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地学科研动态 2025年09月12日
9月11日，北京师范大学地理科学学部周沙研究员在Nature Climate Change杂志在线发表了题为“Neglecting land–atmosphere feedbacks overestimates climate-driven increases in evapotranspiration”的重要研究成果。该研究解决了学界长期存在的“计算偏差”问题——以往在预估气候变暖对陆面蒸散发的影响时，常因忽略陆气反馈导致结果被显著高估。该研究不仅阐明了陆面蒸散发与大气之间的互馈机制，还调和了离线水文模型与地球系统耦合模型在蒸散发变化预估和归因上的分歧，为更准确预测未来水资源和生态系统变化提供了关键理论支撑。
陆面蒸散发（ET）变化通过调控能量与水分循环，深刻影响气候演变、水资源格局和生态系统功能，是理解地球系统变化的关键过程。然而，受陆气相互作用过程复杂性的制约，气候变化对ET的影响预估存在高度不确定性：基于离线水文模型预估的气候变暖驱动的全球ET增幅，远高于地球系统耦合模型的预估结果，这一分歧严重制约了未来水文气候变化（陆面干湿变化）预估的可靠性。
研究指出，两类模型预估分歧的根源在于离线水文模型对大气蒸发需求（潜在蒸散发，PET）的估算偏差。以往研究广泛采用Penman公式估算PET，却忽略了陆面对大气的反馈过程：在气候变暖背景下，陆面水分亏缺导致ET下降，而ET减少进一步加剧大气变暖变干，促使水汽压差（VPD）升高，进而推动PET上升。但是，这种由陆气反馈驱动的PET增加，并不伴随着ET的同步增加——与离线模型中“PET增加必然驱动ET增加”的核心假设相矛盾。因此，采用Penman公式不仅系统性高估了水分限制地区的大气蒸发需求，更显著放大了未来气候暖干化情景下PET及ET的增长幅度。
为了定量解析ET—PET互馈关系，研究将Penman公式解构为能量驱动项（PETe，表征辐射、温度等能量驱动因素）和空气动力学驱动项（PETa，反映风速、湿度等水汽扩散条件影响）。通过理论推导、观测与模拟验证，研究揭示了ET、PETe与PETa之间的普适性定量关系：
该蒸散发互补关系理论公式清晰刻画了ET在陆气系统中的双重作用：一方面，大气能量状态通过PETe正向驱动ET变化；另一方面，ET减少通过陆气反馈增强PETa。研究证明了PETe是驱动ET时空变化的关键气候因子（图1），而PETa以及Penman公式（PETe和PETa组合）系统性高估了大气蒸发需求，这一发现为修正蒸散发预估偏差提供了核心理论依据。
基于PETe重构大气蒸发需求估算方法后，研究将其应用于离线水文模型（Budyko框架）。结果显示，离线水文模型与地球系统耦合模型在全球ET变化预估和归因上实现高度一致（图2），成功调和了两类模型长期存在的分歧，为蒸散发及径流变化的准确预估提供了统一的方法体系。
图1. 观测和模拟验证表明，ET与PETe呈正相关，而与PETa呈负相关。在湿润条件下，ET=PETe=PETa；在干燥条件下，ET< PETe< PETa。ET空间变化（a-f）和时间变化（g-l）均由PETe驱动：ET随PETe增加而增加，而ET减少通过陆气反馈促进PETa增加。
图2. 基于PETe的离线水文模型（Budyko框架）与地球系统耦合模型在蒸散发变化预估和归因中的一致性。a-b，蒸散发/降水比例（ET/P）和干旱指数（PETe/P）之间的强相关关系。c-d，基于离线模型和耦合模型的ET变化预估的时空一致性。e，基于离线模型和耦合模型分离气候变化和陆面变化对蒸散发影响的一致性。
北京师范大学地理科学学部周沙研究员为论文的第一兼通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目（42471108）、创新群体项目（42521001）、国家重点研发计划课题（2022YFF0801303）等项目资助，是周沙研究员团队在蒸散发理论与水文气候变化研究领域取得的又一重要成果。系列研究进展包括：1）从理论上阐明了Penman公式系统性高估了大气蒸发需求（PET），且高估程度随着气候暖干化加剧；构建了基于能量驱动的PETe估算方法，有效消除了PET估算偏差；2）将PETe整合至Budyko框架，有效解决了离线水文模型和地球系统耦合模型在蒸散发和径流变化预估和归因中的分歧；3）基于PETe修正干旱指数，调和了全球旱区扩张规模的学术争议，预估未来高排放情景下全球旱区无显著扩张趋势。这一系列研究不仅为水文气候与陆面干湿变化领域的核心科学争议提供了全新理论视角与方法，其成果在旱区水资源优化配置、生态系统适应性管理等实践领域亦具有重要应用价值，为应对全球变化、保障区域水安全和生态文明建设提供了科学支撑。
相关论文：
Zhou, S. &Yu, B. Neglecting land–atmosphere feedbacks overestimates climate-driven increases in evapotranspiration. Nat. Clim. Chang. https://doi.org/10.1038/s41558-025-02428-5(2025).
Zhou, S., Yu, B., Lintner, B. R., Findell, K. L. & Zhang, Y. Projected increase in global runoff dominated by land surface changes. Nat. Clim. Chang. 13, 442–449 (2023).
Zhou, S. & Yu, B. Reconciling the discrepancy in projected global dryland expansion in a warming world. Glob. Change Biol. 31, e70102 (2025).
Zhou, S. & Yu, B. Physical basis of the potential evapotranspiration and its estimation over land. J. Hydrol. 641, 131825 (2024). | 
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