全球水文对二氧化碳的敏感性，从辐射和生理强迫中获得的见解

气候变化是一个不可否认的现实，影响着地球的方方面面。面对不断上升的二氧化碳水平，全球水循环正在经历重大转变，这一点越来越明显。其中最深远的影响来自两种与二氧化碳相关的关键力量辐射效应和生理效应。

辐射效应是值二氧化碳通过吸收和重新发射热量（红外辐射）增强温室效应。这导致全球变暖，从而通过增加蒸发率和降水量影响水循环，随着温度升高，大气可以容纳更多的水分，导致水循环加剧，包括更频繁或更强烈的降水事件，特别是在高纬度地区，它推动气候变暖并改变降水模式。

生理效应是指二氧化碳浓度升高会影响植物的生理机能，主要是通过降低气孔导度来减少蒸腾作用造成的水分流失。这会导致土壤水分和生态系统中总体水资源可用性的变化。虽然这种生理效应有助于植物节约用水，但它也会降低局部湿度并改变降水模式，它影响植物蒸腾和水分保持。

二氧化碳增加导致全球气温上升，从而加速蒸发速度。较暖的空气含有更多水分，增加了大气中的水蒸气含量，这可能导致某些地区降雨量增加、风暴更频繁，而其他地区则可能遭遇更严重的干旱。此外，二氧化碳浓度升高会导致气孔导度降低，随着气孔关闭，植物失水减少，这可能会降低局部和区域湿度，从而减少植物的蒸腾作用，它们节水效率更高，这可能导致大面积蒸散量减少，从而可能改变当地和区域的水资源供应。

中国科学院大气物理研究所和START东亚温带区域中心和东亚区域气候-环境重点实验室在2014年的一项研究中，调查了 CO2 辐射效应和生理反应对径流和水资源可用性的综合影响。他们的研究结果表明，由于 CO2 浓度升高导致植物蒸腾作用降低，最初可能会减少径流，但当将辐射效应考虑在内时，陆地降水量增加会增加总径流 。

然后，2015年，伯尔尼大学厄施格气候变化研究中心在Nature上发表的一项研究，质疑了先前的假设，即植物对二氧化碳升高的反应会减少蒸腾作用和空气湿度。该研究利用欧洲森林网络的年度长期δ13C树木年轮测量数据， 重建了细胞间CO2 ( Ci)对大气CO2 ( Ca)趋势的生理反应。通过从δ13C测量中去除气象信号，他们能够分离出生理反应​。研究发现，20世纪以来，欧洲各地树木的内在用水效率提高了14 % （阔叶树），22 % （针叶树），尽管效率提高了，但同期森林蒸腾量却增加了5 % ，这是由于生长季节延长、气候变暖导致蒸发需求增加以及叶面积增加

2023年，美国加利福尼亚州圣巴巴拉加利福尼亚大学圣巴巴拉分校地球研究所、韩国安山汉阳大学海洋科学与融合工程系发表在Nature上的一项研究中，研究人员利用地球系统模型( ESM )模拟二氧化碳排放和清除对全球降水的影响。研究发现，地球气候系统对正负二氧化碳排放的反应不同，从而导致滞后现象​。这意味着，减少二氧化碳的气候反应与增加二氧化碳的气候反应不同​​​​。气候敏感性被确定为控制全球降水滞后程度的关键因素​​气候敏感度越高的模型，滞后效应越明显​。该研究表明，在二氧化碳排放为正的时期之后的初始二氧化碳排放为负的时期，地表可用于降水的能量持续增加.这导致全球降水出现滞后效应​​，缩小气候敏感性的不确定性可以改善全球水文循环的预测。

近日，由中国科学院地理科学与资源研究所的一项研究，深入探讨了二氧化碳如何通过生理和辐射机制影响全球水循环。研究人员使用CMIP6模型（耦合模型比对计划第六阶段）来模拟二氧化碳增加的影响 研究人员进行了每年1% 的二氧化碳增加实验（ 1pctCO2情景），以分离和量化全球水文敏感性对二氧化碳生理和辐射强迫的幅度。

研究发现，全球水文对二氧化碳生理强迫（二氧化碳如何影响植物生理）的敏感性为每增加100 ppm二氧化碳就会增加0.09 ± 0.07 %，而全球水文对二氧化碳辐射强迫（二氧化碳如何捕获热量）的敏感性为每温度增加1°C就会增加1.54 ± 0.24% 。研究强调，CO2辐射效应在全球水循环强化中占主导地位，贡献率约为79 %，两种效应相互作用的正贡献较小（约6 % ），但因CO2生理效应而降低（约-10 %） 。

简而言之，当大气中的二氧化碳（CO2）浓度增加时，植物通过关闭气孔来减少水分蒸腾，这意味着植物消耗的水分更少，因此释放到大气中的水蒸气也更少。温度上升（辐射强迫）对全球水循环的影响远大于植物生理变化（生理强迫），未来如果CO2浓度继续上升，全球水循环将主要因为温度上升而变得更加强烈。

为什么全球水文对二氧化碳辐射强迫的敏感度高于生理强迫？辐射强迫（加热整个大气）引起的变化幅度远远大于对植物蒸腾作用的局部生理影响，辐射强迫均匀地影响整个地球，导致全球气温升高，从而直接影响整个水循环。相比之下，生理强迫主要影响植被覆盖率较高的地区。与生理效应相比，辐射强迫可以触发更多的反馈回路（例如水蒸气增加导致进一步变暖），而生理效应的反馈机制则更为有限。

这项研究全面了解了二氧化碳水平的升高如何通过生理和辐射机制影响全球水循环。辐射强迫的主导地位凸显了解决二氧化碳排放问题的迫切需要，以减轻未来气候对水资源的影响。

思考：

二氧化碳生理效应和辐射效应之间的相互作用在不同的生态系统和气候区域有何变化？二氧化碳引起的水文循环变化对区域有何具体影响，这些影响在降水模式、干旱频率和水资源可用性方面有何不同？水文循环和地球系统的其他组成部分（例如冰盖、洋流）之间存在哪些反馈机制，以及它们如何影响整体气候对二氧化碳的敏感性？

参考文献：Xuanze Zhang, Yongqiang Zhang, Ying-Ping Wang, Qiuhong Tang, Yunyun Ban, Chanyue Ren, Husi Letu, Jiancheng Shi, Changming Liu，Quantifying Global Hydrological Sensitivity to CO2 Physiological and Radiative Forcings Under Large CO2 Increases.  doi.org/10.1029/2023EF004246

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