Evidence suggests that Western North America will be drier at the end of the 21st century than any period of the last 1000 years.

Global warming is expected to increase the frequency and intensity of droughts in the twenty-first century, but the relative contributions from changes in moisture supply (precipitation) versus evaporative demand (potential evapotranspiration; PET) have not been comprehensively assessed. Using output from a suite of general circulation model (GCM) simulations from phase 5 of the Coupled Model Intercomparison Project, projected twenty-first century drying and wetting trends are investigated using two offline indices of surface moisture balance: the Palmer Drought Severity Index (PDSI) and the Standardized Precipitation Evapotranspiration Index (SPEI). PDSI and SPEI projections using precipitation and Penman-Monteith based PET changes from the GCMs generally agree, showing robust cross-model drying in western North America, Central America, the Mediterranean, southern Africa, and the Amazon and robust wetting occurring in the Northern Hemisphere high latitudes and east Africa (PDSI only). The SPEI is more sensitive to PET changes than the PDSI, especially in arid regions such as the Sahara and Middle East. Regional drying and wetting patterns largely mirror the spatially heterogeneous response of precipitation in the models, although drying in the PDSI and SPEI calculations extends beyond the regions of reduced precipitation. This expansion of drying areas is attributed to globally widespread increases in PET, caused by increases in surface net radiation and the vapor pressure deficit. Increased PET not only intensifies drying in areas where precipitation is already reduced, it also drives areas into drought that would otherwise experience little drying or even wetting from precipitation trends alone. This PET amplification effect is largest in the Northern Hemisphere mid-latitudes, and is especially pronounced in western North America, Europe, and southeast China. Compared to PDSI projections using precipitation changes only, the projections incorporating both precipitation and PET changes increase the percentage of global land area projected to experience at least moderate drying (PDSI standard deviation of ≤−1) by the end of the twenty-first century from 12 to 30 %. PET induced moderate drying is even more severe in the SPEI projections (SPEI standard deviation of ≤−1; 11 to 44 %), although this is likely less meaningful because much of the PET induced drying in the SPEI occurs in the aforementioned arid regions. Integrated accounting of both the supply and demand sides of the surface moisture balance is therefore critical for characterizing the full range of projected drought risks tied to increasing greenhouse gases and associated warming of the climate system.

Severe and persistent 21st-century drought in southwestern North America (SWNA) motivates comparisons to medieval megadroughts and questions about the role of anthropogenic climate change. We use hydrological modeling and new 1200-year tree-ring reconstructions of summer soil moisture to demonstrate that the 2000-2018 SWNA drought was the second driest 19-year period since 800 CE, exceeded only by a late-1500s megadrought. The megadrought-like trajectory of 2000-2018 soil moisture was driven by natural variability superimposed on drying due to anthropogenic warming. Anthropogenic trends in temperature, relative humidity, and precipitation estimated from 31 climate models account for 47% (model interquartiles of 35 to 105%) of the 2000-2018 drought severity, pushing an otherwise moderate drought onto a trajectory comparable to the worst SWNA megadroughts since 800 CE.

Abstract There is strong evidence that climate change will increase drought risk and severity, but these conclusions depend on the regions, seasons, and drought metrics being considered. We analyze changes in drought across the hydrologic cycle (precipitation, soil moisture, and runoff) in projections from Phase Six of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP6). The multimodel ensemble shows robust drying in the mean state across many regions and metrics by the end of the 21st century, even following the more aggressive mitigation pathways (SSP1‐2.6 and SSP2‐4.5). Regional hotspots with strong drying include western North America, Central America, Europe and the Mediterranean, the Amazon, southern Africa, China, Southeast Asia, and Australia. Compared to SSP3‐7.0 and SSP5‐8.5, however, the severity of drying in the lower warming scenarios is substantially reduced and further precipitation declines in many regions are avoided. Along with drying in the mean state, the risk of the historically most extreme drought events also increases with warming, by 200–300% in some regions. Soil moisture and runoff drying in CMIP6 is more robust, spatially extensive, and severe than precipitation, indicating an important role for other temperature‐sensitive drought processes, including evapotranspiration and snow. Given the similarity in drought responses between CMIP5 and CMIP6, we speculate that both generations of models are subject to similar uncertainties, including vegetation processes, model representations of precipitation, and the degree to which model responses to warming are consistent with observations. These topics should be further explored to evaluate whether CMIP6 models offer reasons to have increased confidence in drought projections.

Abstract A suite of climate data sets and multiple representations of atmospheric moisture demand are used to calculate many estimates of the self‐calibrated Palmer Drought Severity Index, a proxy for near‐surface soil moisture, across California from 1901 to 2014 at high spatial resolution. Based on the ensemble of calculations, California drought conditions were record breaking in 2014, but probably not record breaking in 2012–2014, contrary to prior findings. Regionally, the 2012–2014 drought was record breaking in the agriculturally important southern Central Valley and highly populated coastal areas. Contributions of individual climate variables to recent drought are also examined, including the temperature component associated with anthropogenic warming. Precipitation is the primary driver of drought variability but anthropogenic warming is estimated to have accounted for 8–27% of the observed drought anomaly in 2012–2014 and 5–18% in 2014. Although natural variability dominates, anthropogenic warming has substantially increased the overall likelihood of extreme California droughts.

Abstract Plant phenology has been shifting dramatically in response to climate change, a shift that may have significant and widespread ecological consequences. Of particular concern are tropical biomes, which represent the most biodiverse and imperiled regions of the world. However, compared to temperate floras, we know little about phenological responses of tropical plants because long-term observational datasets from the tropics are sparse. Herbarium specimens have greatly increased our phenological knowledge in temperate regions, but similar data have been underutilized in the tropics and their suitability for this purpose has not been broadly validated. Here, we compare phenological estimates derived from field observational data (i.e., plot surveys) and herbarium specimens at various spatial and taxonomic scales to determine whether specimens can provide accurate estimations of reproductive timing and its spatial variation. Here we demonstrate that phenological estimates from field observations and herbarium specimens coincide well. Fewer than 5% of the species exhibited significant differences between flowering periods inferred from field observations versus specimens regardless of spatial aggregation. In contrast to studies based on field records, herbarium specimens sampled much larger geographic and climatic ranges, as has been documented previously for temperate plants, and effectively captured phenological responses across varied environments. Herbarium specimens are verified to be a vital resource for closing the gap in our phenological knowledge of tropical systems. Tropical plant reproductive phenology inferred from herbarium records are widely congruent with field observations, suggesting that they can (and should) be used to investigate phenological variation and their associated environmental cues more broadly across tropical biomes.

Provided the considerable logistical challenges of anticipatory action and disaster response programs, there is a need for early warning of crop failures at lead times of six to twelve months. But crop yield forecasts at these lead times are virtually nonexistent. By leveraging recent advances in climate forecasting, we demonstrate that global preseason crop yield forecasts are not only possible but are skillful over considerable portions of cropland. Globally, maize and wheat forecasts are skillful at lead times of up to a year ahead of harvest for 15% and 30% of harvested areas, respectively. Forecasts are most skillful in Southeast Africa and Southeast Asia for maize and parts of South and Central Asia, Australia, and Southeast South America for wheat. Wheat forecasts, furthermore, remain skillful at lead times of over 18 months ahead of harvest in some locations. Our results demonstrate that the potential for preseason crop yield forecasts is greater than previously appreciated. Crop failures are potentially predictable much further in advance than previously thought possible. Using multiyear forecasts of the El Niño Southern Oscillation (ENSO), Anderson et al. show that crop failures can be predicted before the planting season even begins in some countries.