在气候变暖背景下，全球水循环发生变化：基于CMIP6多模型集合平均值的预测

《Atmospheric Research》：Global water cycle changes in a warming climate: Projection from CMIP6 multi-model ensemble mean

全球水循环对SSP2-4.5和SSP5-8.5情景的响应研究基于CMIP6多模型集合，量化了蒸发、降水、总水汽柱及海洋-陆地水分输送的未来变化，揭示21世纪水循环逐步加剧，陆海差异显著，海洋-陆地水分输送增强对陆域降水贡献突出。

　　

作者：蔡艺楠、陈泽生、孙启伟、杜岩

中国深圳市国家超级计算中心

摘要

了解全球水文循环对人为变暖的响应对于推进水资源管理和减轻水文风险至关重要。本研究利用第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）的多模型集合，量化了在中等排放（SSP2–4.5）和高排放（SSP5–8.5）情景下，关键全球水文要素（包括蒸发量、降水量、总柱水汽量（TCWV）以及海洋向陆地的水分输送）的预测变化。分析表明，整个21世纪水文循环将持续增强，且SSP5–8.5情景下的变化更为显著。与1995–2014年相比，SSP2–4.5情景下TCWV在2021–2040年间增加5.5%，在2081–2100年间增加16.8%；而SSP5–8.5情景下分别增加6.3%和34.8%。陆地与海洋之间存在明显的不对称性：陆地地区的变化比海洋更为明显，陆地降水量增幅约为海洋的1.10–1.40倍，这表明陆地放大效应更为强烈。到本世纪末，海洋向陆地的水分输送在SSP2–4.5情景下增加6.2%，在SSP5–8.5情景下增加13.5%，这对增强陆地降水量起到了重要作用，突显了大气水分再分配在塑造大陆水资源可用性方面的关键作用。本研究巩固了全球水循环对排放路径的定量敏感性，并为气候适应策略提供了重要见解。

引言

全球水循环是地球气候系统的核心组成部分，调节着大气、陆地和海洋之间的能量和水分交换（Oki和Kanae，2006；Trenberth等人，2009；Webster，1994）。变暖增强了大气的持水能力和地表能量可用性，从而加强了水文过程（Durack等人，2012；Huntington，2006；Trenberth等人，2003）。克劳修斯-克拉珀龙关系表明，每升高1°C，水汽量大约增加7%，从而导致更显著的蒸发和降水（Allan等人，2020；Held和Soden，2006；O'Gorman和Muller，2010；Trenberth，2005）。越来越多的观测证据也表明，气候变暖加剧了海洋与陆地之间的水汽交换（Chandanpurkar等人，2021；Trenberth等人，2011）。这种强化不仅改变了全球平均模式，还增加了极端事件（包括洪水、干旱和热带气旋）的频率和强度（Bao等人，2017；Dai，2011，Dai，2013；Guan等人，2024；He等人，2024；Hong等人，2022；Trenberth等人，2015；Wang等人，2020）。

尽管人们对日益加剧的水循环给予了越来越多的关注，但其对未来变暖的结构响应仍存在重要不确定性——不仅仅是水循环加剧的程度，还包括其各个组成部分在陆地和海洋上的不同演变方式。此外，控制大陆水资源可用性并连接海洋和陆地水文过程的海洋向陆地的水分输送的未来演变，在不同变暖情景下的幅度和时间进程仍缺乏明确预测（Trenberth等人，2011；Wang等人，2023；Zahn和Allan，2013）。

为了解决这些不足，本研究对关键水循环要素（蒸发量（E）、降水量（P）、总柱水汽量（TCWV）以及海洋向陆地的水分输送）的预测变化进行了定量评估。基于第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）的模拟，我们系统地量化了这些要素在陆地和海洋领域的历史基线和未来变化，并评估了它们对不同排放路径（SSP2–4.5和SSP5–8.5）的敏感性，涵盖了三个未来的时间范围。

通过结合多模型集合分析、时空诊断和跨情景比较，本研究从结构角度探讨了全球水循环在变暖条件下的重组过程。结果不仅量化了未来变化的幅度，还揭示了陆地与海洋之间的不对称性、时间演变以及对大陆水资源可用性的影响，提供了对变暖增强型水循环的更全面理解。

数据

本研究使用了第六阶段耦合模型比较项目（CMIP6）的数据集，该数据集是最新政府间气候变化专门委员会（IPCC）评估的核心。CMIP6包含了CMIP倡议历史上最广泛的模型集合，能够全面反映全球气候系统（IPCC，2021）。所有CMIP6数据均来自地球系统网格联盟（ESGF）数据门户：https://esgf-node.llnl.gov/projects/cmip6/。

本研究使用的CMIP6模拟包括...

关键水文要素的多模型一致性和基线真实性评估

为了确保所选CMIP6模型在预测未来水文气候变化方面的可靠性，我们使用统计和空间指标，评估了这些模型在历史基线时期（1995–2014年）与ERA5再分析结果的匹配程度。

图1评估了模型在蒸发量（E）、降水量（P）和总柱水汽量（TCWV）方面的表现。所有选定的模型均表现良好，大多数相关系数超过0.8，标准化标准差在参考值的$\pm$ 0.3范围内。

讨论

本研究全面评估了在两种未来排放情景（SSP2–4.5和SSP5–8.5）下，全球水循环主要组成部分（包括蒸发量、降水量、总柱水汽量（TCWV）以及海洋向陆地的水分输送）的预测变化。

我们的结果表明，在这两种情景下，21世纪蒸发量、降水量、TCWV和海洋向陆地的水分输送都将显著增加。

结论

我们的结果利用CMIP6多模型集合，量化了全球水循环对未来变暖的响应。通过联合分析陆地和海洋上TCWV、降水量、蒸发量以及海洋向陆地的水分输送的预测变化，我们提供了一个综合评估，揭示了空间结构和陆地与海洋之间的差异。整个21世纪水文循环将逐渐增强，且SSP5–8.5情景下的变化幅度更大、速度更快。

作者贡献声明

蔡艺楠：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念构建。陈泽生：撰写 – 审稿与编辑、监督、正式分析、概念构建。孙启伟：撰写 – 审稿与编辑、方法论、调查、正式分析。杜岩：撰写 – 审稿与编辑、监督、正式分析、概念构建。

利益冲突声明

蔡艺楠表示，本研究得到了中国国家重点研发计划的支持，文章发表费用也由该计划提供。陈泽生表示，他的研究得到了国家自然科学基金的支持。此外，如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的潜在利益冲突或个人关系可能影响研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFB3002400）、国家自然科学基金（42106021、42175043）以及中国科学院青年创新促进协会（2022347）的共同支持。