北京师范大学陆地表层系统科学与可持续发展研究院

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周沙副教授在Nature Communications发文揭示全球地表可用水量季节变化特征及其驱动机制

发布时间：2022-10-02 浏览量：

北京师范大学地理科学学部周沙副教授课题组发现全球亚热带干旱区和亚马逊地区地表可用水量呈现“干季变湿、湿季变干”趋势，这主要是由于土壤水-大气反馈的季节差异导致的。2022年9月30日，《自然通讯》（Nature Communications）杂志在线发表了这一研究成果。

地表可用水量（降水减蒸发，P-E）是反映气候干湿程度的关键指标，对区域水资源、农业生产和生态系统稳定性具有重要影响。热力学理论指出，随着全球变暖，大气中水汽含量上升，水汽输送增强，这会促使干的地区/季节变得更干，而湿的地区/季节变得更湿。地表可用水量季节变率增强将使得水资源在年内分配更不均衡，导致湿季更容易出现洪涝灾害，而干季更容易发生干旱事件，给区域水资源管理和调度带来严峻挑战和压力。

该研究采用全球气候模式（CMIP5和CMIP6）数据，发现未来很多陆地区域地表可用水量季节变率显著增强，即“干季变干，湿季变湿”，与热力学理论一致；但是，约20%的陆地区域呈现“干季变湿，湿季变干”的季节变率减弱趋势，主要分布在亚热带干旱区和亚马逊地区。

图1.未来地表可用水量（P-E）季节变化特征。(a-f) 未来高排放情景下P-E季节变化特征，蓝色表示变湿或季节变率增强（ES），红色表示变干或季节变率减弱（RS）；(g-h) 历史和未来时期P-E季节变化曲线（横轴1表示干季第一个月）。

该研究结合全球陆气耦合模型实验与经验统计模型，系统探讨了亚热带干旱区和亚马逊地区土壤水-大气反馈对地表可用水量季节变化的影响机理。研究发现，全球变暖促使这些地区湿季和干季地表可用水量和土壤水降低。在干季，土壤水减少通过陆气反馈减弱蒸发降温效应，升高地表温度，使海陆热力差和气压差进一步增强，从而促进区域大气上升运动，大大增加了输送到亚热带干旱区和亚马逊地区的水汽。土壤水-大气反馈的这一动力学机制抵消了气候变化的影响，导致干季地表可用水量呈现上升趋势。然而，在湿季，土壤水减少对蒸发以及大气水汽输送的影响较弱，地表可用水量呈现下降趋势。统计表明，土壤水-大气反馈的季节差异对亚热带干旱区和亚马逊地区地表可用水量季节变率减少贡献率高达63%，其他因素如气候变化贡献率为37%。土壤水-大气反馈动力学机制有效解释了热力学干湿变化理论与全球气候模式中地表可用水量季节变化之间差异的关键原因。

图2. 土壤水-大气反馈对地表可用水量（P-E）季节变率的影响。(a-c) CMIP6模式中未来P-E季节变化特征；(d-f) 气候变化等非土壤水因素对P-E季节变化的影响（LFMIP-pdLC陆气反馈模型实验中土壤水趋势和季节变率保持不变）；(g-i) 土壤水-大气反馈对P-E季节变化的影响；(j-l) 季节变率增强（ES）和减弱（RS）区域面积加权平均P-E季节变化特征及其受气候变化和土壤水-大气反馈的影响。

图3. 土壤水-大气反馈对地表可用水量（P-E）季节变化的影响。(a-f) 土壤水对P-E的影响及其热力学和动力学机制。(g-h) 土壤水变化对大气垂向上升速率（-w）的影响。ES和RS分别表示图2c中季节变率增强和减弱的区域。

北京师范大学地理科学学部周沙副教授为论文第一作者兼通讯作者。该成果是周沙在2021年发现土壤水-大气反馈减缓干旱区地表可用水量长期下降趋势的基础上（Zhou et al. 2021, Nature Climate Change），在干旱区地表可用水量季节变化机理方面取得的又一重要研究成果，对认识气候变化背景下陆地干旱区干湿变化规律和陆面水资源管理具有重要意义。