}}}}}}}\) est l'écart type des changements SESR à un point de grille spécifique (i, j) pour une pentade p spécifique pour les années entre 1980 et 2014.

La sécheresse éclair est caractérisée par l'intensification rapide des conditions de sécheresse24,41. Dans cette étude, les épisodes de sécheresse éclair ont été identifiés à l'aide d'un cadre modifié à partir d'une méthodologie d'identification précédemment établie24. La méthodologie utilisée dans cette étude utilise trois critères, dont deux se concentrent sur les impacts de la sécheresse et un met l'accent sur l'intensification rapide de la sécheresse32. Ces critères sont :

ΔSESR doit être égal ou inférieur au 25e centile des valeurs ΔSESR.

Une longueur minimale de cinq changements de pentade dans SESR, équivalant à une longueur de six pentades (30 jours).

Une valeur finale d'humidité du sol inférieure au 20e centile des valeurs d'humidité du sol.

Les centiles pour le critère 1 ont été tirés de la distribution de ΔSESR et les centiles pour le critère 3 ont été tirés de la distribution de l'humidité du sol à chaque point de grille et des pentades spécifiques pour les années entre 1980 et 2014 dans l'ensemble de données. Des percentiles ont été tirés de la distribution de ΔSESR et de l'humidité du sol entre 1980–2014 afin d'avoir la même fenêtre temporelle d'analyse entre les jeux de données de réanalyse et les modèles historiques et de maintenir un cadre de référence cohérent pour toute la durée des modèles climatiques (1850– 2100). Les critères 2 et 3 sont utilisés pour saisir les impacts sur la surface terrestre associés au développement d'une sécheresse éclair. Le deuxième critère est utilisé pour faire la distinction entre les périodes de sécheresse à court terme et les événements où l'intensification rapide de la sécheresse entraîne un impact de la sécheresse. Le seuil du 20e centile associé au troisième critère satisfait la composante sécheresse de la sécheresse éclair41.

Des sécheresses éclair ont été identifiées entre mars et octobre dans les latitudes de l'hémisphère nord supérieures à 30°N et entre septembre et avril dans les latitudes de l'hémisphère sud au pôle de 30°S. Cela est dû aux limitations de la demande d'évaporation pendant la saison fraîche, de sorte que l'intensification rapide de la sécheresse est fortement limitée24. Des sécheresses éclair ont été identifiées tout au long de l'année aux latitudes équatoriales (entre 30°S et 30°N) car des niveaux élevés de demande d'évaporation sont disponibles toute l'année.

Dans des études antérieures utilisant la méthodologie originale de sécheresse éclair SESR18,24,25,27,31,62,63,70,71,72,73,74, deux critères distincts mais complémentaires ont été utilisés pour identifier le taux rapide d'intensification vers la sécheresse ( c'est-à-dire la composante "éclair" de la sécheresse éclair). Les deux critères ont été utilisés pour tenir compte de la variabilité pentade à pentade du taux d'intensification de la sécheresse pendant la sécheresse éclair. Cependant, l'application du filtre de Savitzky-Golay sur la série chronologique SESR permet une simplification de ces critères, de sorte qu'un critère individuel (ΔSESR inférieur ou égal au 25e centile) peut être utilisé pour identifier l'intensification rapide de la sécheresse32.

De plus, l'humidité du sol a été utilisée pour déterminer si des conditions de sécheresse ont été atteintes pendant l'événement de sécheresse éclair. Dans le cadre original de la sécheresse éclair SESR, les valeurs SESR inférieures au 20e centile ont été utilisées pour vérifier que les conditions de sécheresse ont été atteintes pendant la sécheresse éclair24. Cependant, étant donné les échelles de temps de plusieurs siècles examinées dans cette étude et les changements complexes du SESR sur de longues périodes en raison des changements de température, des précipitations, du déficit de pression de vapeur et de plusieurs autres variables thermiques, d'humidité et de flux radiatif, l'humidité du sol a été utilisée. à la place de SESR dans le critère 3.

