我们我系聂绩副教授课题组基于深时古气候模拟，揭示了海陆分布对全球水循环的重要作用，阐明了海陆分布，主要是低纬陆地覆盖率，调控水循环的机理为：改变地表潜热和感热通量比例的直接作用，以及改变大气湿度和相应的温室效应这一间接作用，建立了基于大气能量收支的深时全球水循环量化模型。研究结果为理解地球系统的气候和水文循环的长期演变提供了新的科学视角。研究成果“A simple model for the hydrological change over Phanerozoic: untangling contributions from climate and continental evolution”于2025年3月发表于《Geophysical Research Letters》。
我们地球水文循环在地质时期经历了显著变化。之前研究普遍认为气候，例如用全球平均地表温度（GMST）来表征，是决定全球平均降水量（GMP）的首要因素。该研究发现，海陆分布的变化，特别是低纬陆地覆盖率的变化，同样对全球水文循环具有不可忽视的影响。模拟结果显示，在显生宙（5.4亿年前至今）的大部分时期，GMST与GMP的变化相关性很高。然而，仅依赖温度估算降水量仍存在较大偏差，尤其是在超级大陆时期（2.5亿年前左右），降水量显著偏少。分析表明，这些偏差主要来源于低纬陆地覆盖率的变化，表明陆地分布是影响GMP的重要调控因素（图1）。
图一：(a) 从540Ma到 PI 的模拟的全球平均降水 GMP（蓝色实线）和地表温度GMST（红色实线）的时间序列图。灰色阴影标示超大陆时期，温度和降水之间出现较大偏离。而考虑了海陆分布作用的理论模型的估算结果有较大改进（蓝色虚线）。（b） 低纬（40°N 和 40°S 间）陆地覆盖率的时间序列。
我们该研究进一步揭示了陆地覆盖率如何通过影响大气能量平衡机制来影响水循环（图2）。相比海洋，陆地的潜热通量较低，陆地覆盖率的增加会改变全球感热与潜热通量的相对比例，从而直接减少GMP。此外，潜热通量降低导致大气变干，削弱水汽的温室气体效应，从而进一步将直接效应的影响放大了约44%。
我们基于这些机制，研究团队构建了一个简单模型，将GMP表示为全球平均温度和陆地覆盖率的函数，并成功再现了古气候模拟的结果（图1a）。此模型表达式为：
其中
为全球平均降水，
为全球平均温度，
为低纬度陆地覆盖率，其他符号为物理参数。这一模型不仅为重建地质时期的水文循环提供了理论支持，还能在已知气候和陆地分布的情况下，高效估算特定时期的全球平均降水量。本研究揭示了气候变化与大陆演化在调控全球降水方面的共同作用，为理解地球长期水循环演变提供了重要参考。
图二：陆地覆盖率变化引起降水变化的机制示意图。
本研究是在国家自然科学基金委基础科学中心项目“大陆演化与季风系统演变”（42488201）资助下完成的。
论文链接：https://doi.org/10.1029/2025GL115077
