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《自然·可持续性》发表尹家波副教授全球水碳循环研究进展
通讯员: 尹家波  发布时间:2023-01-06  点击数:

1月6日,《自然·可持续性》(Nature Sustainability)在线发表了武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室、水利水电学院郭生练教授团队在全球水碳循环方面的最新研究进展。

论文题为“Future socio-ecosystem productivity threatened by compound drought–heatwave events”(《干旱-热浪复合事件胁迫未来社会-生态系统生产力》)。水利水电学院尹家波副教授为论文第一作者及通讯作者,我校郭生练教授和美国哥伦比亚大学Pierre Gentine教授等做出重要贡献,武汉大学为第一署名/唯一通讯单位。

陆地生态系统碳循环是驱动生态系统变化的关键过程,并与生态系统水循环、养分循环和生物多样性存在耦合关系。全球陆地生态系统是一个巨大的碳汇,但是陆地生态系统碳循环对气候变化十分敏感,其受高温热浪、干旱及其复合灾害的胁迫效应受到长期关注。然而,气候变化下高温热浪-干旱复合灾害的大气动力学成因仍然不清晰,气候系统的水碳循环变异如何传导并影响陆地生态系统亟待探讨。

该团队以全球能量收支与水分循环为视角,基于卫星重力和大气再分析产品构建了陆地水储量亏缺与高温事件的二维诊断关系,量化了大气边界层水-热传输异常对极端气候灾害的驱动过程,辨识了大气对流有效位能、对流抑制能、水汽辐合通量等对近地高温的影响路径;综合考虑大气湿度、土壤、陆地水储量等与陆地水分条件的互馈过程,从而量化了大气热力和动力环境变化对热浪及陆地水储量亏缺并发事件的驱动机制;采用日光诱导叶绿素荧光作为植被光合作用的理想探针,进一步结合机器学习、MODIS探测器及通量塔观测数据,实现了热浪、干旱及其复合事件对陆地生态系统碳汇的定量胁迫诊断(图1)。

图1  大气-陆面-植被-土壤耦合系统的水热碳交换及互馈过程

未来气候变暖情景的全球水碳循环变异机制更趋复杂,该团队结合地球系统模式、动态植被模型和全球水文模型,假定不同的碳排放情景及社会经济发展路径,模拟了21世纪全球陆地水储量、极端高温及地表主要碳通量,发现本世纪末高温-热浪复合事件的发生频率和强度显著增加,平均每年影响14-17亿人口和13-20万亿美元;复合事件增长的主要驱动力为气温升高,但是未来水分条件会成为制约陆地生态系统碳汇的重要约束力,且其胁迫作用超过极端高温。为了进一步诊断非一致性条件下高温与干旱事件的联合变化过程,构建了高温强度与干旱强度的二元时变模型,并考虑社会经济系统的动态属性,定量评估了复合事件对人口和GDP的影响,发现未来变暖情景下复合灾害对低收入群体和农村造成更大威胁(图2)。

图2  本世纪末干旱-高温复合事件的变化及其社会经济风险

该研究工作对应对全球变暖及制定“双碳”战略的气候适应政策具有重要意义。Nature Sustainability副主编Stephanie M. Olen博士同期发表评论文章:“When I first read the paper from Yin et al., it stood out to me because it tackles an urgent global problem — one we see more and more frequently in the headlines。”(“我第一眼见到这篇文章时,它就打动了我;因为它在解决一个紧急的全球性难题,这个难题越来越频繁地出现在各大新闻头条。”)

该工作得到国家自然科学基金青年项目和中央高校基本科研业务费等项目的支持,也得到了武汉大学超算中心的技术支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41893-022-01024-1

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