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内容概要
对大陆径流变化的可靠预测有助于减轻水文气候变化的不利后果（例如干旱和洪水等）以及相关的生态系统产品和服务损失。二氧化碳浓度的增加通过改变辐射强迫和植物生理，导致全球变暖并改变全球水循环。然而，陆地-大气的相互作用过程使得大陆径流随大气二氧化碳增加而变化的情况变得复杂。目前，辐射气候变化和植物生理变化对全球径流变化直接影响和次级影响程度都尚未达成共识。
现今，水文变化的归因依赖于概念模型，即自上而下的方法，和/或分布式和基于过程的模型，即自下而上的方法。其中，二氧化碳敏感性实验表明，由二氧化碳引起的生理强迫驱动的全球径流增加比二氧化碳引起的辐射强迫的贡献要小约三分之一；而Budyko框架确定的全球径流增加是由二氧化碳引起的生理效应主导。自上而下和自下而上的方法之间在径流分配方面的这种明显差异是未来淡水可获得性预测的一大不确定性来源。
本研究提出了一种将Budyko框架与地球系统模型（Earth system models，ESMs）实验相结合的归因框架，以量化气候变化和地表过程的相对重要性，以及它们在全球径流预计变化中的相互作用，并协调模型之间不一致性。其中，16 个ESMs来自第 6 阶段耦合模型比对项目（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6，CMIP6）。研究结果显示：
16个ESMs中的14个支持地表效应（0.014至0.196 mm/d）比气候变化影响（-0.063至0.117mm/d）更大。地表效应的影响从73%到81%不等，气候变化效应的贡献从不考虑降水特征变化的19%到考虑降雨强度时的27%。地表效应对径流变化的巨大影响是植被对CO2浓度上升的生理响应和陆面对辐射气候变化反应共同作用的结果；而气候变化虽然是大部分地区径流变化的主要驱动因素，但是在全球范围内，降水和潜在蒸散量的变化对径流增加的贡献率仅为19%-27%，主要是由于两种补偿性气候效应：（1）不同地区正、负贡献的空间补偿；（2）辐射强迫的正气候效应和陆面反馈的负气候效应的补偿。
图1. 根据 CMIP6 模型输出预测陆地水平衡和驱动因素的变化
该研究表明了当地面调节在很大程度上缓解了大气干旱加剧造成的水分压力时，大气干旱不一定会导致水文干旱。该发现对如何解释未来干旱和陆地水文循环的变化具有重要意义。
图2. CMIP6 模型中预计径流变化和驱动因素的全球模式
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关键方法
CMIP6模型模拟：
选择了CMIP6中包含的16个最先进的ESMs。为了评估陆地上的长期水文变化，使用了历史（1850-2014）和SSP5-8.5情景（高排放情景，2015-2100）模拟中的月降水量、径流和蒸散量。使用Priestley-Taylor方程以及三个Penman型方程来计算潜在蒸散量。
使用了三个实验（1pctCO2、1pctCO2-rad和 1pctCO2-bgc）。在1pctCO2中，规定 CO2 浓度在 140 年期间以每年1%的速度 由285ppm（工业化前）增加到1140ppm（4 × CO2）；在1pctCO2-rad和 1pctCO2-bgc中，CO2以同样的方式增加，但仅针对大气成分（CO2辐射强迫）和陆地成分（CO2生理强迫），其他成分设置为固定的CO2浓度。
Budyko框架：
Budyko假说假设水文分配主要由气候尺度上的可利用水（降水）和能量（潜在蒸散）控制。除了平均气候条件外，植被、土壤、土地利用和地形因素等地表特征也可以调节Budyko框架内的水-能分配。该研究采用了广泛使用的带有特定于区域参数的Budyko模型。
自上而下和自下而上结合方法：
使用Budyko框架与ESMs实验方法相结合的归因框架，以量化气候变化和陆面过程的相对重要性。通过 Budyko框架对这些ESMs实验进行比较分析，将地表过程与气候变化对长期径流变化的影响区分开来，并理清二氧化碳升高的直接辐射和生理反应以及陆地-大气相互作用对全球径流变化的影响。
图3. 整合自上而下的Budyko方法和自下而上的实验方法
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编者评述
气候变化和地表过程对于全球径流变化的影响是复杂的，并且不同的模型之间的计算结果并不一致。该文章结合了自上而下和自下而上的方法，理清了气候变化和地表过程及其之间相互作用过程对长期径流变化的影响。该研究对于未来气候变化背景下，全球水文变化预测以及人类水资源调节利用具有重要意义。
图4. CMIP6模拟中自上而下和自下而上方法的集成和协调
Zhou, S., Yu, B., Lintner, B.R., Findell, K.L., Zhang, Y., 2023. Projected increase in global runoff dominated by land surface changes. Nature Climate Change, 13, 442–449.
https://doi.org/10.1038/s41558-023-01659-8.
*第一作者：周沙
*通讯作者：周沙、张尧
*第一作者单位：北京师范大学地理科学学部
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撰稿丨GeoDuo
审核丨Geoffery, & DoraGeomon
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