陆-气相互作用对高CO?背景下复合干旱热浪事件加剧的显著贡献

《Global and Planetary Change》：Substantial contribution of land-atmosphere interactions to the intensification of compound drought and heatwave events under rising CO 2

　　

摘要

大气CO₂浓度升高（eCO₂）预计将显著加剧复合干旱与热浪（CDHW）事件，对生态系统和人类社会构成日益严重的风险。然而，在eCO₂条件下，陆气相互作用在调节CDHW事件中的作用仍知之甚少。我们利用参与耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的十一个地球系统模式理想化CO₂增加实验，研究了陆气相互作用对eCO₂条件下全球CDHW事件加剧的贡献。结果表明，虽然CO₂辐射强迫主导了CDHW事件的总体增加，但陆气相互作用在全球范围内进一步放大了CDHW的加剧趋势，通过完全耦合实验与辐射耦合实验之间的差异量化，在持续时间、频率和幅度方面分别额外增加了1.69 ± 1.53天、2.52 ± 2.14天和1.29 ± 1.12 °C²。这种放大效应在大多数（>94%）有植被覆盖的陆地上普遍存在，并在不同CDHW特征、气候带和植被类型之间表现出显著的空间异质性，在针叶林中增幅尤为明显。这种广泛存在的放大效应主要由eCO₂引起的导度下降导致蒸腾减弱所驱动，尽管同期植被出现增绿现象。具体而言，蒸腾量减少幅度越大，CDHW加剧越显著，伴随着蒸发冷却减弱、感热增强、云量减少和降水减少，进而导致更强的地表增温。这些发现突显了蒸腾介导的陆气相互作用在塑造CDHW事件中的重要性，并强调了改进模式中对蒸腾动态及其相关陆面反馈过程表征的紧迫性，以更好约束eCO₂条件下复合气候极端事件的未来风险。

引言

复合干旱与热浪（CDHW）事件对健康、经济稳定和生态系统产生严重影响（Zscheischler等，2018；Ridder等，2020；Bastos等，2023）。这些复合极端事件源于自然气候变率与人为气候变化的相互作用，人为增温增加了许多地区同时发生干旱和高温事件的可能性、强度和持续期（Dogar和Sato，2018，Dogar和Sato，2019；Dogar，2020；Dogar和Almazroui，2022；Dogar等，2025）。与单独的干旱或热浪事件相比，这些复合事件可能导致不成比例的巨大社会经济和农业损失（Bevacqua等，2022；Yin等，2023）。例如，2003年和2010年夏季的CDHW事件在欧洲和俄罗斯西部造成了约40,000人死亡和年作物产量损失25%（Hao等，2022）。最近，越来越多的研究进一步表明，CDHW事件在全球和区域尺度上均呈现显著增加趋势（Mukherjee和Mishra，2021；Ridder等，2022；Wang等，2024a；Jiang等，2025）。预计这种增加将导致未来GDP暴露风险增加约13万亿至20万亿美元（Yin等，2023）。大气CO₂浓度升高（eCO₂）长期以来被认为是CDHW事件增加的主要驱动力，其通过相关的气候增温（Tripathy等，2023；Mukherjee和Mishra，2021）以及特别是极端高温的加剧（Perkins-Kirkpatrick和Lewis，2020；Hao等，2022）发挥作用。除直接的辐射强迫途径外，eCO₂还可能通过植被生理响应和陆面反馈相关的陆气相互作用来调节气候状况和极端事件（Lemordant等，2016；Forzieri等，2017；Skinner等，2018；Lemordant和Gentine，2019）。然而，陆气相互作用对CDHW事件影响的大小甚至方向，以及其相对于直接CO₂辐射强迫的相对重要性尚未被量化，其潜在机制也知之甚少。这些知识空白导致基于土地的气候减缓政策的有效性存在较大不确定性。

具体而言，eCO₂通常促进光合作用和植被增绿，同时减少气孔导度和叶级蒸腾量（Ainsworth和Rogers，2007；Piao等，2020；Liang等，2023；Keenan等，2023）。因此，冠层尺度的蒸腾响应取决于eCO₂驱动的增绿效应和气孔调节效应的平衡，这一平衡还受到植物功能类型和背景水分可利用性的调制（Ainsworth和Rogers，2007）。例如，C3和C4植被对eCO₂的光合和气孔敏感性不同，导致在不同水分条件下可能产生不同的蒸腾和碳-水响应（Zhang等，2022）。这些变化可能减少潜热通量和蒸发冷却效应，增强感热通量，进而促进近地表增温（Skinner等，2018；Lemordant和Gentine，2019）。此外，蒸腾相关的陆气相互作用变化还可能通过改变大气边界层动力学和水汽循环，进一步影响云的形成、降水和区域水气候条件（Green等，2017；Staal等，2018；Duveiller等，2021）。这些过程表明，蒸腾介导的陆面反馈可能对CO₂升高背景下CDHW事件的预期加剧有重要贡献。

