工业革命以来，人类排放的温室气体不断增加，改变了全球气候系统的能量收支平衡。沙漠是干旱半干旱区的重要地表类型，也是对气候变化响应最为敏感的地理单元之一，其升温速率比湿润地区高20–40%，并通过地表反照率变化、能量与水分交换以及沙尘过程，将陆面变化传递至大气和海洋系统，对区域乃至全球气候产生重要影响。在这种复杂的地表、大气与海洋相互作用下，沙漠的时空演变，成为理解全球干湿变化与气候系统响应的关键环节。
然而，目前对全球沙漠变化的认识仍存在诸多不确定性。受沙漠数据来源以及数据分辨率差异等因素影响，不同研究对全球沙漠面积的估算差异可达两倍；甚至对同一地区，不同研究也可能得出沙漠扩张与绿化趋势截然相反的结论。与此同时，沙漠是沙尘排放的主要源区，而多数气候模式将沙尘源区视为固定不变的区域，忽略了沙尘源区的时空演变。这一简化处理可能导致沙尘与气候反馈作用的定量评估产生偏差，进而影响对区域气候变化及其未来趋势的认识。针对上述问题，我院鹿化煜教授团队围绕近40年全球沙漠的演变特征、影响因素及其对沙尘排放的影响，开展了系统研究。
研究团队以1985–2024年Landsat系列卫星遥感影像为基础，综合利用地表光谱、植被、地形及纹理等多源特征，采用随机森林方法逐像元识别全球沙漠分布，获得了全球尺度1985–2024年高分辨率（30米）沙漠年度动态变化数据集。基于不同时期独立样本的验证结果显示，沙漠数据的用户精度达到88.22%。该数据集在近40年时间跨度上保持了30米空间分辨率和一致的判别标准，使不同区域、不同时段的沙漠变化能够在同一尺度上直接比较，为分析全球沙漠长期变化、评估沙尘源区演变提供了可靠的数据基础。
研究发现，1985–2024年全球沙漠面积总体呈下降趋势，下降速率为每年2.27万平方千米（图1）。这表明，在全球变暖背景下，全球沙漠并非呈现持续扩张的态势，而是总体趋于收缩。但这一收缩并非匀速推进，1985–1995年和2005–2009年为全球沙漠的扩张阶段，1995–2005年和2009–2024年则为收缩阶段；1988年和1992年出现沙漠面积的极大值，2012年和2017年则出现极小值。从空间上看，澳大利亚、东亚、中亚和非洲南部的沙漠面积变化与全球趋势高度一致，在很大程度上主导了全球沙漠的变化；北非、北美、南美和西亚等地区的沙漠面积则呈增长趋势。全球沙漠“总体收缩”的背后，实则是明显的“区域分化”，不同地区沙漠对环境变化的响应并不一致，仅依靠全球平均趋势难以反映沙漠变化的真实规律。
图1 1985–2024年全球及不同区域沙漠面积变化
进一步分析表明，沙漠面积的变化反映了水分供给、土壤湿度与大气需水量之间的平衡，即“有效水分可利用性”（图2）。有效水分可利用性的提高，可能通过促进植被恢复和地表稳定，推动沙漠面积收缩；反之，水分供给不足或大气蒸发增强，则可能加剧植被水分胁迫、限制植被恢复、增加地表裸露程度，导致沙漠扩张。总体来看，全球沙漠变化受气候因素与人类活动的共同影响。在全球尺度上，气候因素可能起主导作用；而在东亚等地区，人类活动的影响不可忽视。
图2 全球主要沙漠区面积变化及其与气候要素的关系
沙漠既是气候变化的响应者，也是沙尘排放的主要源区。为评估沙漠演变对沙尘过程的影响，研究团队将逐年的动态沙漠数据引入高分辨率区域大气化学模式WRF-Chem，通过敏感性试验检验沙尘源区变化对模式模拟性能的影响。结果表明，引入更新后的沙漠数据能够有效提高对沙尘排放过程的模拟精度。在此基础上，团队结合逐年更新的沙漠数据，对2005–2020年东亚春季沙尘排放开展了长时序模拟。结果显示，WRF-Chem能够较好地再现风速、降水等关键气象要素，合理模拟主要沙尘源区的空间分布、沙尘输送路径以及气溶胶光学厚度的时空变化，并能够捕捉极端沙尘事件和沙尘排放的年际变化特征。模拟结果还表明，2005–2020年东亚沙尘排放整体呈下降趋势，这可能与沙漠面积收缩及近地面风速减弱有关。
面向未来，研究团队基于CMIP6多模式输出的气温、降水、风速和叶面积指数等变量，结合随机森林、梯度提升和神经网络等机器学习方法，对SSP2-4.5和SSP5-8.5两种排放情景下未来全球沙漠变化进行了预估。结果显示，两种情景下全球沙漠面积均呈整体下降趋势，且高排放情景下的收缩幅度更大。综合考虑未来沙漠面积减少以及近地层风速变化相对有限的特征，研究推断未来全球沙尘排放量可能呈现下降趋势。
该研究揭示了全球沙漠过去40年的阶段性演变特征及其影响因素，并基于高分辨率沙漠动态数据集与区域气候模拟，明确了沙漠演变对沙尘排放的重要作用。研究构建的长期、高分辨率全球沙漠数据集，为评估沙尘源区变化、改进沙尘排放模拟以及开展区域生态环境研究提供了基础数据支持；相关结果也为理解全球干湿格局演变与沙尘—气候相互作用提供了新的数据约束，对改进气候模式参数化、提升未来气候变化预测能力以及干旱区生态环境管理具有重要的参考价值。
相关成果以“Global Desert Variations During 1985–2024 Associated With Effective Water Availability”为题，发表于学术期刊《Geophysical Research Letters》。论文第一作者为我院博士研究生吴会娟，通讯作者为我院鹿化煜教授。合作作者包括中国林业科学研究院的崔梦淳助理研究员、我院Marzieh Mokarram副教授(访问学者)和肖鹏峰教授。研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。论文作者入选2026年第一季度“Wiley China Excellent Author Program”（Wiley中国优秀作者计划），以表彰在科学创新方面做出的贡献。此前，研究团队在《中国科学 地球科学》和《科学通报》发表3篇论文，讨论沙漠变化与气候的互馈过程和机理。
论文链接：https://doi.org/10.1029/2025GL120826
https://doi.org/10.1360/SSTe-2024-0362
https://doi.org/10.1360/SSTe-2022-0128
https://doi.org/10.1360/TB-2021-1215