PNAS｜全球陆地水循环的非稳态性及其在人类世的相互联系
政务
2024-11-02 10:17
中国
转自：地球平衡与稳态
传统的水资源管理策略通常假定概率分布在一段时间内保持不变。然而，鉴于气候变化和人类活动已极大地改变了全球水循环，情况并非如此。我们的研究通过考虑新出现的长期趋势、季节性变化和极端事件的变化，对全球水循环的变化进行了全面的量化分析。我们将先进的遥感测量和地球系统建模与创新的分析方法相结合，研究了过去二十年来气候变异和人类活动如何改变了全球水循环。我们的研究结果为加强水资源管理、提高基础设施抗灾能力以及开发适应性预警和监测系统提供了重要启示。气候变化和人类活动改变了全球淡水循环，导致其分布随时间变化的非稳态过程，但对这些变化的全面了解仍然遥不可及。在此，我们建立了一个以遥感为基础的陆地再分析，并评估了 2003 年至 2020 年全球水循环成分的非稳态性及其相互联系。我们强调了陆地蓄水表现出强烈非稳态性的 20 个热点地区，这些地区影响着全球 35% 的人口和 45% 的农业灌溉面积。新出现的长期趋势最常见（48.2%），其次是季节变化（32.8%）和极端变化（19%）。值得注意的是，在中纬度地区，这包括 34% 的亚洲和 27% 的北美洲。降水、蒸散、径流和总初级生产量等其他水循环成分的非稳态模式及其主要类型各不相同。这些差异在不同的热点地区也有独特的表现，说明了每个组成部分对气候变化和人类水资源管理的复杂响应方式。我们的研究结果强调了在评估水循环信息时考虑非平稳性的重要性，以制定水资源可持续利用的战略，增强对极端事件的适应能力，并有效应对与气候变化相关的其他挑战。在过去的二十年中，全球陆地表面的大约四分之一（23.6%）经历了强烈的非平稳TWS变化。其中约三分之二（62.8%）位于北方中纬度（北纬23.45至66.55），包括北美南部、中东和北非、南亚北方和欧亚大陆东部。其他高非平稳性的区域位于南美洲南部和澳大利亚中部。我们根据NSI大于0.5的阈值定义了这些非平稳水循环变化的“热点”区域，并确定了20个这样的区域。超过80%的热点地区（80.9%的土地NSI > 0。5)与地球仪上排名第50百分位的新兴TWS趋势重叠，其中64%显示出与人类对水循环的干扰、水文气候极端或两者相关的快速耗竭信号。虽然之前已经描述了TWS的长期下降导致许多热点地区的水循环非平稳性，但值得注意的是，全球总热点面积的63%也有超过2天/年（相当于SS的中位数）的季节性峰值时间变化，其中57.8%向延迟峰值移动，42.2%向早期峰值移动。此外，在43.6%的热点区域中，水循环极端事件发生率在确定的变化点之后增加了一倍以上。相比之下，只有1.8%的热点地区在变化点之后经历了极端事件发生率的降低，其发生率下降到变化发生之前的一半以下。全球水循环的非平稳性是由气候变化、气候变异性和人类水（和土地）管理的单独或综合影响造成的。将气候的作用与人类管理的作用区分开来往往具有挑战性，而有限的时间框架使将十年气候变率归因于非平稳性变得更加复杂。在这种情况下，而不是专注于这些因素和非平稳性之间的因果关系，我们一起检查多个相关变量，以了解这些潜在的驱动因素对给定的水循环过程的相对影响。在此，我们将大于0.5的TWS NSI分为五个区间，区间为0.1，并基于相同的分类显示蒸散量（ET）、径流量和降水量的相应NSI分布。这种分类分析减轻了像素间相互作用的潜在误导效应，其中一个像素中的信号可能由于诸如横向水分配之类的因素而响应于另一个像素中的变量。虽然径流的非平稳性指数和总初级生产力（GPP）显示出与TWS一致的模式，但TWS中具有最广泛非平稳性的区域与ET中的区域并不一致。这种降水非平稳性的有限影响提供了令人信服的证据，人类活动驱动全球陆地水循环的非平稳模式。为了消除降水的非平稳模式是产品特定的可能性，我们计算NSI的基础上ERA5再分析产生的欧洲中期天气预报中心（ECWMF）和第2版再分析现代时代的回顾分析研究和应用（MERRA-2）由美国宇航局，除了IMERG。我们发现彼此之间的NSI的空间模式具有良好的一致性。图2：长期趋势（TR），季节性变化（SS）和极端频率比（EFR）的整体非平稳性在全球范围内，长期趋势对TWS非平稳性的贡献最大，占热点区域的48.2%，其次是季节性变化和极端频率比，分别占32.8%和19%。下降趋势占长期趋势主导区域的三分之二以上，范围为-402至-3 mm/年，包括众所周知的热点区域，如巴西东部，印度西北部和华北平原。正趋势仅对不到三分之一的区域产生影响，范围为3至50毫米/年，例如在美国的密苏里州河流域。