環境治理：土壤水分對旱地地表水可利用性的負反饋研究

加州北部旱地生態係統土壤水分下降，但是其地表水可利用性的變化很小。圖片來源：哥倫比亞大學工程學院
科學家們認為，全球變暖將使濕潤地區可用地表水的增加，地表水即由降水減去蒸騰作用產生的淡水資源，而旱地地區的可用地表水將減少。這種預測主要基於大氣熱力學過程。隨著空氣溫度的升高，更多的水從海洋和陸地蒸發到空氣中。由於較暖的空氣比幹燥的空氣能容納更多的水蒸氣，一個更潮濕的大氣層將放大現有可用水模式，大氣對全球變暖的響應造成“幹者愈幹，濕者愈濕”的狀態。
由Pierre Gentine, Maurice Ewing和J. Lamar Worzel這三位地球與環境工程學教授領導，並隸屬於地球研究所的哥倫比亞工程小組遇到了這樣的困惑：即使研究人員在模擬時使用了高排放的全球變暖情景，耦合氣候模型的預測在旱地地區並沒有得到明顯的“幹者愈幹”相應，旱地地區指幹旱指數在0.65以下的熱帶和溫帶地區。Sha Zhou是Lamont-Doherty地球觀測站和地球研究所的博士後研究員，她的研究方向為陸地與大氣之間的相互作用以及全球水循環。她認為土壤濕度-大氣的反饋可能在未來旱地地區水資源可用量的預測中起到重要作用。


圖片來源：Pixabay
發表於Nature Climate Change期刊上的這一新研究，首次提出了長期土壤水分變化和相關土壤水分-大氣反饋在有關預測中的重要性。研究人員發現，土壤水分對大氣環流和水分輸送的長期調節，在很大程度上改善了旱地未來可用水量的潛在下降情況，這一結果超過了沒有考慮土壤水分反饋情況時的預期。
Zhou介紹道：“對於長期地表水變化來說，這些反饋所起的作用比我們想象中更為重要。因為土壤水分變化對水資源可利用性有著負反饋，這一負反饋作用能夠在一定程度上減弱由氣候變暖驅動的極端水文氣候事件的程度與發生頻率，比如說幹旱和洪水。沒有土壤水的負反饋作用，我們或許會經曆更頻繁和更極端的幹旱和洪水事件。”


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該研究小組將一個獨特的、理想化的多模型土地-大氣耦合實驗與他們針對該研究開發的一種新統計方法相結合。他們隨後將該算法應用於觀測，以驗證土壤水分-大氣反饋在未來旱地供水變化中的關鍵作用，並研究由於這些反饋而導致的未來供水量變化的熱力學和動態機製。
他們發現，在全球變暖的作用下，海洋區域幹旱地區地表水的可用量（降水量減去蒸發量，P-E）強烈下降，而旱地區域的P-E值僅輕微下降。Zhou猜測這種現象與陸地-大氣過程有關。她解釋道：“預計在氣候變化影響下，旱地區域的土壤水分大幅下降。土壤水分的變化又進一步影響了大氣過程和水循環。”
全球變暖會減少水資源可用量，也會減少旱地地區的土壤含水量。但是這一新研究發現土壤水分的幹旱加劇情況實際上對水資源可用量產生了負反饋，即減少的土壤水降低了蒸發以及冷凝作用，與濕潤地區和海洋地區相比，旱地地區的地表溫度也因此增加。這一陸地與海洋變暖反差增強了陸地與海洋的氣壓差，使得更為強勁的風將水蒸氣從海洋運輸到陸地上。
Gentine介紹道：“我們的研究發現土壤水分預測以及相關的大氣反饋具有高度變化性，同時也有模型依賴性。這一研究強調了改進未來土壤水分預測情況及在模型中準確表示土壤水分-大氣反饋的迫切需要，這對提供可靠的旱地水供應預測從而達到改善水資源管理的目的至關重要。”
翻譯：汪亞及
審校：董子晨曦
引進來源：哥倫比亞大學工程與應用科學學院
引進鏈接：https://phys.org/news/2021-01-soil-moisture-exerts-negative-feedback.html
本文來自：環球科學

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