新闻 发表于 2025-3-6 16:31

地学快讯 | “一带一路”主要地区未来净零和净负排放下地表水含量变化预测

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导读

地表水含量(SWA,由降水量P减去实际蒸发量E计算)表示径流和水储量变化的总和,对水资源、自然生态系统、粮食安全和经济发展等产生广泛影响。尽管全球气温和降水量都呈现上升趋势,SWA的变化在全球范围内存在强烈的时空差异,在“一带一路”主要陆地区域,预计未来几十年气温将持续升高,未来水资源变化可能存在高度的时空不确定性,尤其是净零和净负排放情景下SWA的变化仍不明确。来自中山大学、中国科学院大气物理研究所、天津市气象台的Jing He、Jingyong Zhang、Wenjie Dong和Yuanhuang Zhuang等学者,基于耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的模拟结果,分析了主要“一带一路”地区净零(2050—2060)和净负排放(2090—2100)期间,SWA、降水量(P)和蒸发量(E)的未来变化,并且将这些变化与SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下的变化进行比较。研究成果以“Projected Changes in SWA over the Main BRI Regions for Net-Zero and Net-Negative Future”为题,在Science合作刊物Ecosystem Health and Sustainability(2024,10:Article 0145)发表。

材料与方法

(1)实验设计:聚焦于“一带一路”主要陆地区域的水资源变化,分析1995—2014年期间的气候数据,并在全球变暖背景下探讨未来净零排放(2050—2060年)和净负排放(2090—2100年)时期的P、E和SWA变化,通过评估模型性能并进行偏差修正,使用CMIP6数据对未来水资源变化进行模拟,选择3个典型区域(南亚、中非和中东)进行进一步分析。

(2)数据材料:使用气候研究高质量数据集(CRU TS v4.05)和全球陆地蒸发模型(GLEAM v3.6a)的降水和蒸发数据作为参考数据集(REF),并与欧洲中程天气预报中心再分析版本(ERA5)的降水和蒸发数据集进行对比验证。未来情景数据来自CMIP6,研究基于SSP 1-1.9、SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景,探讨不同碳排放路径下未来水资源变化。

(3)统计方法:采用双线性插值将数据集统一为1°×1°分辨率,并使用泰勒图评估每个模式的模拟能力和历史基线时期(1995—2014)的多模式集成均值(MME)的模拟性能。进而采用偏差修正后的MME模拟结果估算未来水资源变化,并通过t检验评估变化的统计显著性。

主要结论

1

MME平均模拟性能的评估

通过比较1995—2014年基准期的P、E和SWA的空间分布,MME的模拟结果与REF一致性较好(图1)。在主要“一带一路”陆地区域,ERA5的P、E和SWA分布与CRU(P)和GLEAM(E)的结果几乎一致,验证了REF数据的可靠性。1995—2014年MME模拟结果在“一带一路”主要陆地区域总体表现良好,能够捕捉到P、E和SWA的主要空间特征。



图1 1995—2014年基准期主要“一带一路”陆地区域的降水(P)、蒸发(E)和地表水含量(SWA)的REF与MME结果

2

净零和净负时期的MME预测

计算了主要“一带一路”地区在净零排放期(2050—2060)和净负排放期(2090—2100)内的P、E和SWA的平均值,并与1995—2014年历史基准期进行对比(图2)。三种情景下,P和E的变化趋势相似。净零排放期和净负排放期,SSP 1-1.9情景的SWA变化最小,接近历史基准期水平;而在SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下,SWA增幅更为显著,尤其是在SSP 5-8.5情景下增幅最大。在净零排放期,三种情景下P、E和SWA的差异较小,但在净负排放期,差异变得更加明显,SSP 5-8.5情景的变化幅度最大。值得注意的是,SSP 1-1.9情景下净负排放期的P、E和SWA值低于净零排放期的值,反映出该情景下的气候条件与现代气候更为接近,而SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下水资源条件发生了更显著的变化。



图2 三种情景下,相对于1995—2014年,2050—2060年和2090—2100年主要“一带一路”地区的降水(P)、蒸发(E)和地表水含量(SWA)的MME预测结果

在净零排放期间,空间模式更加复杂(图3)。在大多数地区,P和E明显增加,中东、西亚、中亚和非洲部分地区例外。由于P和E变化趋势相似,SSP 1-1.9情景下,SWA在大多数地区变化较小,只有南亚地区显著增加,表明净零排放期大部分地区的SWA与历史基准期相比没有显著偏差。SSP 2-4.5情景下,由于P增加幅度大于E,更多地区的SWA发生显著变化,特别是北亚、印度和中非等地出现增加,而中东和中亚部分地区出现减少。SSP 5-8.5情景下,除了亚洲和北非部分地区外,SWA在大范围地区显著增加。图3显示,SSP 1-1.9和SSP 2-4.5情景下,P和E变化范围相似,但在SSP 5-8.5与SSP 1-1.9之间,尤其是P的变化存在明显差异。这使得SSP 1-1.9和SSP 2-4.5之间的SWA偏差较小,而SSP 1-1.9与SSP 5-8.5之间的SWA偏差在更大范围内明显,特别是在中非地区。



