题目：Enhanced soil moisture–temperature coupling could exacerbate drought under net-negative emissions
期刊：npj Climate and Atmospheric Science
01 研究背景
干旱被视为过去50年全球十大灾害中最致命且最具破坏性的自然灾害。由于全球变暖，全球干旱的频率、严重程度和空间覆盖范围将会显著增加。陆地—大气（LA）耦合是预测未来气候和与水文气候极端事件相互联系的最重要方面，因此有必要系统和全面地研究气候缓解情景下LA耦合如何影响全球干旱。
基于此，Mondal（2024）等利用社区地球系统模型（CESM2）模拟了净零排放和净负排放情景，探讨了在这些情景下全球干旱的演变和传播变化，以及LA对干旱发生的影响。同时，本研究将结果与社区地球系统模型集合（CESM2-LE）和耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的二氧化碳去除模型比对计划（CDRMIP）进行对比，以评估结果的稳健性。
02 研究数据与方法
2.1 研究数据
本研究使用的所有变量（降水量、最高温度、最低温度、平均温度、净太阳辐射、风、相对湿度、蒸散发与土壤湿度）均来自于CESM2模拟。研究考虑了理想化的二氧化碳强迫，设计了两种气候缓解情景，强调了人为二氧化碳变化的三个关键状态：增加、减少和恢复。在这两种情景中，二氧化碳排放量的变化模式如下：首先，从2000年到2025年，人为二氧化碳排放量呈线性增长趋势，随后二氧化碳排放量下降，直到2197年下降至2000年的二氧化碳浓度水平，最后，在2200年恢复到原始浓度状态并持续到2400年。对于净零排放情景，二氧化碳排放水平在2124年达到0并维持到2197年；而对于净负排放情景，二氧化碳排放在2124年从正值转为负值，并持续到2197年。
本研究将CESM2-LE的50个集合成员和CDRMIP的4种模型结果与模拟结果进行了比较，分析了降水、蒸散发和干旱指标的空间模式，发现二者模拟结果大致相同。
2.2 干旱检测指标
本研究利用标准化降水蒸散指数（SPEI）来反映全球干旱，采用12个月时间尺度的SPEI来分析干旱的长期趋势与年际变化。本研究基于Vicente-Serrano (2010)提出的方法计算了SPEI，并采用改进的Penman-Monteith（PM）方法计算了蒸散发（PET）：
其中，Δ为饱和蒸汽压曲线的斜率，T为日平均温度，es与ea为饱和蒸汽压与实际蒸汽压，Rn为地表净辐射，G为全波大地热通量，γ为湿度计算常数，U为日2m平均风速，CO2为大气二氧化碳浓度。
2.3 干旱特征
本研究将干旱定义为SPEI ≤ -1，采用游程理论（Run Theory）定义了干旱的持续时间、频率、强度与影响面积。本研究将干旱持续时间（DD）定义为干旱事件开始和结束之间的总月份数；将干旱频率（DF）定义为一年内区域发生干旱事件的数量；将干旱强度（DI）定义为事件期间的平均干旱指数；将干旱影响面积（DA）定义为发生干旱的最大网格数，并以总面积的百分比形式表示。
2.4 土壤湿度—温度耦合度量
本研究评估了土壤湿度（SM）与温度（T）之间的相互作用，以反映LA的耦合强度。本研究将SM-T耦合定义为：
其中，π为耦合强度，T'为标准化温度异常，Rn、E和Ep分别为地表净辐射、实际蒸散量和PET，λ为汽化潜热，e'表示SM稀缺对感热通量的影响。π为正时表示SM-T耦合增强，负值表示无耦合。
03 研究结果
3.1 二氧化碳减排下的全球干旱趋势
在净负排放和净零排放情景下，全球干旱面积总体上占全球土地面积的45%和47%。在净零排放情景下，干旱主要发生在西非、美洲中部、格陵兰岛等区域，而在净负排放情景下，主要位于西非、东非、南亚、俄罗斯东部等区域（图1）。此外，在净负排放情景下，全球整体干旱程度可能会加剧，但区域差距明显，南美洲和北美洲净负排放会减弱干旱的强度，但在美洲中部和非洲等地区净零排放会减弱干旱强度（图2）。
图1 (a)净零情景（b）净负情景下的干旱指标（SPEI）线性趋势（c）三种情景下的SPEI核密度图。
图2 不同地区三个情景下的平均SPEI箱线图（a）全球（b）北美洲（c）中美洲（d）南美洲（e）欧洲（f）非洲（g）亚洲（h）澳大利亚
本研究利用CMIP6 CDRMIP实验对SPEI趋势进行了分析，以检验研究结果对于干旱分布的稳健性。结果发现，二氧化碳增加和减少的阶段的SPEI变化呈现相反的趋势，与模型确定干旱分布十分相似，且全球大部分陆地呈现同质模式（图3）。
图3 CMIP6 CDRMIP实验下的干旱趋势。（a）二氧化碳增加阶段。（b）二氧化碳减少阶段。
3.2 干旱特征的变化预测
在净负排放情景下，全球陆地干旱持续事件将增加66%以上，频率增加68%，强度增加74%。相比之下，净零排放情景下，以上因素分别增加64%、67%和71%。在净零排放与净负排放情景下，大多数地区的干旱特征都表现出相似的空间模式。然而，在区域尺度上，净负排放条件下的干旱情况比净零排放条件下更加严重，特别是在美洲中部、非洲、澳大利亚与亚洲（图4）。
