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环境治理：土壤水分对旱地地表水可利用性的负反馈研究
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环境治理：土壤水分对旱地地表水可利用性的负反馈研究
加州北部旱地生态系统土壤水分下降，但是其地表水可利用性的变化很小。图片来源：哥伦比亚大学工程学院
科学家们认为，全球变暖将使湿润地区可用地表水的增加，地表水即由降水减去蒸腾作用产生的淡水资源，而旱地地区的可用地表水将减少。这种预测主要基于大气热力学过程。随着空气温度的升高，更多的水从海洋和陆地蒸发到空气中。由于较暖的空气比干燥的空气能容纳更多的水蒸气，一个更潮湿的大气层将放大现有可用水模式，大气对全球变暖的响应造成“干者愈干，湿者愈湿”的状态。
由Pierre Gentine, Maurice Ewing和J. Lamar Worzel这三位地球与环境工程学教授领导，并隶属于地球研究所的哥伦比亚工程小组遇到了这样的困惑：即使研究人员在模拟时使用了高排放的全球变暖情景，耦合气候模型的预测在旱地地区并没有得到明显的“干者愈干”相应，旱地地区指干旱指数在0.65以下的热带和温带地区。Sha Zhou是Lamont-Doherty地球观测站和地球研究所的博士后研究员，她的研究方向为陆地与大气之间的相互作用以及全球水循环。她认为土壤湿度-大气的反馈可能在未来旱地地区水资源可用量的预测中起到重要作用。
图片来源：Pixabay
发表于Nature Climate Change期刊上的这一新研究，首次提出了长期土壤水分变化和相关土壤水分-大气反馈在有关预测中的重要性。研究人员发现，土壤水分对大气环流和水分输送的长期调节，在很大程度上改善了旱地未来可用水量的潜在下降情况，这一结果超过了没有考虑土壤水分反馈情况时的预期。
Zhou介绍道：“对于长期地表水变化来说，这些反馈所起的作用比我们想象中更为重要。因为土壤水分变化对水资源可利用性有着负反馈，这一负反馈作用能够在一定程度上减弱由气候变暖驱动的极端水文气候事件的程度与发生频率，比如说干旱和洪水。没有土壤水的负反馈作用，我们或许会经历更频繁和更极端的干旱和洪水事件。”
图片来源：Pixabay
该研究小组将一个独特的、理想化的多模型土地-大气耦合实验与他们针对该研究开发的一种新统计方法相结合。他们随后将该算法应用于观测，以验证土壤水分-大气反馈在未来旱地供水变化中的关键作用，并研究由于这些反馈而导致的未来供水量变化的热力学和动态机制。
他们发现，在全球变暖的作用下，海洋区域干旱地区地表水的可用量（降水量减去蒸发量，P-E）强烈下降，而旱地区域的P-E值仅轻微下降。Zhou猜测这种现象与陆地-大气过程有关。她解释道：“预计在气候变化影响下，旱地区域的土壤水分大幅下降。土壤水分的变化又进一步影响了大气过程和水循环。”
全球变暖会减少水资源可用量，也会减少旱地地区的土壤含水量。但是这一新研究发现土壤水分的干旱加剧情况实际上对水资源可用量产生了负反馈，即减少的土壤水降低了蒸发以及冷凝作用，与湿润地区和海洋地区相比，旱地地区的地表温度也因此增加。这一陆地与海洋变暖反差增强了陆地与海洋的气压差，使得更为强劲的风将水蒸气从海洋运输到陆地上。
Gentine介绍道：“我们的研究发现土壤水分预测以及相关的大气反馈具有高度变化性，同时也有模型依赖性。这一研究强调了改进未来土壤水分预测情况及在模型中准确表示土壤水分-大气反馈的迫切需要，这对提供可靠的旱地水供应预测从而达到改善水资源管理的目的至关重要。”
翻译：汪亚及
审校：董子晨曦
引进来源：哥伦比亚大学工程与应用科学学院
