更集中的降水会减少陆地水储量

《Nature》：More concentrated precipitation decreases terrestrial water storage

　　

陆地水资源可利用性是人类和生态系统福祉的关键决定因素。除了平均降水量和蒸发量的变化之外，目前尚不清楚日尺度降水集中于更少、更强的降水事件如何影响水文分配和陆地水平衡。研究人员通过观测表明，在全球所有气候区，更集中的降水都会降低陆地水资源可利用性，其干燥效应的强度与总降水量增加的湿润效应相当。简单和复杂的陆面模型重现了观测到的效应，而理想化模拟显示，该效应源于由陆面水文分配变化引起的蒸发增强。在约2°C的变暖情景下，由变暖驱动的降水集中所产生的陆地水储量（Terrestrial Water Storage, TWS）预计影响将使地表进入异常干燥状态（≥0.5个标准差），这将影响全球27%的人口，且与任何总降水量或灌溉变化无关。研究结果表明了陆地水平衡的关键新决定因素，并突显了其对降水时间分布的敏感性，对未来水资源可利用性具有广泛影响。

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研究背景与问题

陆地水平衡对于生态系统和人类福祉至关重要。然而，由于观测数据稀疏以及缺乏统一气候与水文变化的理论，其未来发展具有不确定性。尽管水资源可利用性产生于平均降水与蒸发的平衡，但一个关键的不确定性在于，由变暖导致的日尺度降水特征和分布变化将如何改变长期的陆地水平衡。日降水分布的右偏意味着少数日子贡献了年降水的大部分。同时，该分布的极高百分位数对变暖的敏感性是年均降水量本身的逾三倍（＞7%?K^?1对比约2%?K^?1）。降水分布的不对称性及其对变暖的不平等响应意味着雨雪将集中在更少、更强、更局地化的事件中，期间被更长的干旱间隔分隔，这对陆地水资源可利用性的影响尚不明确。关于未来干旱化的争论通常集中在气候学上的降水-蒸发平衡，而关于降水增强影响的研究通常以洪水风险为中心。然而，降水集中可能通过重塑雨雪在河流、土壤和植被中的水文分配，对气候学上的陆地水平衡发挥重要的控制作用。但降水集中对气候学水资源可利用性的影响范围、空间格局和大小，无论在历史上还是未来气候中，都仍是未知的。

研究开展与结论

本研究分析了基于卫星的年度尺度陆地水储量（TWS）异常与由Gini系数估算的降水集中度（基于多个降水数据集）之间的观测关系。年度日尺度降水Gini系数（G_P）量化了一年中降水分布的均匀程度。研究人员的经验模型表明，降水集中降低了全球所有气候区的陆地水资源可利用性。集中对TWS变率产生的干燥效应的强度，与年总降水量本身的影响相当，表明降水集中对陆地水平衡具有超越长期降水与蒸散平衡的一阶控制作用。通过使用一个捕捉能量和水分间非线性行为的简单陆面模型，研究人员重现了其经验结果，并表明降水集中通过改变地表水文分配以及增加降水事件之间的短波辐射来增强蒸发——这与陆-气相互作用的基本原理一致。这些观测和理想化结果也与更复杂的地球系统模型中陆面分量的响应一致。最后，研究人员将其经验模型与观测及预估的集中趋势相结合，以估算历史和未来的TWS影响。研究结果指出，降水对陆地水资源可利用性的效用既取决于其高频分布，也取决于其年总量，并且这种效用会在变暖条件下降低。这项研究已发表在《Nature》杂志上。

关键技术方法

本研究综合运用了多源观测数据、统计模型和理想化陆面模拟。主要方法包括：1. 利用GRACE（重力恢复与气候实验）及其后续任务GRACE-FO卫星观测的陆地水储量（TWS）异常数据，分析其年际变率和长期趋势。2. 采用三个全球日尺度格点降水数据集（GPCP、GPCC、CPC）计算降水集中度Gini系数（G_P）。3. 构建包含空间与时间固定效应的面板回归模型，量化G_P、年总降水量及平均温度对TWS变率的独立影响，并控制灌溉等潜在混杂因素。4. 通过控制短波辐射，分离降水集中的辐射效应和强度-分配效应。5. 使用一个包含土壤、地表水、蒸发和径流过程的理想化陆面模型，在约1500个网格点上进行模拟，以验证观测关系并探究机制。6. 结合简单热力学降水增强模型预估的未来G_P变化，评估其对未来TWS的影响。