图4 相对于参考期，净零和净负情景下平均干旱（a、b）持续时间（c、d）频率（e、f）强度的空间模式。干旱特征（g）持续时间（h）频率（i）强度（j）面积的全球变化。
3.3 LA对干旱的影响
LA较强的区域主要分布在赤道及赤道以南的地区，在参考期，撒哈拉大部分地区、非洲南部、亚洲南部等区域的LA耦合增强，在二氧化碳排放减缓的情境下，LA较强的区域主要分布在南亚、西非、美洲中部等地区。当二氧化碳排放达到净零水平时，LA的增强会减弱，但当达到净负排放时，耦合会显著增强。在干旱显著增加的区域，LA增强程度最高，这表明SM减少推动了温度加剧，两者的耦合占据主导地位（图5）。
图5 （a）净零情景下的耦合强度的线性趋势的空间模式。（b）净负情景下的耦合强度的线性趋势的空间模式。（c）三种情景的π核密度图。
为了解干旱年份与非干旱年份的LA差异，本研究进一步分析了中度、重度和极端干旱年份的耦合强度。干旱和非干旱年份的SM-T耦合强度变化在空间分布和幅度方面存在显著差异。空间上，干旱开始时，干旱易发区的耦合强度呈显著增加趋势，在非干旱年份，耦合强度呈现下降趋势，干旱年份的耦合强度高于非干旱年份。在净零和净负情景下，干旱开始时SM-T强度分别增加了4倍和8倍，这表明LA在干旱形成中起到了决定性的作用。此外，耦合强度随干旱的严重程度的增加而增加，增强的耦合作用会影响干旱的持续时间和严重程度。干旱年份中，净负情景下的整体耦合强度比净零情景下的有所增加（图6）。
图6 （a，b）净零和（c，d）净负排放情景下干旱和非干旱年份耦合强度线性趋势的空间格局。（e）三个时期干旱和非干旱年份耦合强度的箱线图。（f）中度、重度和极端干旱年份耦合强度箱线图。
3.4 主要驱动因素变化
2000-2200年净零和净负情景下气候变量发生了强烈的变化（图7），降水呈现明显的下降趋势。在净负排放下，75%的陆地降水量减少，而净零排放下为64%，显著减少的区域主要为非洲东北部与南亚。同时，SM减少的趋势在降水减少的区域一致，在净零和净负情景下，显著减少的区域增加了20%和3%。PET的变化显示出与降水和SM相反的趋势，在降水和SM减少的区域，PET大多增加，这表明SM亏缺与PET相互作用。在净零情景下，PET在21%的陆地上增加，在净负情景下为10%（图8）。
图7 2000-2200年（a）温度（b）PET（c）降水（d）SM的时间变化。
图8 （a）净零情景下降水的线性趋势空间分布。（b）净负情景下降水的线性趋势空间分布。（c）净零情景下SM的线性趋势空间分布。（d）净负情景下SM的线性趋势空间分布。（e）净零情景下PET的线性趋势空间分布。（f）净负情景下PET的线性趋势空间分布。
04 主要结论
（1）全球气候系统及其相关的风险会随着二氧化碳排放的减少而降低，当实现净零排放时，未来干旱的可能性会大大减少，但在一些干旱多发地，净负情景可能会导致干旱的加剧。
（2）在气候缓解的情形下，SM-T耦合对未来的干旱变化存在显著贡献，在净负情境下SM-T耦合呈现增强模式，可能会导致未来的干旱发生和扩大。从区域角度看，南亚和中非等地区将因降水量减少与PET的增加而经历干旱事件。
05 引发思考
本文利用CESM2分析了净零和净负排放情景下的未来干旱情况，主要关注二氧化碳的三种状态，即增加、减少和恢复。结果表明，净零排放比净负排放更能有效缓解干旱，由于PET影响，在净负排放下干旱趋势和特征显著增加，尤其对中非和南亚地区影响显著。未来，仅靠减轻二氧化碳排放可能不足以应对未来的干旱情景，为政策的制定提供了新的见解。
编者注
以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。
参考文献
Vicente-Serrano, S. M., Beguería, S., & López-Moreno, J. I. (2010). A Multiscalar Drought Index Sensitive to Global Warming: The Standardized Precipitation Evapotranspiration Index. Journal of Climate, 23(7), 1696–1718. https://doi.org/10.1175/2009JCLI2909.1
原文出处
Mondal, S. K., An, S.-I., Min, S.-K., Jiang, T., & Su, B. (2024). Enhanced soil moisture–temperature coupling could exacerbate drought under net-negative emissions. Npj Climate and Atmospheric Science, 7(1), 265. https://doi.org/10.1038/s41612-024-00820-0
文字来源：杨雅淇
图片来源：https://www.nature.com/
编辑：杨雅淇
审核：谷天顺 王晨光
