在全球升温的背景下

气候变化改变陆面水热耦合机制

导致干旱及高温热浪等

极端水文气象灾害事件频发

严重威胁全球生态

与社会经济的可持续性发展

摄影：龙树云

气候变化及其影响具有阈值效应。当气候在一定范围内波动时，其变化对区域水、热及碳循环的影响较小；一旦气候变化幅度超出某临界值，将改变陆面与大气的反馈机制，导致区域水量与热量循环失衡，形成大范围的灾害事件。因此，气候变化临界值研究对认识气候演变及其影响机理具有重要意义。受限于大空间范围观测技术与理论方法，目前对气候变化的临界点研究仍然较为不足。

天津大学地球系统科学学院董建志教授团队结合微波遥感与土壤退水过程理论，通过研究土壤水与蒸散耦合机制，提出了界定陆面水热耦合过程"水分制约"（Water limited）与"能量制约"（Energy limited）临界点（Tipping point）的理论方法。并表明气候变化的幅度超出该临界点时，土壤-植被-大气会出现强烈的反馈现象，并通过陆-气交互过程大幅加剧干旱强度，影响区域水资源和生态系统稳定性。

图1：基于土壤退水过程的气候变化临界点确定

为了进一步将该理论方法推广到全球尺度，研究提出了基于蒙特卡洛的优化算法（图2），实现了全球不同的气候区土壤退水过程曲线与气候变化临界点的准确、高效识别。相比于传统土壤退水过程参数优化方法，该方法将优化效率提升了近百倍，极大地提升了全球范围内气候变化临界点估算的可行性。

图2：基于蒙特卡洛优化算法的气候变化临界点确定

根据提出的临界点理论与数理优化算法，进一步识别了全球气候变化敏感区（图3）。研究表明，在相同的气候变化或波动幅度下，这些敏感区更容易形成强烈的陆-气交互作用，导致区域水、热及碳循环的非线性突变。

相关成果发表在水文学顶级期刊《Water Resources Research》，第一作者为天津大学地科院董建志教授，合作作者为美国麻省理工学院（MIT）Dara Entekhabi院士等多位国际科学家，该项研究受国家自然科学基金（52179021）的资助。

图3：全球气候变化敏感区

相关论文信息：

Dong, Jianzhi, Ruzbeh Akbar, Andrew F. Feldman, Daniel Short Gianotti, and Dara Entekhabi. "Land Surfaces at the Tipping‐Point for Water and Energy Balance Coupling." Water Resources Research 59, no. 2 (2023): e2022WR032472.

Dong, Jianzhi, Ruzbeh Akbar, Daniel J. Short Gianotti, Andrew F. Feldman, Wade T. Crow, and Dara Entekhabi. "Can surface soil moisture information identify evapotranspiration regime transitions?" Geophysical Research Letters 49, no. 7 (2022): e2021GL097697.

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