引进链接：https://phys.org/news/2021-01-soil-moisture-exerts-negative-feedback.html
本文来自：环球科学
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加州北部旱地生态系统土壤水分下降，但是其地表水可利用性的变化很小。图片来源：哥伦比亚大学工程学院
科学家们认为，全球变暖将使湿润地区可用地表水的增加，地表水即由降水减去蒸腾作用产生的淡水资源，而旱地地区的可用地表水将减少。这种预测主要基于大气热力学过程。随着空气温度的升高，更多的水从海洋和陆地蒸发到空气中。由于较暖的空气比干燥的空气能容纳更多的水蒸气，一个更潮湿的大气层将放大现有可用水模式，大气对全球变暖的响应造成“干者愈干，湿者愈湿”的状态。
由Pierre Gentine, Maurice Ewing和J. Lamar Worzel这三位地球与环境工程学教授领导，并隶属于地球研究所的哥伦比亚工程小组遇到了这样的困惑：即使研究人员在模拟时使用了高排放的全球变暖情景，耦合气候模型的预测在旱地地区并没有得到明显的“干者愈干”相应，旱地地区指干旱指数在0.65以下的热带和温带地区。Sha Zhou是Lamont-Doherty地球观测站和地球研究所的博士后研究员，她的研究方向为陆地与大气之间的相互作用以及全球水循环。她认为土壤湿度-大气的反馈可能在未来旱地地区水资源可用量的预测中起到重要作用。
图片来源：Pixabay
发表于Nature Climate Change期刊上的这一新研究，首次提出了长期土壤水分变化和相关土壤水分-大气反馈在有关预测中的重要性。研究人员发现，土壤水分对大气环流和水分输送的长期调节，在很大程度上改善了旱地未来可用水量的潜在下降情况，这一结果超过了没有考虑土壤水分反馈情况时的预期。
Zhou介绍道：“对于长期地表水变化来说，这些反馈所起的作用比我们想象中更为重要。因为土壤水分变化对水资源可利用性有着负反馈，这一负反馈作用能够在一定程度上减弱由气候变暖驱动的极端水文气候事件的程度与发生频率，比如说干旱和洪水。没有土壤水的负反馈作用，我们或许会经历更频繁和更极端的干旱和洪水事件。”
图片来源：Pixabay
该研究小组将一个独特的、理想化的多模型土地-大气耦合实验与他们针对该研究开发的一种新统计方法相结合。他们随后将该算法应用于观测，以验证土壤水分-大气反馈在未来旱地供水变化中的关键作用，并研究由于这些反馈而导致的未来供水量变化的热力学和动态机制。
他们发现，在全球变暖的作用下，海洋区域干旱地区地表水的可用量（降水量减去蒸发量，P-E）强烈下降，而旱地区域的P-E值仅轻微下降。Zhou猜测这种现象与陆地-大气过程有关。她解释道：“预计在气候变化影响下，旱地区域的土壤水分大幅下降。土壤水分的变化又进一步影响了大气过程和水循环。”
全球变暖会减少水资源可用量，也会减少旱地地区的土壤含水量。但是这一新研究发现土壤水分的干旱加剧情况实际上对水资源可用量产生了负反馈，即减少的土壤水降低了蒸发以及冷凝作用，与湿润地区和海洋地区相比，旱地地区的地表温度也因此增加。这一陆地与海洋变暖反差增强了陆地与海洋的气压差，使得更为强劲的风将水蒸气从海洋运输到陆地上。
Gentine介绍道：“我们的研究发现土壤水分预测以及相关的大气反馈具有高度变化性，同时也有模型依赖性。这一研究强调了改进未来土壤水分预测情况及在模型中准确表示土壤水分-大气反馈的迫切需要，这对提供可靠的旱地水供应预测从而达到改善水资源管理的目的至关重要。”
翻译：汪亚及
审校：董子晨曦
引进来源：哥伦比亚大学工程与应用科学学院
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