南京信息工程大学陆气相互作用团队在《Water Resources Research》量化高排放情景下辐射和植被生理强迫对陆地潜在蒸散发和干湿变化的影响

大气CO₂浓度升高通过辐射（即温室效应导致的增温）和植被生理强迫（即气孔关闭、施肥效应等）影响着气候系统，但它们在未来潜在蒸散发（PET）和干湿变化中的具体作用仍不清楚。南京信息工程大学NUIST陆气相互作用团队孙善磊教授与其指导的硕士生徐佳伶以及合作者，利用CMIP6中7个地球系统模式的理想化试验构建了一个定量分析框架，量化了CO₂辐射强迫、生理强迫、二者交互作用以及CO₂直接生理效应（即CO₂浓度升高引起的气孔导度减小），对未来（第106–135年）年PET和干湿状况（相对于历史时期，第2–31年）变化中的贡献。该研究全面揭示了未来PET和干湿变化的驱动机制，为预防与水有关的灾害以及制定科学有效的减缓策略提供了重要参考。相关成果发表于Water Resources Research。主要结论如下：

1. 未来PET和干湿变化特征

未来全球陆地年PET整体呈增加趋势，增幅为108.52 ± 39.80 mm（图1a）。总体而言，全球陆地约98% ± 6%的陆地区域表现为PET增加，但增幅在空间上具有明显的差异。PET增幅最明显的区域主要位于南美洲北部与非洲南部，且南美洲北部部分地区增幅甚至超过了270.00 mm。干湿（以3个月尺度的标准化降水蒸散发指数SPEI3表示）变化分析显示，全球陆地整体呈变干趋势，SPEI3平均变化为−0.14 ± 0.12（图1b）。空间上，约59% ± 9%的陆地区域表现为变干，而41% ± 9%的陆地区域表现为变湿。变湿区域主要分布在50°N以北地区、中国大部及蒙古、印度半岛、赤道地区（不包括南美洲北部）、美国东部以及南美洲东南部，其中变湿最强的地区出现在北美西北部、格陵兰、俄罗斯北极地区以及东西伯利亚部分地区；相反，变干地区主要集中在南美洲北部与西南部、地中海地区、撒哈拉地区、阿拉伯半岛以及南部非洲，其中部分地区SPEI3下降幅度超过了0.60。

图1. 未来年PET和SPEI3变化的空间分布（左图）及其纬向平均分布（右图）。左图中打点区域表示5个及以上模式的变化方向一致（即增加或减少）；右图中阴影区域表示模式间标准差。

2. PET变化的成因分析

从全球陆地平均贡献来看，各因子对全球陆地PET变化的贡献分别为：CO₂辐射强迫、生理强迫、二者交互作用以及CO₂直接生理效应分别为189.52 ± 28.28 mm、7.86 ± 17.16 mm、1.77 ± 7.09 mm和−92.04 ± 10.45 mm（图2）。总体上，辐射强迫是导致全球陆地平均PET增加的主要驱动因素，而CO₂直接生理效应则对PET增加具有明显抵消作用。从各因子对PET变化贡献的空间分布来看，辐射强迫在几乎所有陆地区域均表现为正贡献，其贡献在美国中部、中美洲、南美洲（除东南部）、非洲（除赤道地区）、欧洲地中海地区、阿拉伯半岛、中亚、西亚以及澳大利亚较大（>175.00 mm）（图2a）。生理强迫和交互作用的贡献在空间上呈现正负交替分布，整体幅度较小（图2b和2c）。CO₂直接生理效应则主要表现为负贡献，其中撒哈拉、非洲东部、阿拉伯半岛、中亚、蒙古以及澳大利亚西南部等区域贡献较大（<−137.50 mm）（图2d）。对比各个因子的贡献，不难发现，辐射强迫主导了约98% ± 6%陆地区域的PET变化；CO₂直接生理效应在其余区域占主导，主要分布于非洲赤道以及30°S以南地区（图3a）。进一步分析显示，97% ± 7%和1% ± 1%陆地区域的辐射强迫主导作用分别是通过其调控温度和净辐射来实现的。

图2. 辐射强迫、生理强迫、二者相互作用以及CO₂直接生理效应对未来年PET变化贡献的空间分布（左图）及其纬向平均分布（右图）。左图中打点区域表示5个及以上模式的贡献符号一致（即正或负）；右图中阴影区域表示模式间标准差。

