地球上的降水对海洋盐度、环流、硅酸盐-碳酸盐循环以及生态系统都有着广泛影响。在全球气候变暖的大背景下，观测数据和模式模拟的结果都表明，全球平均降水会随气候变暖而增加。但是前人研究的地表温度范围主要在现代平均地表温度（～15℃）的正负10℃之间，在更高温的气候下，全球平均降水的变化趋势是否持续尚不清楚。近期，北京大学物理学院大气与海洋科学系2021级博士生刘伽晨、杨军长聘副教授与合作者揭示了在极热气候下（地表平均温度达到～47℃），全球平均降水随地表温度的变化趋势将发生逆转。降水将不再随气候变暖而增加，而是随气候变暖而减少。相关成果以“极热气候下减弱的水循环（Hydrologic cycle weakening in hothouse climates）”为题，于2024年4月25日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。
该研究利用一系列气候模型，发现在极热气候下全球平均降水随气候变暖而减弱的趋势是非常显著的（图1）。在模式中，这种趋势并不受变暖原因、对流方案、海洋动力学、大气质量、行星旋转速度、重力及恒星重力加速度的影响。
图 1.三维大气环流模式模拟的全球平均地表降水量随平均地表温度的变化。全球平均降水是平均地表温度的非单调函数，在极热气候下会随着气候变暖而减少。
研究从大气能量约束和动力约束两个角度解释了全球平均降水在极热气候下减少的原因（图2）。
图 2.全球平均降水的能量约束（A）和动力约束（B）示意图。 在能量约束下，全球平均降水强度由大气净能量损失决定。在动力约束下，全球平均降水强度主要由对流质量通量、云底和云顶之间的水汽绝对湿度差以及降水效率决定。
从能量平衡的角度，全球平均降水受到大气能量收支的约束（图3A）。大气通过吸收来自恒星的短波辐射(图3C)、地表的潜热（图3E）和感热（图3D）获得的能量，要与大气向外发射的长波辐射（图3B）平衡。而全球平均降水与地表释放的潜热基本成正比关系，所以全球平均地表降水是受地球大气的能量收支来控制的。其中起主导作用的是大气向外发射的长波辐射（图3B）和大气吸收的短波辐射（图3C）。当地表温度较低时，大气向外发射的长波辐射比吸收的短波辐射随气候变暖增长得更快，所以地表可以释放的潜热随气候变暖而增加，全球平均降水也随气候变暖而增加。然而进入极热气候后，大气会变得非常湿润，水汽几乎可以吸收掉所有地表和大气低层辐射出的长波辐射。在这种情况下，当地表温度持续增加，大气无法增加向外的长波辐射；但由于水汽对近红外波段太阳光的吸收，大气的短波吸收仍然会持续增加，此时根据能量平衡，地表释放的潜热就减少了，全球平均降水也减少了（图3E）。
图3. 全球平均降水量的能量约束。（A） 根据大气净能量损失估计的降水量（纵轴）与实验模拟的降水量（横轴）对比。（B）大气顶部的向外长波辐射（OLR，橙线）和向外长波辐射减去地表净长波辐射（OLR-NLWs，蓝线）。（C） 大气短波吸收（ASWa）。（D）地表显热（SHs）。（E） 大气净能量损失（蓝线，等于OLR-NLWs-ASWa-SHs）和与由全球平均地表降水估计的地表潜热释放（红点）。
从动力的角度，全球平均降水强度主要由对流质量通量、云底和云顶之间的绝对湿度差以及降水效率决定（图2B）。降水的变化趋势主要取决于对流质量通量（图4B）及云底和云顶之间的绝对湿度差变化（图4C）。随着地表温度升高，大气中的水汽含量升高，使云底和云顶之间的绝对湿度差增加，有利于平均降水的增加；同时，地表温度升高时，大气层结变得稳定，对流质量通量减小，不利于平均降水的增加。在现代气候下，云底和云顶之间的绝对湿度差的增加起到了主导作用（图5B深蓝色线），所以平均降水随地表温度的升高而增多；进入极热气候后，大气层结会变得非常稳定，在副热带甚至会出现大范围的永久性逆温，对流被极大地抑制，此时对流质量通量的减少起到主导作用（图5B橙色线），全球平均降水随地表温度升高而减少。
图 4.全球平均降水量的动力约束。（A）模式模拟的平均降水（蓝线）和基于动力约束的估计平均降水（红线）随地表温度的变化。（B）垂直平均的对流质量通量随地表温度的变化。（C）云底与云顶的水汽绝对湿度差随地表温度的变化。（D）降水效率随地表温度的变化。极热气候下平均降水量减弱主要是由于对流质量通量的减少。
图 5.能量约束中平均降水随地表温度的相对变化量和每个变量的贡献。（A） 模式模拟的平均降水随地表温度的相对变化（蓝色），通过能量约束估计的平均降水随地表温度的相对变化（红色）。（B） 能量约束中各变量对降水变化的贡献，垂直平均的对流质量通量（橙色）、云底与云顶的饱和水汽绝对湿度差（深蓝色）和 降水效率（紫色）。
这项研究加深了我们对地球以及其他岩石行星气候系统的理解。与前人认为平均降水会随着地表温度的升高而持续增加的观点不同，该研究发现平均降水的变化率与地表温度有关（类似于气候敏感性）。在极热气候下，全球平均降水量随地表变暖的增长率接近零甚至为负值。极热气候限制了行星的宜居性，而平均降水的减少可能会给生物的生存带来进一步挑战。例如，相较于之前的估计，平均降水减少可能会导致未来地球生物圈在变亮太阳下的寿命缩短。而其他炎热行星的宜居性也可能会遇到类似的挑战，比如接收到更多太阳辐射的金星、可能受到撞击而具有炎热地表的火星、有着高二氧化碳或甲烷含量的岩石行星，以及位于行星宜居带内边界附近的岩石行星。
该研究也挑战了碳酸盐-硅酸盐循环假设中的基本前提（即平均降水量随着地表温度的增加而增加）。在极热的气候下，风化速率将低于前人的估计。例如，在大约6-8亿年前的新元古代时期，在硬雪球地球融化后二氧化碳含量较高的极热气候中，降水强度应该较弱，地球从极热气候中恢复所需要的时间可能会比通常假设的更长。
刘伽晨为论文的第一作者，杨军为通讯作者。合作者包括北京大学物理学院胡永云教授、丁峰助理教授和加州大学洛杉矶分校陈刚教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado2515
