河海大学/南京信息工程大学Nature Communications|土壤水分-大气反馈对干燥和潮湿热浪的相反效应

• 标题：Contrary effects of soil moisture-atmosphere feedback on dry and humid heatwaves

• 期刊：《nature communications》(中科院1区Top, IF=15.7)

• 作者：  Sisi Chen, et al.

• doi：   https://doi.org/10.1038/s41467-026-70210-y

热浪是最具破坏性的自然灾害之一，频繁导致农作物减产、植物死亡和经济损失，对生态系统和社会经济发展构成严重威胁。仅在本世纪，最致命的热浪就造成了数万人死亡。在全球变暖背景下，极端天气事件变得愈发频繁和强烈，其中极端高温事件的增强尤为显著，这激发了科学界对热浪驱动机制的浓厚兴趣。人为温室气体排放被认为是加剧热浪风险的主要全球驱动因素，因为增强的温室效应提升了全球温度并增加了极端热事件的发生概率。然而，一个核心且重要的问题是：地表湿度和温度条件在多大程度上交互影响极端高温的演变？虽然陆-气反馈在调节极端高温中的作用已逐渐确立，但现有研究主要集中于干热浪（仅以极端温度异常为特征），而对湿热浪（同时涉及温度和湿度异常）的关注相对较少，尽管湿热浪对社会的影响更为深远。关键的是，湿热浪对人类健康的威胁比干热浪更严重，因为高湿度严重损害人体体温调节功能，导致与热相关的死亡率显著上升。陆-气反馈 increasingly 被认为是水文气象极端事件的局地放大器。随着土壤湿度下降，减少的蒸散发将地表能量分配转向感热，从而提高近地表气温。同时，减弱的蒸散发降低大气湿度，通过增加蒸发需求进一步加剧土壤干燥。这种正的土壤湿度-大气反馈（SAF）循环大幅放大了热浪的强度和持续时间，占历史干热浪发生增加量的25%至50%以上。在持续全球变暖下，土壤湿度的持续耗竭预计将进一步增强SAF，从而加剧干热浪事件的频率、持续时间和强度。相比之下，土壤湿度与湿热浪之间的相互作用因潜热和感热通量之间能量分配的转变而变得复杂。虽然土壤干燥通过增强感热加热放大极端温度，但相关的蒸发减少可同时抑制空气湿度——潜在缓解湿热浪条件。例如，最近一项研究表明，在美国本土，土壤湿度与干热浪呈负相关，而与湿热浪呈正相关。鉴于这些相反效应——减少的土壤湿度既加剧温度（正反馈）又降低相对湿度（负反馈）——SAF对湿热浪的净影响在气候变化下比其对干热浪的影响 substantially 更为复杂。此外，新兴证据揭示了湿热浪和干热浪对全球变暖的不同响应，具有显著不同的气候敏感性。因此，系统比较评估SAF对这两种热浪的影响对于阐明其不同的物理机制、最终为有效和有针对性的气候适应策略提供信息势在必行。

本研究结合了CMIP6的SAF扰动实验与偏微分分析，构建了1985-2014年期间SAF对全球湿热和干热热浪影响的图谱，并阐明了其潜在机制。研究使用了第五代ECMWF再分析数据（ERA5）作为参考数据集，该数据因其良好的性能和同化大量全球站点及卫星观测而被选用。ERA5原始空间分辨率为0.25°×0.25°，通过双线性插值重采样至1°×1°。小时相对湿度由小时近地表温度、地表气压和比湿计算得出，日平均温度和相对湿度由小时值计算得出。研究收集了CMIP6历史实验（ALL）1951-2014年的日平均温度和相对湿度数据，以及LFMIP-pdLC实验1980-2014年的数据。CMIP6-ALL实验包含所有外部强迫，模拟真实世界气候系统，适用于与观测比较。LFMIP-pdLC实验从1980年开始，使用ALL实验同年的初始条件，除土壤湿度被规定为1980-2014年气候平均态外，其他设置与ALL实验相同。研究选择了五个CMIP6模式：CNRM-CM6-1、EC-Earth3、IPSL-CM6A-LR、MIROC6和MPI-ESM1-2-LR，因为它们提供了两个实验的日输出数据。干热浪和湿热浪事件被定义为连续三天或以上日平均干球温度或湿球温度超过各自90百分位阈值的时间段。湿球温度由干球温度和相对湿度通过Stull公式计算得出。研究采用偏微分方程估计SAF引起的湿球温度变化，将总变化分解为温度变化和相对湿度变化的贡献。SAF耦合指数定义为月土壤湿度与近地表比湿的相关系数乘以比湿标准差，用于量化土壤湿度-大气耦合强度。为量化SAF对历史热浪变化的影响，研究比较了ALL实验和LFMIP-pdLC实验的差异。总变化包括所有因素（如外部强迫、内部变率和SAF）的综合影响，而无SAF的变化通过LFMIP-pdLC实验估计。SAF效应定义为总变化与无SAF变化之差，其相对贡献以百分比表示。研究还将SAF引起的热浪变化分解为平均态变化和变率变化，通过拟合二阶多项式提取变暖/变冷信号。