图3 与1995—2014年历史基线相比,三种情景下2050—2060年“一带一路”主要陆地区域P、E和SWA变化的MME预测结果

在净负排放期(图4)中,SWA、P和E的变化显示出显著差异。SSP 1-1.9情景下,SWA变化范围较小,与净零排放期相比没有显著差异;然而,在SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下,变化范围较大,尤其在SSP 5-8.5情景下,SWA在北亚、南亚和中非的正偏差明显,主要由于P的增幅远高于E。在中东地区,SWA表现出相反趋势,北部地区显著下降,南部则增加。



图4 与1995—2014年历史基线相比,三种情景下2090—2100年“一带一路”主要陆地区域P、E和SWA变化的MME预测结果

在净负排放期,三种情景之间的差异增大。SSP 1-1.9情景下,SWA的变化几乎无偏差,P和E的变化幅度相似,大多数地区的SWA、P和E均低于净零期,但变化不显著。相比之下,SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下,SWA的变化范围明显增大,特别是在SSP 5-8.5情景下,P的增幅显著高于E,导致许多地区SWA显著增加(图5)。该结果表明,SSP 1-1.9情景下的SWA变化更接近现代气候环境。研究进一步验证了“湿变干、干变湿”理论不适用于陆地,且SWA变化与人类活动密切相关。较低碳排放有助于保持SWA稳定,而持续的碳积累会引发“湿变干、干变湿”现象,如在SSP5-8.5情景下,中国西北地区和欧洲的变化所示。无论排放路径如何,未来中国SWA普遍呈增长趋势,尤其在高碳排放情景下,SWA的增长幅度更大。



图5 三种情景下2090—2100年“一带一路”主要区域相对于2050—2060年的P、E和SWA变化的MME预测结果

以南亚、中非和中东为例,展示P、E和SWA的空间异质性(图6)。在南亚,P的增幅大于E,导致SWA在三种情景下显著增加,尤其在SSP 5-8.5情景下,净负排放期SWA较净零排放期增加。值得注意的是,SSP 2-4.5情景下净零排放期SWA低于SSP 1-1.9,但净负排放期则相反。在不确定性方面,同一情景下,净零排放期的P、E和SWA变化范围较小,SSP 5-8.5情景下变化幅度最大。在中东,由于P和E增幅相同,SWA偏差较小,只有在SSP 5-8.5情景下净负排放期出现显著正偏差。SSP 5-8.5情景下的标准差较大,说明该地区模型需要进一步改进。在中非,SWA的差异明显,SSP 2-4.5和SSP 5-8.5情景下SWA显著增加,而SSP 1-1.9略微下降。SSP 5-8.5情景下的不确定性较大,尤其在净负排放期。中非和南亚均为季风区,高碳排放导致温度升高,增强大气水汽容纳能力,进而使这些地区变得更加湿润。



图6 在三种情景下,与1995—2014年的历史基线相比,2050—2060年和2090—2100年南亚、中东和中非的P、E和SWA变化的MME预估平均值

研究展望

随着碳中和目标的提出,全球气候变化对水资源的影响,尤其是对地表水含量的改变,已成为当前气候研究的重要课题。然而,现有研究大多集中于高排放情景,对于在缓慢变暖或降温背景下的水资源变化关注较少。本研究基于最近发布的SSP 1-1.9情景,聚焦于碳中和目标下未来SWA变化对“一带一路”沿线主要地区的影响。研究发现,在预期的净零排放和净负排放情景下,P、E和SWA的变化幅度明显小于持续正向二氧化碳排放路径下的变化,这表明实现净零排放目标有助于更好地管理“一带一路”沿线主要陆地区域的水相关灾害风险,进一步凸显了尽早实现碳中和的

重要价值。未来的研究应进一步探索不同碳排放路径对大气环流变化及其与SWA关系的深层影响,尤其是在净负排放期。这些变化不仅涉及陆-气相互作用,还与全球、热带及区域环流的变化紧密相关。

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https://spj.science.org/doi/10.34133/ehs.0145

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原文标题:“一带一路”主要地区未来净零和净负排放下地表水含量变化预测

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图文编辑:邓传滨 徐熙晨

审编:常紫怡 闫宜乐

终审:初明若 李雨竹 代浩宇 毕丝淇

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