近几十年来，关于干旱区变化的物理过程已得到广泛研究，但陆-气耦合作用在干旱区水资源演变中的作用仍未充分厘清，尤其是上游陆-气耦合作用如何调控下游水文气候情势仍不明晰。基于观测约束的拉格朗日水汽输送模型为研究该问题提供了新途径。
导 读
干旱区覆盖约45%的地球陆地，养育约40%的人口和约30%的濒危物种。然而，全球气候变暖正通过多重过程与反馈机制加剧干旱区的干旱化。干旱区变化的物理过程近年来得到广泛关注，但陆-气耦合作用对旱区下游水资源演变的影响仍未充分厘清。基于观测约束的物理过程模型–拉格朗日水汽输送模型有效揭示了陆-气耦合作用在不同时间尺度上对本区及下游地区水文气候情势变化的影响。
图1 全球变暖影响下陆-气耦合作用驱动干旱区干旱事件传播及干旱区扩张示意图。图中E’p, E’, P’, H’, SM’, M’, P’eff分别表征潜在蒸散发距平、实际蒸散发距平、降水距平、感热通量距平、土壤水距平、水汽距平和降水效率距平。
引言
干旱区覆盖约45%的地球陆地，养育约40%的人口和约30%的濒危物种。然而，全球气候变暖正通过多重过程与反馈机制加剧干旱区的干旱化。干旱区变化的物理过程近年来得到广泛关注，但陆-气耦合作用对旱区下游水资源演变影响仍未充分厘清。近年来，受益于计算能力的提升，基于物理过程的通用水汽输送模型为探索这一问题提供了新机遇。利用拉格朗日水汽输送模型，可基于水分子运动轨迹和热量传输过程，探究水热来源-接收关系，解析全球变化下陆-气耦合作用对旱区下游水文气候情势演变的影响机制。
长期陆-气耦合作用导致干旱区自扩张
众多研究表明，随着全球变暖的加剧，水汽压亏缺上升，干旱区将进一步扩张。十年际尺度的陆-气耦合作用是干旱区扩张的重要原因之一。Koppa等人发表于Science的研究，利用拉格朗日水汽追踪模型量化了1980–2018年间陆-气耦合作用对全球干旱区扩张的影响。该研究表明，全球变化影响下的陆-气耦合作用驱动了“干旱区自扩张”，即上游干旱区变化引发下游地区干旱化的发生。这一过程的贡献在全球约40%的干旱区扩张中占比超过50%，在澳大利亚和欧亚大陆部分干旱区扩张中的影响尤为显著。在干旱区自扩张过程中，上游干旱区的旱化程度决定了下游湿润区向干旱区的转化过程，即便上游干旱区并不是下游地区的主要水分来源。陆-气耦合作用主要通过上游降水减少和潜在蒸散发增强这两种途径导致下游地区的干旱化。在上述过程中，上游地区局地实际蒸散发减少，进而导致地表感热通量增强；其后通过大气平流过程驱使下游地区蒸散发减小、降水量减少，最终导致下游地区干旱化（图1）。
短期陆-气耦合作用驱动干旱区干旱事件自传播
值得一提的是，陆-气耦合作用不但存在于长时间尺度。在短时间尺度上，该作用仍可影响下游的水文气象情势，并导致干旱事件传播。Schumacher等人采用拉格朗日水汽输送模型，量化了陆-气耦合作用在干旱事件尺度上的影响。研究表明，干旱区上游的干旱事件可以通过陆-气耦合作用传播至下游区域，导致下游地区降水减少并发生干旱，这一过程被称为“干旱自传播”。在过去四十年间发生的40次最严重干旱事件中，干旱区的干旱事件导致下游降水减少约16%，单月降水量减少幅度最大可达到32%。
那么，上游干旱区干旱事件是否总会导致下游降水减少？事实上，干旱事件自传播的发生取决于下游地区的水汽来源。只有在区域尺度水汽循环率较高的地区，上游干旱事件才会直接导致下游降水减少，并驱动干旱事件自传播。例如，在非洲南部的干旱区，降水减少时，区域间循环的水汽量也相应减少，干旱事件加剧，促使干旱自传播效应更加显著。但在沿海地区，由于其水汽主要来源于海洋蒸发补给，上游干旱事件对下游降水的影响则相对较小。这也反映了短期（事件尺度）与长期（十年际尺度）陆-气耦合作用的区别。短期与长期陆-气反馈作用的另一个区别在于，由于干旱事件主要受控于降水亏缺，陆-气耦合的主要作用是加剧由于异常大气动力过程所引发的降水亏缺，降低水汽量并削弱降水效率，进而导致干旱传播（图1）；而干旱区扩张除了受降水亏缺影响外，还可能源于潜在蒸发量的增加。
总结与展望
全球变暖驱动了干旱区的干旱化，并通过长期陆-气耦合作用促使干旱区自扩张。在事件尺度上，上游地区的陆-气耦合作用促进了干旱事件自传播，扩大了干旱事件影响区域。随着全球气温的持续上升，陆-气耦合作用与大气环流模式等动力学过程的耦合反馈机制可能进一步增强，从而加剧水文气候极端事件的频率和强度，对干旱区社会-生态系统造成更大压力。未来研究可将机器学习模型与基于物理过程的拉格朗日水汽输送模型相结合，全面探究陆-气耦合作用及其与大气热动力系统的交互作用对干旱区水文气候情势演变的影响。
责任编辑
何 盼 卡迪夫大学
居 阳 南京大学
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第6卷第5期以Commentary发表的“Land–Atmosphere feedbacks drive dryland drought and expansion under climate warming” (投稿: 2024-11-26；接收: 2025-02-25；在线刊出: 2025-02-26)。
DOI:10.1016/j.xinn.2025.100863
引用格式：Gu L., Schumacher D., Wang H., et al. (2025). Land–Atmosphere feedbacks drive dryland drought and expansion under climate warming. The Innovation 6:100863.
作者简介
顾 磊，2023年加入苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。主要研究方向：气候变化对水文气象极端事件（极端降水、干旱、洪水、复合灾害）的影响，结合统计学习、机器学习、深度学习技术解析陆-气耦合及大尺度环流、大气热力及动力过程驱动下水-热通量的迁移机制。
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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