历史热浪变化与模式可靠性：ERA5再分析数据揭示了1951-2014年干热和湿热热浪历史平均年总持续时间（TDUR）和总严重程度（TSEV）的空间一致性模式。TDUR在热带和亚热带地区（包括东非、澳大利亚北部和印度） substantially 更长，而TSEV在高纬度地区（包括加拿大东北部和西伯利亚）更为显著。CMIP6历史模拟的多模式集合平均很好地捕捉了这些空间模式，空间相关系数范围为0.67-0.96，相对绝对误差为9%-17%。

1985-2014年相对于1951-1980基准期，热浪TDUR和TSEV的变化显示：再分析数据集揭示湿热浪TDUR全球增加，趋势最明显的地区包括南美洲北部、中非和亚洲海洋性大陆。TSEV也呈全球增加趋势，但最大增幅集中在高纬度地区（60-90°N），其次是热带（20°S-20°N）。与湿热浪相比，干热浪表现出相似的空间变化模式，但TDUR增幅较小，TSEV增幅更大。CMIP6历史模拟的多模式集合平均能够合理模拟湿热和干热浪TDUR的时间演变，空间相关系数为0.66-0.77。

SAF对湿热和干热浪的影响：SAF对1985-2014年湿热浪变化的影响显示，SAF在低纬度（20°S-20°N）、南半球中纬度（20-60°S）、北美西南部（20-40°N，55-91°W）以及中欧和南欧（20-60°N，10°W-70°E）地区 substantial 减少了湿热浪的年总持续时间和严重程度10-20天和15-20K。与其他因素（如气候变暖）的综合影响相比，SAF的减少效应缓解了湿热浪增加趋势的10-40%，在欧洲、澳大利亚和北非尤为显著。

相反，SAF在北半球高纬度（60-90°N）地区（如阿拉斯加、北亚和北欧）增加了年总持续时间和严重程度5-10天和15-20K，从而放大了湿热浪增加趋势的10-50%。这些相反效应导致SAF对湿热浪变化的全球尺度影响相互抵消，全球平均影响仅为-0.82天和-0.26K，表明SAF在塑造湿热浪变化的空间分布中发挥关键作用，而非 substantial 改变全球平均值。

相比之下，SAF generally 增强了干热浪的持续时间和严重程度。SAF的影响超过亚热带地区其他因素综合影响的1.5倍，表明SAF是干热浪变化的主导驱动因素。

耦合强度的依赖性：SAF对湿热和干热浪影响的空间变化与SAF耦合指数显著相关。具体而言，在耦合指数较低（<0.2）的地区，SAF倾向于增加湿热浪的年总持续时间和严重程度，但随着指数超过0.4而减少。相反，耦合指数越强，SAF引起的干热浪总持续时间和严重程度的增加越大。强SAF耦合的热点地区包括南亚、东南亚、北美中部、南美东部、非洲北部和南部以及澳大利亚。

影响机制：SAF对湿热浪的空间变化效应主要归因于湿球温度平均态的改变，而非其变率。SAF引起的干球温度变暖通常归因于"更暖气候-更干土壤"反馈，但仅凭气候尺度反馈无法充分解释干热浪的广泛增加。关键的是，在次季节到年际尺度上，土壤湿度对正温度异常的响应变率也可触发"更暖-更干"反馈。这种不对称影响导致干球温度的净正效应。

SAF对湿球温度变化的影响是SAF引起的干球温度变化和相对湿度变化的综合效应。在中低纬度地区，SAF引起的蒸散发抑制 depletes 近地表水分供应，导致比湿下降趋势并放大热力学干燥。温度和降低湿度的 combined 效应导致相对湿度显著下降。在这些地区，SAF的干燥影响超过其变暖效应，导致湿球温度降低和湿热浪相应减少。相比之下，在高纬度地区，蒸散发受能量限制，大气变暖可刺激额外蒸散发，部分抵消更高温度的热力学干燥。这里，SAF的变暖效应占主导，产生湿球温度的净增加并促成更频繁的湿热浪。

SAF对干、湿热浪的相反效应：在1985-2014年期间，SAF在全球范围内普遍加剧了干热浪的持续时间和强度，尤其在副热带地区，其影响甚至超过了其他因子总和的1.5倍。然而，对湿热浪的影响则呈现显著的空间异质性。在低-中纬度（如20°S-20°N）的强耦合区（如欧洲、澳大利亚、北美西南部），SAF使湿热浪的年累积持续时间减少了10-20天，强度降低了15-20 K，抵消了其他因素（如气候变暖）带来增量的10-40%。相反，在北美、亚洲北部等北半球高纬度地区（60-90°N），SAF却使湿热浪的持续时间和强度增加了5-10天和15-20 K。主控因素：平均态变化：通过对SAF效应的分解发现，其上述空间差异性的影响主要源于SAF对湿球温度“平均态”的改变，而非对其“变率”的改变。SAF引起的平均态变化可解释>70% 的湿热浪变化。核心机制：“增温”与“减湿”的竞争：SAF一方面通过减少蒸发、增加感热通量导致干球温度升高（增温效应），另一方面又因蒸发减少而抑制了近地面水汽输送，导致相对湿度下降（减湿效应）。湿球温度的变化正是这两种效应竞争的结果。在低-中纬度地区，SAF引起的相对湿度下降（干燥）占主导，其冷却作用超过了增温效应，最终导致湿球温度降低，从而抑制了湿热浪。在高纬度地区，蒸发受能量限制，SAF的增温效应能够激发额外的蒸发，部分抵消了温度升高带来的热力干燥。此时，增温效应占主导，导致湿球温度升高，从而加剧了湿热浪。

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