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亟需提升蒸散发对植被变化响应的模拟能力

来源：花匠小妙招时间：2024-10-07 08:31

原文发表于2024年3月《自然-水》

Urgent need to improve modelled sensitivity of evaporation to vegetation change

亟需提升蒸散发对植被变化响应的模拟能力

地球系统模式对“植被—气候反馈”的模拟与预测往往依赖于模式中蒸散发对植被变化响应的准确性，不合理的模式敏感性可能产生误导性的结论。在本篇Comment中，作者系统论述了目前地球系统模式蒸散发对植被变化响应的敏感性中存在的问题，阐释了改进模式蒸散发分配、将地下水连通性纳入模式等工作的重要性，并提出了解决这一问题的关键途径。

关于植被与气候相互作用的讨论已经延续了一个世纪并持续至今。植被与全球水循环的相互作用尤其紧密，蒸散发在其中起着关键作用，被称为“水、热和碳通量的纽带”。全球植被正在发生显著的变化，通过改变陆—气间水、热和动量的交换，产生重要的生物物理反馈作用，对气候系统和水循环产生深远影响。因此，深刻理解植被变化如何重塑蒸散发等通量交换过程，以及这些变化如何与气候系统相互作用，对合理预测气候变化和制定有效缓解策略至关重要。

模拟蒸散发对植被变化响应敏感性中存在的问题

地球系统模式已成为模拟植被与气候关系的不可或缺的工具，但目前各模式在模拟蒸散发对植被变化响应的方向和幅度上缺乏共识，持续引发着疑问和争议。CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）中的理想化森林砍伐实验（deforest-glob）值得关注，该系列模拟将热带和北半球中纬度等地的2000万平方公里的森林在1850-1899年间线性转变为自然草地。基于观测的评估揭示上述地区森林砍伐的气候反馈作用由蒸散发降低引起的增温效应主导。然而，deforest-glob中的大多数模式展示出不合理的由大规模森林砍伐引起的全球降温效应（图1a）。各模式间森林砍伐对蒸散发和植被蒸腾影响的显著差异是造成这一现象的重要原因（图1b，c）。另外在一项模拟全球叶面积指数增加（“地表变绿”）的气候反馈的工作中，三个地球系统模式分别得到了蒸散发增加、减少和未显著变化等不同结论（Zeng et al., 2017）。这些结果均表明，目前地球系统模式在模拟蒸散发对植被变化响应方面存在巨大的不确定性。

图1 deforest-glob试验中理想化森林砍伐对气候影响的差异。

图中展示了参与该试验的8个地球系统模式集合模拟的a 地表温度，b 蒸散发，c 植被蒸腾对森林砍伐响应的敏感性大小及标准差。**表示P <0.01，*表示P <0.05，n.s.表示不显著。

改进模式蒸散发分配是提升模拟能力的关键

蒸散发（E）主要由蒸发（包括土壤水蒸发（Es）和树冠截留损失（Ei））和植被蒸腾（Et）组成。Es主要受限于浅层土壤水含量和蒸发所需能量，而Et则更多由植被生理过程所影响，两者对植被变化的响应存在差异（图2a）。因此，蒸散发分配（Et/E）极大地调节着“植被—气候反馈”的方向和幅度。基于全球水同位素的观测显示，约64 ±13%的陆地总蒸散发通过植被蒸腾的方式返回到大气中（Good et al., 2015）。GLEAM全球蒸散发数据集也展示了植被蒸腾在总蒸散中的主导作用，植被蒸腾占比为70.2 ±0.5%（图2b）。

然而，地球系统模型模拟的蒸散发分配（Et/E）严重低于观测值，此前CMIP5中的19个模式的多模型平均Et/E值仅为41 ±11%（Lian et al., 2018）。上述问题在参与CMIP6的模式中仍然存在，40个模式的平均Et/E值为46.4 ±13.5%（图2b）。在模式中土壤蒸发对植被变化敏感性的高估、叶片到冠层尺度参数化的不确定性等因素的共同作用下，显著低估的蒸散发分配使得模式对植被变化引起的陆—气间水分和能量响应不敏感，不能合理模拟植被变化对气候系统的反馈，进而影响我们对气候变化问题的科学理解。

图2 地球系统模式中蒸散发分配问题示意图。

a 蒸散发包含的主要过程以及土壤蒸发和植被蒸腾对植被变化的不同响应。b 不同数据源的全球平均Et/E估计值及标准差。c 地下水连通性与蒸散发分配之间关系的概念图。地球系统模式通常过度简化地下水的联系，导致较低的Et和Es，低估Et/E值，如左侧所示。地表与地下水之间良好的连通性可以使植被在浅层土壤干燥后继续补给植被蒸腾所需水分，调整蒸散发分配，如右侧所示。

当前地球系统模式对地下水连通性的表征不足可能是Et/E低估的重要原因（图2c）。土壤水蒸发与浅层土壤水相互作用，而植被蒸腾则从深层根区提取水。因此，地表和地下水位之间的连通性在调节蒸散发分配方面有着重要作用。一项基于耦合水文模拟的研究表明，在模型中考虑侧向流可将模拟的Et/E值从47%提升至62%（Maxwell & Condon, 2016）。然而，目前的地球系统模式大多采用较浅的土壤深度，地下水过程往往被简化或忽略，导致土壤水和植被蒸腾的水供应不足，进而影响整个地球系统模拟的精度和可靠性。

改进模式蒸散发分配的途径

持续的陆地蒸散发监测：有限的地表蒸散发组分观测是提高模拟能力的重大障碍，建立地表观测塔进行长期连续的陆地蒸散发监测至关重要。基于卫星遥感的蒸散发监测提供了具有更大空间覆盖、更高分辨率的解决方案，需进一步完善反演算法和开展数据验证工作，以提高数据质量和增强对蒸散发时空变化特征的理解。

基于观测的蒸散发对植被变化的敏感性分析：目前地球系统模式中不同蒸散发组分对植被变化的响应存在很大的不确定性，重要原因是缺乏从局地到区域尺度的基于观测约束的敏感性参数。亟需综合多源蒸散发和植被变化数据，探索不同区域、不同植被类型以及水热空间下蒸散发对植被变化的敏感性差异和分布特征。

地球系统模式中蒸散发参数的改进：基于观测约束的多尺度蒸散发对植被变化的敏感性，对模式中影响水热通量的关键冠层、光合作用和气孔参数进行更新和细化，以提升目前蒸散发各组分对植被变化的不合理响应，特别是加强对植被蒸腾过程的建模，进而提高地球系统模式模拟植被—大气相互作用的能力。

提升模式对地下水过程的表征：在地球系统模式中完善地下水相关参数或集成地下水模块将丰富目前模式中过度简化的地表到地下水的连通性。通过更合理地考虑根系较深的植物对水的利用，以及增加对水力导度、根系特征、垂直土壤特性和地下水位的表征，可加强对地下水过程的更精确理解，进而改善蒸散发分配问题，有助于减少模式对水循环和能量平衡模拟的不确定性。

参考文献：

Good, S. P., Noone, D. & Bowen, G. Science 349, 175–177 (2015).

Lian, X. et al. Nat. Clim. Change 8, 640–646 (2018).

Maxwell, R. M. & Condon, L. E. Science 353, 377–380 (2016).

Zeng, Z. et al. Nat. Clim. Change 7, 432–436 (2017).

作者简介

School of Environmental Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen, China.

Dashan Wang & Zhenzhong Zeng

Corresponding author

Zhenzhong Zeng

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