全球极端降水的热力学驱动机理及生态水文效应

摘要

全球变暖改变了气候系统的热力和动力环境,影响了陆地圈与大气圈的生物地球化学循环过程,对极端降水及陆地碳收支产生显著影响.现有研究发现极端降水一般呈Hook气候响应结构,但较少分析其形成机理,也未能量化降水对生态系统生产力的影响,不利于科学评估未来极端气候灾害及潜在生态风险.为了揭示全球极端降水的热力学驱动机理及生态水文效应,文章结合十余套卫星遥感、大气再分析、气候模式、陆面模式、机器学习重构和通量站观测数据集,评估了水-热-碳通量对极端降水的反馈效应,通过大气热力和动力机制的降水效应解释了Hook结构形成机理;基于ISIMIP3b框架下5个全球气候模式集合,预估了未来Hook结构迁移路径及其对极端降水的影响,最后结合CLM4.5陆面模式探讨了气候变化下降水的碳收支效应.研究发现,极端降水事件往往伴随着剧烈的水-热交换,降水与生态系统生产力及碳收支过程存在非线性响应关系;全球大多数地区极端降水强度上升、历时缩短,三维降水事件更趋集中;大气动力作用是形成Hook结构的关键因素,但该结构并不稳定,未来随全球变暖发生动态迁移,可能导致本世纪末极端降水强度增长10~40%;较充沛的降水有助于生态系统固碳,气候变化下碳收支对降水的响应特征较为稳定.