令人惊讶的消息:旱地并没有像气候科学家预测的那样变得更干燥

北加州的旱地生态系统

加利福尼亚北部的旱地生态系统显示土壤水分减少,但地表水可用性变化不大。信贷:哥伦比亚大学工程

哥伦比亚大学的新工程研究首先调查了旱地土壤湿度-大气反馈的长期影响,发现土壤湿度对旱地地表水可用性产生负反馈,抵消了一些预期的下降。

科学家们认为,全球变暖将增加潮湿地区地表水的可用性,并减少干旱地区的可用性。地表水是由降水减去蒸散发产生的淡水资源。这个预期主要是根据大气的热力学过程。随着气温上升,更多的水从海洋和陆地蒸发到空气中。因为温暖的空气比干燥的空气能容纳更多的水蒸气,一个更潮湿的大气预计会扩大现有的水可用性模式,导致“干越干,湿越湿”的大气对全球变暖的反应。

哥伦比亚工程团队由皮埃尔•Gentine莫里斯·尤因和j·拉马尔Worzel教授地球与地球和环境工程和附属研究所,想知道为什么耦合气候模式预测项目不重要“dry-get-drier”反应在旱地,热带和温带地区的干旱度指数小于0.65,即使研究者使用高排放全球变暖的场景。沙洲是拉蒙特-多尔蒂地球观测站和地球研究所的博士后研究员,研究陆地-大气相互作用和全球水循环。他认为,土壤湿度-大气反馈可能在未来预测旱地水分可用性方面发挥重要作用。

今天发表的这项新研究自然气候变化,首先表明了长期土壤湿度变化及其相关的土壤湿度-大气反馈在这些预测中的重要性。这组科学家发现了一种对大气循环和水分输送的长期土壤水分调节,它在很大程度上改善了旱地未来水分可用性的潜在下降,超出了在没有土壤水分反馈的情况下的预期。

“这些反馈比人们在长期地表水变化中意识到的更重要,”周说。“由于土壤湿度的变化对水的有效性产生了负面影响,这种负反馈也可以部分地减少气候变暖导致的极端高和极端低水文气候事件(如干旱和洪水)的强度和频率的增加。如果没有负面反馈,我们可能会经历更频繁、更极端的干旱和洪水。”

该团队将一个独特的、理想化的多模式陆地-大气耦合实验与他们为研究开发的一种新的统计方法结合起来。然后,他们将该算法应用于观测,以检查土壤湿度-大气反馈在未来旱地水分有效性变化中的关键作用,并研究这些反馈导致未来水分有效性变化的热力学和动力学机制。

他们发现,作为对全球变暖的响应,海洋上干燥地区的地表水可用性(降水减去蒸发,P-E)显著下降,但在旱地上只有轻微的P-E下降。周猜想这一现象与陆-气过程有关。她解释说:“在干旱地区,土壤湿度预计将在气候变化下大幅下降。”“土壤湿度的变化将进一步影响大气过程和水循环。”

全球变暖预计会减少水的可用性,从而减少旱地的土壤水分。但是这项新的研究发现,土壤水分的干燥实际上是对水分有效性的负反馈——土壤水分的下降减少了蒸散发和蒸发冷却,并加强了相对于潮湿地区和海洋的旱地表面变暖。陆-海变暖对比增强了海洋和陆地之间的气压差,推动了更大的风和水汽从海洋到陆地的输送。

“我们的工作发现,土壤湿度预测和相关的大气反馈是高度可变的,并且依赖于模型,”Gentine说。“这项研究强调了迫切需要改进未来的土壤湿度预测,并在模型中准确地反映土壤湿度-大气反馈,这对于提供可靠的旱地水资源可用性预测,从而更好地管理水资源至关重要。”

参考:2021年1月4日Zhou Sha, A. Park Williams, Benjamin R. Lintner, Alexis M. Berg, Yao Zhang, Trevor F. Keenan, Benjamin I. Cook, Stefan Hagemann, Sonia I. Seneviratne和Pierre Gentine的《土壤水分-大气反馈减缓旱地水分可用性下降》自然气候变化
DOI: 10.1038 / s41558 - 020 - 00945 - z

作者为:沙洲1,2,3,4,5;A.帕克·威廉姆斯1;本杰明·林特纳6;亚历克西斯·m·伯格7;张姚4、5;特雷弗·f·基南4,5;Benjamin I. Cook 1,8;哈格曼Stefan 9;Sonia I. Seneviratne 10;皮埃尔Gentine 2、3
1拉蒙特-多尔蒂地球天文台,哥伦比亚大学
2哥伦比亚大学地球研究所
3哥伦比亚大学地球与环境工程系
4劳伦斯伯克利国家实验室气候与生态系统科学部
加州大学政策与管理环境科学系
新泽西州罗格斯大学环境科学系
哈佛大学地球与行星科学系
8美国国家航空航天局戈达德太空研究所
9德国Helmholtz-Zentrum Geesthacht海岸研究所
苏黎世联邦理工学院大气和气候科学研究所

该研究得到了美国宇航局玫瑰陆地水文学(NNH17ZDA00IN-THP)和NOAA MAPP NA17OAR4310127的支持,拉蒙特-多尔蒂博士后奖学金和地球研究所博士后奖学金。

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