图3. 未来年PET和SPEI3变化主导因子的空间分布（左图）及其面积百分比随纬度的变化（右图）。图例中，RAD-x（BGC-x或INT-x）表示年PET和SPEI3的变化主要由辐射强迫（生理强迫或二者相互作用）通过调控气候因子x（降水Pr、温度T、相对湿度Rh、净辐射Rn和风速Ws）所主导。

3. 干湿变化的成因分析

从全球陆地平均贡献来看，各因子对SPEI3变化的贡献分别为：CO₂辐射强迫、生理强迫、二者交互作用以及CO₂直接生理效应分别为−0.53 ± 0.07、−0.05 ± 0.06、0.05 ± 0.04和0.41 ± 0.03（图4）。总体上，辐射强迫是导致全球陆地平均SPEI3下降（变干）的主要驱动因素，而CO₂直接生理效应则对变干趋势具有明显缓解作用。从各因子对SPEI3变化贡献的空间分布来看，辐射强迫在约26% ± 5%陆地区域表现为正贡献，主要分布在50°N以北地区、赤道地区（不包括南美洲北部）以及中国西南与东北部分地区，其中以北美西北部、格陵兰部分地区、东西伯利亚以及俄罗斯北极地区贡献较大（>0.70）；在中美洲、南美洲大部（除东南部与部分北部地区）、非洲（除赤道地区）、欧洲地中海地区、阿拉伯半岛、西亚、蒙古以及澳大利亚等区域，贡献为负（图4a）。生理强迫在约32% ± 9%陆地区域表现为正贡献，主要分布在格陵兰北部、蒙古、印度次大陆、南美洲西海岸、东南亚南部、澳大利亚、撒哈拉以南、非洲东部、中国东南部、青藏高原部分地区以及阿拉伯半岛等区域；相反地，其他地区贡献均为负，且南美洲部分地区表现为较强的负贡献（<−0.30）（图4b）。交互作用在约34% ± 5%和66% ± 5%陆地区域分别表现为负贡献和正贡献，其中负贡献主要出现在50°N–70°N区域以及蒙古、南美洲中部、中国西部、澳大利亚、印度次大陆西部以及阿拉伯半岛和非洲部分地区（图4c）。CO₂直接生理效应则在所有陆地区域均表现为正贡献，其高值（>0.70）主要集中在撒哈拉、非洲东部、阿拉伯半岛、中亚、蒙古以及澳大利亚西南部（图4d）。

对比各个因子的贡献可以发现，辐射强迫主导了约73% ± 5%陆地区域的SPEI3变化；生理强迫、二者交互作用以及CO₂直接生理效应分别在约4% ± 3%、3% ± 3%和20% ± 6%陆地区域占主导（图3b）。其中，生理强迫主导区域主要分布在北美和欧洲50°N附近地区和部分赤道区域；交互作用主导区域主要位于印度支那半岛西北部、赤道非洲以及美国东南部；CO₂直接生理效应主导区域主要分布在北美东部、加拿大中部、南美东南部、赤道非洲、北欧与西伯利亚部分地区、印度次大陆、青藏高原以及亚洲东北部。进一步分析表明，在辐射强迫主导区域中，约22% ± 4%陆地区域的SPEI3变化主要由其引起的降水变化所控制，而约51% ± 6%区域主要由其引起的气温变化控制。

图4. 辐射强迫、生理强迫、二者相互作用以及CO₂直接生理效应对未来年SPEI3变化贡献的空间分布（左图）及其纬向平均分布（右图）。左图中打点区域表示5个及以上模式中贡献的符号一致（即正或负）；右图中阴影区域表示各模式间贡献的标准差。

论文信息：

Sun Shanlei*, Xu Jialing, Ma Qianrong, Zhang Yifang, Zu Qianxue, Mu Mengyuan, Hua Wenjian, Zhou Yang, and Zhou Botao. (2026). Quantifying impacts of CO₂ radiative and vegetation physiological forcing on land potential evapotranspiration and dryness/wetness changes under a high CO₂ emissions scenario. Water Resources Research, 62, e2025WR042216. https://doi.org/10.1029/2025WR042216.