在季节性变化排名是NSI的主要组成部分的地区，57.9%的地区经历了向延迟的季节性高峰的转变，包括潘塔纳尔地区，西非和西南欧，1%的地区经历向提前的季节性高峰转变，例如密苏里州的部分地区和俄罗斯东部。季节性变化率的中位数为4.8天/年。在极端频率比等级较高的地区，95%的地区在变点后出现极端放大现象，极端频率比变点前增加2 ~ 7倍。这些地区主要位于中亚和南亚以及澳大利亚南部。只有5%的区域在变化点之后经历了极端频率的下降。事实上，TWS和降水的非平稳性的差异表明，TWS可以是强烈的非平稳状态，降水模式是固定的，特别是在与集中管理的含水层重叠的地区。对这些区域而言，仅根据降水量数据进行水资源评估将导致对当前和未来淡水供应的错误描述。对于径流，我们在七个区域观察到一致的高非平稳性，主要贡献来自趋势，极端事件频率降低或季节性变化。这可能是由于地表水管理以及地下水和淡水消耗的影响，影响了河流的季节性循环，减少了极端事件的发生。水供应的压力越来越大，沿着极端干旱的频率越来越高，这已被证明会引发或加剧干旱和饥荒引起的移民、政治动荡和跨界水冲突，特别是在中东和北非。虽然我们停止短的建议方法，将水循环非平稳性的信息纳入水资源管理和政策决策，我们预计，定位和分类领域的重大非平稳性将提高认识，促进吸收水资源管理和政策决策的信息。对于长期TWS耗尽占主导地位的所有地区，只有巴西东部与GPP的强烈非平稳性共存，由负趋势主导，反映了森林砍伐，农业集约化和长期干旱的综合影响。虽然在经历TWS下降的大多数其他地区，GPP非平稳性仍然较低，但美国西部、中国东部和北方等地区主要表现出积极的趋势，表明与过度使用淡水资源相关的绿化。相反，在中东和中亚，全球生产力季节性明显转向后期峰值，表明可能与延迟的物候相一致。图3：非稳定热点区域:的通量变化及其相关贡献者（1-10）图4：非稳态热点区域的通量变化及其相关贡献者（11-20）研究发现极端频率的变化是不是一个主要的决定因素，在任何地区的整体TWS非平稳。尽管如此，EFR的贡献可以从1%到36%显著变化。在调查所有变量的极端变化与陆地水储存趋势之间的潜在关系时，我们发现，具有较大TWS趋势的区域往往包含更大程度的TWS和径流都表现出变化点的区域，相应地极端变化也更大。然而，根据TWS趋势的迹象，极端变化的迹象（增强与降低）不同。这表明，水循环的极端变化是相互关联的，并在存在潜在趋势的情况下加剧。在全球变暖和人类活动改变并破坏自然过程的情况下，有关淡水可用性变化（包括季节性和极端情况以及新出现的趋势）的准确信息对于确保粮食和水安全至关重要。根据我们的分析，全球约有 35% 的人口和 45% 的灌溉土地受到 TWS 强烈非平稳性的影响。我们的研究结果与水资源和基础设施管理工作以及为预警和实时监测系统（如洪水和干旱）制定可持续战略息息相关。在这里，我们明确区分并整合了不同类型的非平稳性，并研究了蓄水与相关通量之间的相互联系，从而在以往有关全球蓄水枯竭和水循环强化的研究基础上取得了重大进展。这些研究结果是在使用最先进的模型和遥感观测数据的基础上得出的。实际上，热点地区的确定突出了水资源风险评估和可持续资源管理规划应重点关注的领域。此外，研究结果还强调了主要非稳态类型的区域差异，这可能会影响极端事件评估中气候学参考资料的选择策略。这项研究突出表明，有必要为陆地水-能源-碳循环中的相关变量制定一个非稳态框架，以便对气候变化和人类背景下所有时间尺度上的水资源基础设施风险进行更现实的评估。应将基于遥感的观测结果纳入地球系统模型，因为它们为探测人为过程及其相关影响提供了巨大潜力。未来，随着陆地表面水文遥感记录的扩展，将有可能更好地分离十年气候变异性、气候变化和人类（陆地）水管理对非稳态的影响。为了进一步促进地球系统认识与水资源管理之间的信息交流，陆地表层水文模型和大气模型都需要在运行和再分析实践中体现人水界面。了解非稳态性在水-能源-碳循环中的驱动因素和相互联系，对于在综合评估系统中优化表示水的可用性、碳吸收和快速变化的气候之间错综复杂的反馈至关重要，从而可以做出更准确的预测和知情决策，加强经济生计。Nie, Wanshu et al. “Nonstationarity in the global terrestrial water cycle and its interlinkages in the Anthropocene.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America vol. 121,45 (2024) : e2403707121. 【知识转载，翻译难免有误，推荐查看原文，侵权联系删除】投稿、转载、合作、申请入群可在后台留言（备注：姓名+微信号）或发邮件至sthjkx1@163.com