Des résultats fiables et robustes pour les projections climatiques de la sécheresse éclair peuvent être particulièrement difficiles, étant donné que l'identification des événements de sécheresse éclair est sensible aux ensembles de données, aux variables et à la méthodologie d'identification utilisée dans l'analyse27,63. Cette étude s'est appuyée sur plusieurs approches pour accroître la fiabilité et la robustesse des résultats présentés ici. Premièrement, cette étude utilise une approche d'ensemble multi-ensembles de données, multi-modèles pour l'identification de la sécheresse éclair. Ainsi, alors que les résultats d'un ensemble de données individuel peuvent varier d'autres ensembles de données, des signaux plus robustes peuvent être capturés à partir de la moyenne de plusieurs ensembles de données31,43. Dans cette étude, six modèles CMIP6 ont été utilisés pour contribuer à la moyenne multimodèle, et les caractéristiques climatologiques de la sécheresse éclair à partir de la moyenne du modèle historique se sont révélées similaires aux résultats moyens de quatre ensembles de données de réanalyse (Figs. 1 et 3 supplémentaires). ).

Deuxièmement, une approche multivariée pour l'identification de la sécheresse éclair17,32,63 a été utilisée pour augmenter la robustesse des résultats et minimiser la variabilité créée en utilisant des approches à variable unique pour la détection de la sécheresse éclair. Les mesures basées sur l'ET et l'humidité du sol sont les deux indicateurs les plus couramment utilisés pour définir la sécheresse éclair75 et alors que la plupart des études utilisent l'une de ces mesures pour identifier la sécheresse éclair, cette étude combine l'utilité du stress évaporatif et de l'humidité du sol pour identifier la composante "éclair". (via le stress d'évaporation) et la composante "sécheresse" (via l'humidité du sol) de l'intensification rapide de la sécheresse. De plus, le stress évaporatif est multivariable en soi, car il représente le rapport entre l'humidité disponible à la surface du sol et la demande atmosphérique24,76,77,78.

Enfin, l'identification de la sécheresse éclair doit identifier les événements de sécheresse éclair connus et notables et correspondre aux impacts de la sécheresse indiqués par d'autres paramètres de sécheresse. Cette étude a utilisé une version modifiée de Christian et al. (2019, 2022)24,32 approche d'identification qui, en conjonction avec le SESR, a capturé l'évolution spatiale et temporelle des événements majeurs de sécheresse éclair (par exemple, le centre des États-Unis en 2012 et le sud-ouest de la Russie en 201018,25, se compare favorablement aux États-Unis States Drought Monitor24,25 (USDM), et correspond à la dessiccation de la surface terrestre détectée par télédétection par satellite18,24,32. L'étude est illustrée à la Fig. 11 supplémentaire.

Des événements de sécheresse éclair ont été identifiés dans chaque ensemble de données et modèle de réanalyse. Une année particulière était qualifiée d '«année de sécheresse éclair» si au moins une sécheresse éclair se produisait. Par la suite, les ensembles de données ont été moyennés pour chaque segment de l'analyse, de sorte que les observations historiques via les quatre ensembles de données de réanalyse ont été moyennées ensemble, les six modèles CMIP6 historiques ont été moyennés ensemble et les projections futures des six modèles CMIP6 ont été moyennées pour chaque scénario (SSP126, SSP245 et SSP585). Étant donné que les ensembles de données de réanalyse et CMIP6 ont des résolutions spatiales différentes, des cartes spatiales composites ont été produites en (1) interpolant bilinéairement chaque ensemble de données sur une nouvelle grille avec une résolution spatiale de 0,5° × 0,5°, et (2) et en calculant la moyenne entre les nouveaux ensembles de données maillées interpolées.

Pour les séries chronologiques, tous les points de la grille qui ont subi une sécheresse éclair pour une année donnée ont été accumulés puis convertis en pourcentage, représentant la couverture spatiale de la sécheresse éclair par rapport à l'ensemble du domaine. Ce pourcentage annuel a ensuite été moyenné entre les ensembles de données appropriés pour produire chaque série chronologique.