研究结果

陆地水与降水集中

自2002年以来，GRACE卫星提供了TWS异常记录，捕捉了土壤、含水层、植被和地表水体中观测到的水储量变化。降水集中度的年际变化与强降水日（＞第99百分位数）和干旱日（＜0.1?mm）均呈强烈且统计上显著的关联。降水集中与总降水量呈普遍的负相关，但与平均温度关系不大。自20世纪80年代以来，G_P趋势在不同地区有正有负。观测分析表明，在全球所有气候条件下，更高的G_P值与负的TWS异常统计显著相关，显示出降水集中对水资源可利用性的干燥效应。

降水集中的干燥效应

标准化回归系数表明，降水集中（G_P）对TWS的干燥效应幅度，与年总降水量自身的增湿效应相当但符号相反，并且约为温度干燥效应的三倍。G_P对TWS影响的幅度随气候学平均降水量的变化而变化，在较湿润气候中TWS损失更大。在流域尺度上，G_P对TWS的干燥效应在全球84%的流域中统计显著，其中80%为负效应。尽管在灌溉最密集的区域（≥10%的灌溉设备面积），G_P的干燥效应被放大，但TWS效应在全球95%的非密集灌溉土地（＜10%灌溉设备面积）上与全球平均水平无差异，表明全球性的土地干燥是水文气候的固有特征，与灌溉无关。

土地干燥的机制

降水集中必然意味着降水事件之间的干旱日增加，也意味着总体上更高的地表净短波辐射。研究表明，G_P主要通过改变地表水文分配的强度-分配效应导致干燥，而额外的短波辐射效应是次要的。强度-分配效应在所有气候条件下占主导，在干旱气候中几乎解释了全部的G_P–TWS效应。对GLEAM蒸发的经验分析部分支持G_P与蒸发之间的正相关关系。理想化陆面模型的模拟结果与观测效应一致，并揭示了其机制：在较高G_P年份，更多降水在地表形成积水，这些地表积水更容易蒸发，而向土壤的入渗减少，导致总蒸发增加。对MIROC6和CNRM-CM6-1气候模型在land-hist实验中的分析也得出了与观测一致的G_P对TWS的影响。

过去与未来的影响

观测到的G_P趋势已对过去几十年的TWS产生影响。将历史G_P趋势场与经验G_P–TWS关系结合估算，结果表明，全球经历G_P驱动的干燥人口比湿润人口略多。基于一个简单的热力学降水增强模型，研究人员预估了在比工业化前水平高约2°C的额外1°C变暖下，由未来降水集中导致的TWS变化。预估显示，仅因未来降水集中，就将导致广泛的相对TWS减少，全球50%的人口将经历≥1/3?σ_TWS的干燥，27%的人口将经历≥1/2?σ_TWS的干燥，这大致相当于平均转向异常干燥的条件。

讨论与结论

关于未来陆地水资源可利用性的争论通常集中在平均总降水量和蒸发量的长期变化上。本研究推进了这一框架，表明日尺度降水分布本身的特征对TWS具有独立于总降水量的一阶影响。集中效应——包括辐射和水文分配变化——减少陆地储水的程度，几乎与总降水量增加储水的程度相当。这些结果重新定义了干旱化的范畴，强调了陆面过程及其与变暖导致的降水集中之间的相互作用在整合日降水变率中的作用。

降水集中的干燥效应主要由蒸发损失增加引起，这在观测和陆面模型模拟中均有显示。强降水可能超过土壤入渗能力，积聚在地表，较低的气动阻力增加了蒸发，特别是在更长、更晴朗的干旱期。增强的蒸发解释了为什么高G_P年份尽管短波辐射增加但并未更暖。尽管地表积水增加，但研究结果显示总径流对降水集中没有显著响应。这与流域尺度研究形成对比，可能是由于尺度和水文收支项分类方式的差异。本研究所识别的全球TWS效应似乎是物理气候系统的固有特征，同时因人类灌溉用水产生的反馈而放大。

研究结论翻译

研究表明，日尺度降水的集中会降低陆地水资源可利用性，其影响幅度与年总降水量变化的影响相当。该效应源于地表水文分配变化导致的蒸发增强，并在全球观测、简单和复杂陆面模型中得到一致证实。未来由变暖驱动的降水集中将导致陆地水储量广泛减少，对全球很大一部分人口的水资源安全构成额外压力。这些发现强调，降水的时间分布与总量同等重要，是评估未来水资源可用性和干旱风险时必须考虑的关键因子。