近几十年来，卫星观测越来越多地被用于诊断区域和全球尺度的陆面变化气候效应（Zhao和Jackson，2014；Alkama等，2022）。这些基于观测的研究通常采用"空间换时间"方法，即通过相邻区域之间（具有相似环境条件但存在不同陆面变化，特别是植被变化）的空间对比来推断气候效应（Duveiller等，2018）。然而，这种方法主要捕捉与反照率、蒸散和粗糙度变化相关的局地陆面效应，而通过大尺度大气环流及其相关云和降水反馈介导的非局地效应仍然难以量化（Malyshev等，2015；Winckler等，2019）。相比之下，先进的地球系统模式（ESMs）显式地表征了陆面和大气在局地和区域尺度的耦合相互作用，为研究植被生理响应及其相关陆气相互作用的气候影响提供了有效框架，尽管在某些陆-气耦合过程的表征中仍存在不确定性（Bonan和Doney，2018；He等，2022；Zhang等，2024；Li等，2024；Dogar等，2017a，Dogar等，2017b，Dogar等，2019，Dogar等，2024）。利用ESMs，以往的研究探讨了eCO₂条件下陆面响应变化对温度（Mcdermid等，2021）、降水（Lemordant等，2018）、极端高温（Skinner等，2018）和干旱（Li等，2025）的影响。然而，现有研究主要关注eCO₂驱动的陆气相互作用变化对单一气候因子或单一气候极端事件的影响，而对更复杂的复合气候极端事件（即CDHW事件）的影响仍尚不明确，尚未得到全面分析。

为填补这些知识空白，我们利用参与耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）（Eyring等，2016）（表1）的ESMs集合，评估了CO₂浓度升高条件下陆气相互作用对CDHW事件加剧的贡献。基于理想化情景（大气CO₂浓度每年增加1%）下完全耦合、辐射耦合和生物地球化学耦合实验的因子模拟，用于分离陆气相互作用和直接CO₂辐射强迫对CDHW加剧的各自贡献（Jones等，2016）。我们使用标准化降水蒸散指数（SPEI）衡量干旱状况，使用超额热因子（EHF）衡量热浪事件。干旱事件定义为月SPEI ≤ ?1.0，热浪事件定义为至少连续三天EHF > 0。CDHW事件则被识别为干旱月份内发生的热浪事件（Wang等，2024b；Yin等，2023）（图1）。最后，我们研究了与陆气相互作用相关的CDHW变化对关键陆面特征的敏感性，以揭示其底层的生态水文机制。

节段摘要

CMIP6模式模拟

我们使用了参与CMIP6框架下碳-气候反馈实验（C4MIP）的十一个ESMs集合的输出结果（Jones等，2016）（https://aims2.llnl.gov/search/cmip6/）：ACCESS-ESM1-5、CanESM5、CESM2、CMCC-ESM2、CNRM-ESM2-1、IPSL-CM6A-LR、MIROC-ES2L、MPI-ESM1-2-LR、MRI-ESM2-0、NorESM2-LM和UKESM1-0-LL（表1）。除表1中列出的陆面和大气组分外，与植被响应相关的关键陆面参数化方案

CO₂强迫实验第1–30年间CDHW差异

十一个CMIP6模式模拟的集合平均表明，在1pctCO2、1pctCO2-rad和1pctCO2-bgc情景中，全球平均CDHW持续时间（CDHWD）在前30年（以下称Year 1–30）分别为2.44 ± 0.27天、2.54 ± 0.23天和2.15 ± 0.24天（均值 ± 标准差）（图2a）。类似地，CDHW频率（CDHWF）从1pctCO2-rad到1pctCO2再到1pctCO2-bgc依次降低，分别为3.67 ± 0.34天、3.52 ± 0.39天和3.07 ± 0.37天（图2b）。CDHW幅度（CDHWM）在1pctCO2-rad中最高

结论

我们的结果表明，CO₂浓度升高预计将导致CDHW事件显著加剧，体现在其持续时间、频率和幅度方面（图4）。在本研究分析的CMIP6因子实验中，直接辐射效应仍是CO₂浓度升高条件下CDHW加剧的主要贡献因素，与以往文献报道一致（Tripathy等，2023），但陆气相互作用提供了额外的且不可忽视的贡献。

CRediT作者贡献声明

邢若飞：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。陈泽峰：撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，数据管理，概念化。魏佳：撰写——审阅与编辑，方法论，资金获取，概念化。袁菲菲：撰写——审阅与编辑，可视化。李世杰：撰写——审阅与编辑，方法论。Giovanni Forzieri：

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

R.X.得到了国家留学基金管理委员会（202406710180）、中央高校基本科研业务费（B240207078）和河海大学博士后科研启动经费（423283）的支持。Z.C.的贡献由欧盟地平线欧洲研究与创新计划下的玛丽·居里行动资助（项目编号：101152010，TYPIC）。然而，所表达的观点和意见仅为作者本人所有，不代表

邢若飞|陈泽峰|魏佳|袁菲菲|李世杰|Giovanni Forzieri|王慧敏|Luca Solari

南京 中国 河海大学 水灾防御国家重点实验室