Les points de grille pour les emplacements trop arides ou trop froids ont été masqués sur chaque carte spatiale. Les emplacements arides ont été déterminés en calculant l'indice d'aridité comme suit :

où P est la précipitation annuelle moyenne et PET est l'ET potentiel annuel moyen de l'ensemble de données MERRA-2 entre les années 1980 et 2014. Plus précisément, les points de grille ont été masqués là où l'indice d'aridité annuel moyen était inférieur à 0,2 (emplacements arides et hyper-arides ) ou lorsque la TEP quotidienne moyenne était < 1 mm/jour pendant la saison de croissance pour l'hémisphère nord (de mars à octobre) et l'hémisphère sud (de septembre à avril). Le seuil d'aridité a été utilisé pour mettre l'accent sur le développement rapide de la sécheresse dans les régions qui peuvent passer de conditions environnementales plus humides à des conditions plus sèches et sont plus susceptibles de subir les effets végétatifs, agricoles ou environnementaux de la sécheresse éclair. De plus, le seuil PET exige que les régions aient une demande d'évaporation suffisante tout au long de la saison de croissance pour permettre des taux d'ET plus élevés, un épuisement suffisant de l'humidité du sol et un stress d'évaporation accru pour créer un développement rapide de la sécheresse.

Dans cette étude, une approche de moyenne d'ensemble avec les modèles CMIP6 a été utilisée au lieu d'une correction de biais individuelle de chaque modèle. Les méthodes de correction des biais peuvent améliorer les moyennes climatologiques pour une variable spécifique, mais peuvent également générer des biais supplémentaires, comme un biais accru dans la variabilité79. De plus, les techniques de correction des biais sont incapables de corriger les tendances climatiques futures80,81 et peuvent également conduire à des tendances non physiques dans les projections futures82. En raison de ces limitations, des comparaisons spatiales et temporelles des moyennes multimodèles entre les modèles CMIP6 et les ensembles de données de réanalyse ont été analysées (Figs. 1 et 3 supplémentaires). Dans l'ensemble, il a été constaté que l'approche de moyenne d'ensemble pour les modèles CMIP6 était capable de représenter les caractéristiques de la sécheresse éclair par rapport à la moyenne des ensembles de données de réanalyse pour la plupart des régions du monde (Figs. 1 et 3 supplémentaires).

Les variables et les variables dérivées utilisées dans cette étude de MERRA et MERRA-2 sont disponibles sur https://disc.gsfc.nasa.gov, de ERA-Interim sont disponibles sur https://apps.ecmwf.int/datasets/, et de l'ERA5 sont disponibles sur https://cds.climate.copernicus.eu. Les données CMIP6 sont disponibles sur https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/.

Le code utilisé pour cette étude est disponible sur https://doi.org/10.5281/zenodo.7796371.

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Ce travail a été financé par la subvention de la National Science Foundation OIA-1946093.

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Eric D. Hunt

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Xiangming Xiao

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JIC a conçu l'idée présentée. JIC, ERM, JBB et JCF ont organisé les grandes lignes et développé la méthodologie. JAO a développé la méthodologie. JIC a pris l'initiative d'écrire le manuscrit et a fourni des chiffres. JIC, ERM, JBB, JCF, JAO, LELL, EDH, VM et XX ont contribué à la rédaction de l'article.

Correspondance à Jordan I. Christian.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Communications Earth & Environment remercie les évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail. Rédacteurs en chef principaux : Leiyi Chen, Heike Langenberg. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

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Réimpressions et autorisations

Christian, JI, Martin, ER, Basara, JB et al. Les projections mondiales de sécheresse éclair montrent un risque accru dans un climat en réchauffement. Commun Terre Environ 4, 165 (2023). https://doi.org/10.1038/s43247-023-00826-1

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Reçu : 10 novembre 2022

Accepté : 26 avril 2023

Publié: 25 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s43247-023-00826-1

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