全球陆地蒸散发百年尺度变化揭示水文循环对气候变暖的响应机制

这篇研究通过互补关系模型（CR）首次重建了1901-2014年全球陆地蒸散发（ET）的百年尺度变化，发现全球ET以0.08±0.011 mm yr?2的速率显著增加（p<0.001），其中1966-2014年增速是前期的5倍。研究创新性提出ET对温度的标度率（ηae）稳定在1.3±0.3% °C?1，该特性不受CO2浓度上升影响，为预测未来水文变化提供了关键参数。

　　

引言

水文循环在气候变暖背景下的响应机制是当前研究热点。现有ET估算多局限于1980年代卫星观测时代，而百年尺度的全球ET动态仍属空白。本研究基于互补关系模型（CR），仅需标准气象数据即可实现长序列ET重建，突破了传统方法对植被/土壤参数的依赖。

材料与方法

互补关系模型构建

CR模型通过无量纲参数y=(2-X)X²关联潜在ET（ET_p）和实际ET，其中ET_p采用Penman方程计算，ET_w采用Priestley-Taylor方程。关键参数α通过三种方法确定：基于网格气象数据的湿环境识别法（α=1.17）、Bowen比约束法（c=0.55）和通量站校准法（α=1.18），最终采用三者的集合平均。

数据验证体系

1. 1.

   流域尺度验证：选取24个百年径流观测流域，通过水量平衡ET（ET_wb=Prec-Q-δS）验证，结果显示CR与ET_wb趋势一致性达79%（17/24流域），北美和欧洲区域集合趋势误差<15%。

2. 2.

   站点尺度验证：整合137个涡度相关通量站（含中国9站）数据，77%站点模拟偏差控制在±20%以内，月尺度NSE>0.5的站点占比67%。

结果

百年ET变化特征

全球陆地ET在1901-2014年累计增加1.8±0.2%，空间异质性显著：

• •

  增加区域：美洲、欧亚大陆和澳大利亚（37%陆地面积p<0.05）

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  减少区域：南美南部、非洲中部和蒙古高原（21%陆地面积），后者与树轮重建的土壤湿度下降吻合。

  值得注意的是，1966-2014年ET增速（0.156 mm yr^?2）达1901-1965年（0.037 mm yr^?2）的5倍，与同期加速变暖（+0.017°C yr^?1）和CO₂浓度突破400 ppm相关。

温度标度率稳定性

η_ae在1901-2014年保持1.3±0.3% °C^?1，且在不同时段（20-114年）和TRENDY模型比较中均呈现"时间尺度不变性"。这一特性与海洋降水标度率（Mears et al., 2007）相似，暗示水文响应受能量约束而非CO₂直接影响。

讨论

水文循环强化证据

全球ET增长与GPCC降水趋势（+0.118 mm yr^?2）共同证实百年水文强化，但降水-ET赤字空间分异显著：巴西高原和北美西部等地区水资源压力加剧。

模型不确定性

敏感性试验显示：

• •

  净辐射（R_n）误差影响最大（4%偏差→5%ET变化）

• •

  相对湿度（RH）次之（-4%偏差→3.5%ET变化）

• •

  风速（U₂）敏感性最低

结论

本研究首次量化百年尺度ET变化，揭示其增速与温度升高非线性关联，而η_ae的稳定性为仅基于温度预测未来水文变化提供了理论依据。后续研究需关注区域异质性，特别是季风区和灌溉密集区的水热耦合机制。