陸地蒸散發(fā)年際變化規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制研究

蒸散發(fā)（ ET ）是地表-大氣間的水汽通量，是鏈接水循環(huán)、能量（熱量）傳輸過程和碳循環(huán)過程的核心，研究其在大尺度上的年際變化及驅(qū)動機(jī)制對認(rèn)識氣候演變及水循環(huán)變化規(guī)律、維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、實現(xiàn)水資源合理利用和高效管理等具有重要意義。但是，ET在水循環(huán)中不確定性很大，其與大氣-植被-土壤耦合系統(tǒng)的關(guān)系復(fù)雜，且在大尺度下無法直接觀測，當(dāng)前人們對全球陸地ET年際變化規(guī)律及驅(qū)動機(jī)制的認(rèn)識不清。針對該問題，本文基于多種來源的蒸散發(fā)數(shù)據(jù)集，分析了陸地ET的年際變化規(guī)律及其受氣候和植被變化調(diào)控的機(jī)制。主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

（1）以陸面過程模式（LSMs）模擬的ET和基于遙感觀測（RSBDs）生成的蒸散發(fā)產(chǎn)品組成多源數(shù)據(jù)集，分析陸地ET的年際變化趨勢和年際變異特征（以變異系數(shù)表示， CV ），并探究ET年際波動規(guī)律與氣候（以降水表示， P ）、植被（以反映植被固碳能力的初級生產(chǎn)力表示， GPP ）等環(huán)境變化波動規(guī)律的關(guān)系及其空間分布格局。研究發(fā)現(xiàn)，全球陸地60%以上的區(qū)域ET有顯著增加的趨勢；ET的年際變異系數(shù)（ CVEI"）隨植被的增加而顯著降低，陸地90%以上的區(qū)域CVET比植被和氣候的年際變異系數(shù)小，說明陸地大部分地區(qū)ET的年際波動比氣候和植被的年際波動更穩(wěn)定。進(jìn)一步分析氣候和植被對陸地ET年際變化的影響發(fā)現(xiàn)，陸地70%以上區(qū)域P，GPP均與ET正相關(guān)，其中陸地60%以上區(qū)域ET與GPP的相關(guān)性強(qiáng)于其與P的相關(guān)性，這說明全球陸地大部分地區(qū)氣候和植被均對ET年際變化有正向作用，且陸地ET年際變化主要由植被控制。

（2）從組分上看，ET包括生物用水（植物蒸騰， T ）和非生物用水（包括土壤蒸發(fā)Es和冠層截留蒸發(fā)Ei）兩大類。為探究氣候與植被通過影響ET組分年際變化調(diào)節(jié)ET年際變化的機(jī)制，基于陸面過程模式模擬結(jié)果，采用偏相關(guān)分析方法識別了非生物因素（包括P、輻射Rn、水汽壓差 VPD 代表的氣象因素和土壤水SM代表的環(huán)境因素）和生物因素（即 GPP ）對ET組分（包括T， Es"， Ei"）年際變化的調(diào)控作用，揭示了氣候和植被對不同ET組分年際變化的協(xié)同控制機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)， GPP 對全球陸地約80%區(qū)域的生物用水（ T ）年際變化有正向控制作用，貢獻(xiàn)約為70%；非生物用水（Es和Ei）年際變化主要由P和GPP協(xié)同控制，其中P對Es和E均有正向作用，GPP對Es有負(fù)向作用，對Ei有正向作用，二者分別可解釋Es和Ei年際變化的40%?；贓T組分年際變化的驅(qū)動機(jī)制，進(jìn)一步揭示了全球陸地大部分地區(qū)ET年際波動小于P和GPP年際波動是不同ET分割過程（即將ET分割為ET組分的過程，以T/ET表示）中，氣候和植被協(xié)同控制不同ET組分年際變化的綜合結(jié)果。

（3）基于植被對ET組分年際變化的重要作用，以陸面過程模式模擬和通量站點觀測為基礎(chǔ)，分別在全球尺度和站點尺度上分析了TIET對GPP空間變化和年際變化的敏感性，揭示了植被對ET分割時空特征的作用。研究發(fā)現(xiàn)，空間上，T/ET隨GPP的變化規(guī)律可分為快速增加階段（S1）、緩慢增加階段（S2）、下降（穩(wěn)定）階段（S3）3個階段，將陸地生態(tài)系統(tǒng)分為3大類。其中，S1階段約占陸地面積的25%，主要位于干旱和極寒地區(qū)；S2階段面積約占60%，主要位于溫帶和寒冷地區(qū)；S3階段面積約占15%，主要位于熱帶地區(qū)。年際變化上，發(fā)現(xiàn)了植被對不同階段TIET年際變化的調(diào)控作用的差異：即在S1和S2階段，植被對T/ET年際變化有正向作用，且S1階段的作用明顯強(qiáng)于S2階段；S3階段植被對T/ET年際變化有負(fù)向作用。隨著 GPF 增加，各階段植被對T/ET年際變化的正向作用不斷削弱，負(fù)向作用不斷增強(qiáng)。進(jìn)一步分析生物用水和非生物用水對降水、植被固碳能力的空間變化和年際變化的敏感性發(fā)現(xiàn)，植被對T/ET時空特征的作用由不同植被固碳能力下氣候和植被對不同蒸散發(fā)組分控制作用的差異共同決定。

（4）為探索未來氣候變化條件下ET的年際變化規(guī)律及其驅(qū)動機(jī)制，基于CMIP6模擬結(jié)果，通過研究未來ET組分年際變化的驅(qū)動機(jī)制及植被對ET分割時空特征的作用，來揭示未來全球陸地ET年際變化的驅(qū)動機(jī)制的新變化。年際變化規(guī)律方面，分析陸地ET及其組分（ Tν"Es、Ei和T/ET）和影響因素（ P 、氣溫Ta、 GPP 、SM）的線性趨勢發(fā)現(xiàn)，未來陸地大部分地區(qū)ET，Es，Ei，P，Ta，GPP顯著增加，T，TIET和SM顯著減小；且隨著氣候變化加劇，ET， Es，Ei， P ， Ta"，GPP和SM的變化速率加快、趨勢顯著的區(qū)域擴(kuò)張，T和T/ET由顯著增加變?yōu)轱@著減少。驅(qū)動機(jī)制方面，分析影響因素對ET組分時空變化的作用，發(fā)現(xiàn)未來氣候變化條件下，氣候（主要是P）和植被（ GPP ）對ET組分年際變化的協(xié)同控制作用及GPP對T/ET時空特征的3個階段（即S1、S2和S3階段）變化規(guī)律與歷史時期基本一致。但隨著氣候變化的加劇，陸地ET組分年際變化主導(dǎo)因子的作用明顯改變。其中，未來 GPP 主導(dǎo)T、Es和Ei年際變化的區(qū)域縮小、貢獻(xiàn)減小，說明植被對其年際變化的作用變?nèi)?。未來Ta對T和Es年際變化的作用不斷增強(qiáng)：Ta對T有負(fù)向作用，貢獻(xiàn)約為40%； Ta"對Es有正向作用，貢獻(xiàn)約為30%，代替GPP成為影響Es的重要因素。此外，未來S1階段的區(qū)域面積縮小，S2階段的區(qū)域面積擴(kuò)張，S3階段的區(qū)域面積無顯著變化。隨著未來氣候變化加劇或植被固碳能力增強(qiáng)，植被對各階段T/ET時空變化的正向作用不斷削弱，負(fù)向作用不斷增強(qiáng)。

（編輯：江燾，舒忠磊）