北京师范大学地理科学学部

周沙研究员在Nature Climate Change发文说明陆-气过程对全球径流变化的影响机理

发布日期：2023-04-18 | 浏览次数：

4月17日，学部周沙研究员在Nature Climate Change杂志在线发表了题为“Projected increase in global runoff dominated by land surface changes”的重要研究成果，揭示了大气CO2浓度升高背景下陆-气过程影响全球径流变化的科学机制，发现陆面过程主导全球径流增加趋势，解决了基于Budyko假设的经验方法和基于地球系统模型的实验方法在全球径流变化归因方面的争议。

大气CO2浓度升高通过辐射强迫效应改变大气能量平衡以及热力学和动力学过程，引起气候变化进而直接影响陆面蒸散发和径流。大气CO2浓度升高也会直接影响植被生理生态过程，导致植被叶片气孔导度降低和叶面积增加，两者分别减少和增加植被蒸腾。此外，气候变化和植被变化也会通过陆-气相互作用间接影响陆面水文过程（图1）。

图1. CO2辐射强迫效应（橙色）和植被生理效应（绿色）对径流的影响，包括直接影响和间接影响。CO2辐射效应：直接影响为CO2辐射强迫引起气候变化（降水和潜在蒸散发变化）导致的径流变化，间接影响为陆面植被和土壤水等对气候变化响应导致的径流变化。CO2生理效应：直接影响为植被生理生态过程对CO2响应导致的径流变化，间接影响为植被-气候反馈引起的降水和潜在蒸散发变化导致的径流变化。

由于陆-气过程对全球径流变化的复杂影响，全球径流变化归因一直存在较大争议。基于Budyko假设的经验方法，将径流变化归因于气候变化（降水和潜在蒸散发）和陆面变化（如植被对CO2的响应），发现全球径流增加趋势由CO2的植被生理效应主导。采用地球系统模型实验方法分离CO2的辐射强迫和植被生理效应，发现CO2辐射强迫效应（气候变化）对全球径流增加的贡献大于CO2植被生理效应（陆面变化）的贡献。

该研究中，通过将以上经验和模拟方法相结合，构建基于Budyko假设-地球系统模型实验综合归因分析方法，量化CO2辐射强迫和植被生理效应对全球径流变化的直接和间接影响。研究发现，陆面过程（如植被和土壤水变化等）对大气CO2浓度升高和气候变化的响应表现协同作用，两者均促进全球径流增加。气候变化对全球径流变化的影响存在抵消效应：1）空间抵消——不同地区气候变化增加或减少径流；2）机理抵消——气候变化直接增加径流而陆面过程对气候反馈间接减少径流。通过揭示陆-气相互作用过程对全球径流变化的影响机理，证明陆面过程主导全球径流增加趋势，解决了全球径流变化归因方面的争议。

图2. 陆-气相互作用过程对全球径流变化的影响机理。基于Budyko假设的经验方法，发现陆面过程主导全球径流增加趋势，包括CO2植被生理效应对径流的直接影响（Direct physiological effect）和陆面过程对气候变化响应进而对径流的间接影响（Indirect land surface response）。气候变化对径流的直接影响（Direct climate change effect）和陆-气反馈对径流的间接影响（Indirect climate feedback）相互抵消。采用地球系统模型实验方法，在植被生理实验中，由于CO2植被生理效应及陆-气反馈对径流的影响相互抵消，对全球径流增加的贡献较小；在辐射强迫实验中，由于耦合了气候变化以及陆面过程对气候变化的响应，对全球径流增加的贡献较大。

北京师范大学地理科学学部周沙研究员为该论文第一兼通讯作者，北京大学城市与环境张尧研究员为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金重大项目课题（41991235）、国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目（海外）和中央高校基本科研业务费等项目资助。