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在全球气候变化背景下，旱地生态系统面临严峻挑战。研究人员开展陆地 - 大气反馈对旱地影响的研究。结果表明，该反馈导致旱地干旱自我传播和自我扩张。这有助于理解气候变化机制，为应对旱地生态问题提供依据。
在地球的生态版图中，旱地占据着相当重要的位置，它们覆盖了地球 45% 的陆地表面，养育着全球 40% 的人口，还庇护着 30% 的濒危物种 。然而，随着人类活动的加剧，气候变化的阴影正逐渐笼罩这些地区。从热力学角度看，全球变暖使得旱地的大气水汽压亏缺（VPD）升高，这就像一个无形的 “抽水机”，加速了植被和裸露土壤的水分流失，让旱地变得更加干旱。同时，当地的陆地 - 大气反馈进一步放大了这种影响：土壤干燥和植被干枯会降低蒸发散比例，使得相对湿度下降，空气的需水量却进一步增加。此外，人类活动引发的大规模大气环流变化，减少了亚热带旱地的局部降水，让干旱问题雪上加霜。
尽管近几十年来，人们记录了旱地变化的多种物理过程，但陆地 - 大气反馈在旱地供水方面的作用却一直模糊不清。在这样的背景下，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）大气与气候科学研究所等机构的研究人员展开了深入研究，其研究成果发表在《The Innovation》上。这项研究意义重大，它不仅有助于我们更深入地理解旱地在气候变化下的演变机制，还能为制定针对性的应对策略提供科学依据。
研究人员采用了拉格朗日大气追踪模型（Lagrangian atmospheric tracking model）这一关键技术方法。该模型通过追踪全球气团的轨迹，来研究热量和水分的源 - 汇关系。研究过程中，并未提及样本队列来源等信息。
长期陆地 - 大气反馈促使旱地自我扩张
许多研究表明，自 20 世纪 50 年代以来的气候变暖，导致全球旱地出现显著的干燥趋势（干旱化）和广泛扩张，特别是在南部非洲和萨赫勒地区。虽然旱地扩张和干旱化常被归因于气候变暖导致的 VPD 上升，但这些驱动因素的详细机制和定量贡献仍不明确。
研究人员利用通用大气传输模型来探究上风陆地 - 大气反馈对旱地自我扩张的贡献。通过拉格朗日建模框架，他们发现陆地 - 大气反馈（即上风旱地导致下风湿润地区干旱化的过程，称为旱地自我扩张）在全球 40% 的湿润 - 干旱过渡区域中，对干旱增加的贡献率超过一半。
在旱地自我扩张过程中，尽管上风旱地并非下风地区的主要水分供应源，但上风旱地的干燥程度决定了下风地区的湿润 - 干旱转变。在澳大利亚和东亚等水分和热量主要来自湿润地区的区域，上风旱地的干燥仍会导致下风地区干旱化。这是因为旱地干燥限制了当地蒸发，长期来看会增加感热加热。经过数年到数十年的空气平流，这一过程会导致下风地区干旱化，进一步减少下风地区的蒸发，增加潜在蒸发（与增强的感热加热相关），从而持续推动旱地自我扩张。不过，上风旱地干旱化的驱动因素在不同地区有所差异，在亚热带和南半球，降水减少是旱地自我扩张的主要原因；而在北半球中纬度地区，上风地区潜在蒸发增强则起主导作用。
短期陆地 - 大气反馈导致旱地干旱自我传播
为了探究上风陆地 - 大气相互作用是否会在短期内影响下风地区的水文气候条件，导致个别干旱的空间扩张，研究人员利用拉格朗日大气追踪模型在事件尺度上进行量化研究。
研究发现，旱地的上风土壤干旱可通过陆地 - 大气反馈传播到下风地区，这一过程被称为干旱自我传播。在过去四十年中 40 次最大的干旱事件中，旱地的土壤干旱使下风地区的降水在整个事件期间减少了约 16%，在某些月份峰值时减少高达 32%。
传统的干旱传播研究通常强调动力因素，如异常大气环流或区域季风强度和移动模式的变化，而忽视了上风陆地 - 大气反馈在干旱传播中的作用。实际上，只有在区域尺度水分再循环率较高的地区，上风土壤干燥才会导致下风地区降水不足，从而驱动干旱自我传播。例如在南部非洲的旱地，降雨短缺期间水分再循环减少，加剧了干旱状况，体现了干旱自我传播现象。而在水汽大量从海洋流入的沿海地区，这种影响则不太明显。
长期的远程陆地 - 大气相互作用通过增强下风地区的潜在蒸发或抑制降水来推动旱地自我扩张；而短期（基于事件）的反馈主要通过抑制下风地区的降水来实现干旱自我传播。这是因为个别干旱主要由异常动力系统导致的降雨短缺引起，与人为变暖没有直接联系，陆地 - 大气反馈主要通过放大动力因素导致的降水短缺来促进干旱传播，比如减少水汽供应和 / 或降低降水效率。不过，考虑到人为变暖强烈影响潜在蒸发的长期演变，在理解旱地自我扩张时，还需额外考虑热平流的影响。
综上所述，研究表明全球变暖通过长期陆地 - 大气反馈驱动旱地干旱化，引发旱地自我扩张；在事件尺度上，上风地区的陆地 - 大气反馈使干旱自我传播，而全球变暖又放大了这些影响，加剧了干旱的严重程度，扩大了干旱影响范围。此外，土地利用和土地覆盖变化也会调节这些反馈的影响 。例如，上风旱地的植被绿化在长期内可能会增加感热加热，通过陆地 - 大气反馈加剧下风地区的湿润 - 干旱转变；但在中国部分（半）干旱地区，人为活动导致的植被绿化却能通过陆地 - 大气反馈缓解下风地区的干旱。这说明植被绿化通过这些反馈产生的下风效应可能取决于植被类型和反馈的时间尺度。
该研究通过拉格朗日建模方法，全面地研究了陆地 - 大气反馈在不同时间尺度上对旱地的影响，为理解气候变化背景下旱地生态系统的演变提供了重要依据。不过，目前的研究主要集中在这些反馈的热力学方面，关于这些反馈与大气环流模式之间的潜在启动或相关性仍存在许多未知。随着人工智能驱动的深度生成模型的快速发展，未来研究可以将这些 AI 模型与基于过程的拉格朗日框架相结合，更全面地探索大规模动力系统与热力学变化之间的反馈和相互作用，为应对全球气候变化和保护旱地生态系统提供更有力的科学支持。
