气候变暖的“水热耦合说”

 为什么中国北方地区升温幅度较南方地区大？为什么北极及青藏高原地区升温存在放大效应？今天全球地表温度显著升高，现象的根源到底是什么？人类可以改变吗？

潘志华

中国农业大学资源与环境学院教授，博士生导师  

中国气象局-中国农业大学农业应对气候变化联合实验室主任

演讲实录：

我今天给大家带来的这个话题，就是气候变暖的水热耦合说。你看看最近整个地球都非常的不平静，热的热，涝的涝，大火不停发生，然后方方面面都很多。你看看，那么这个事情呢，大家实际上不是今年一年的事，这么多年来都一直是这样。大家可能会深切地感受到，或者明显地感受到我们地球在变暖。

联合国下面有一个组织叫政府间气候变化专门委员会，简称IPCC。它的主要任务就是对气候变化要进行科学评估。从这张图可以看出来，我们全球在变暖，温度在升高，这是不争的事实。但同时大家也可以看到，我们的极端高温热浪等事件，你看，频次也好，强度也好，都在不断增加增强。

具体到咱们国家来讲，咱们国家的气候变化形势更为严峻。为什么这么说？国家气候中心的数据表明，1961年到2020年，咱们中国地表年平均气温每十年上升0.26度，这一个数据是什么样的，远远高于全球的平均。

但是大家也注意到，你看我们北方的升温幅度比南方要大，西部的升温幅度比东部要高。那么这里有一个为什么是这样的问题。大家也同时看到，你看我们右边这张图，我们的极端事件，高温事件，以及气候风险指数都在增加，也就是说，现在我们不稳定性增强，为什么老出现极端呢？这都给我们带来了一系列的影响。

那么关于全球气候变暖，当前的这个说法是什么？由于人类活动排放的二氧化碳等温室气体造成的，二氧化碳等温室气体它有温室效应，所以说，造成了全球的气候变暖。但是这里就带来一个问题，从我们传统气象学角度有一个很重要的因素，水。

水的变化与气候变化什么关系，大家看一看，水在整个地球气候当中起着非常非常大的作用，水是我们地球气候系统的主要调节器。

水循环过程都是伴随着能量的转移，水，大家也知道，从液体到气体再到固体整个相变过程，它是存在着巨大的能量的转换，是吧。

那么土壤当中的水怎么去跟气候发生作用呢？我们说土壤水分，用这么一个，我们专业词叫土壤湿度，通过蒸散，大家都知道蒸散，通过蒸散的多少就来调节地表的潜热和感热的分配，通过这个分配就来调整我们近地表的温度，你看大家就知道，这个土壤湿度，它是发挥这个作用的。

另外一个，我们水汽能够吸收我们的红外辐射，是吧，它具有非常强的热储存能力，但同时，它的量也很大。这里想说的就是，它比我们的二氧化碳有更强的温室效应，可以这么说，它是最大的温室气体。

从这几个方面可以看出来，我们土壤湿度和大气湿度对于全球陆地上的气候，它的作用可想而知了。那么问题就来了，土壤湿度、大气湿度发生了什么变化呢？这么多年来，大家都说气候变化可能是一个长时间的过程，那么与气候变化有什么关系？

好，我们慢慢来看。当然，我对这个问题的关注，实际上，要从我读硕士研究生的时候开始。我读硕士研究生的时候就是三十年前，我当时的研究方向就是土壤水分模拟，然后通过模拟和作物生长发育之间的关系来提高作物产量，也就是说那个时候我就开始测量土壤湿度。

大家也可以看到，因为那个时候不灌溉，我们关注的是土壤湿度，所以人们总是想办法充分利用好土壤湿度。尤其我们北方的旱地来讲，土壤湿度越高，或者正好在下雨的时候，那个阶段最好，我们去安排农业生产来提高我们的作物的产量。

我的专业是农业气象，所以我在进行田间观测的时候，我还要关注气象和气候问题。从上世纪90年代，全球气候变暖就受到了全社会的关注。因为我的研究地点在内蒙古武川县，大家都知道它是一个半干旱地区的县。

我就把这个县的气象数据要来，大家可以看到，你看，这个县的整个年平均温度在逐年升高，也就是气候呈现变暖的特征。

那么我再把咱们中国的数据也要来，大家也可以看到，全国整体温度也是升高的，但是大家可以看到，北方升温的幅度，那个颜色比南方要深的多，西部升温的幅度比东部要深的多。

那么前面提到了，如果是因为二氧化碳等温室气体浓度增加引起的升温，那么我就在想，在我们这个地方，难道排放的二氧化碳浓度比其他地方要高吗？大家都知道，恰恰不是，因为那个时候咱们北方的发展水平还是相对没有南方那么好，是吧，也就是说它排放的二氧化碳等温室气体浓度不比其他地方高。那么为什么它的升温幅度要比其他地方高呢？这就引起了我的好奇，我就不停地去思考。

肯定还有其他的因素在影响我们的气温。有时候我就在想，土壤湿度和温度之间的关系。我查阅了有关文献，有科学家说，温度升高以后，土壤蒸发加剧，也就是土壤湿度慢慢地下来了，这个道理固然成立，但是我也查阅有关资料发现，我们气象站有一个小型蒸发皿，我们蒸发皿的数据却没有因为温度的升高而增加。

这个时候我就开始想，我们是不是有别的原因，因为我们长期关注的是农业生产。从农业生产活动的角度来讲，可能因为农业生产活动强度的增加，加剧了我们地表水，乃至地下水的消耗，导致土壤湿度，可能是这个原因。

由此，我就带着我的研究生来开始研究，来研究土壤湿度和气候变化和农业生产活动强度之间的关系。

经过几年的研究，我们发现不断增加的农业生产强度加剧了我们的土壤干旱。大家从这些图可以看到，这么多年来，我们在北方地区，我们的种植面积，我们的单产水平，尤其我们的高耗水作物，就是玉米，而谷子，相对耗水低的作物面积在下降。我们的化肥施用量在增加，农业生产强度不断加大，就需要水，就进一步加剧了土壤干旱。

那么土壤干旱和温度之间是什么关系呢？由此我们就开展了进一步的观测。我们发现，同样一个地方，两种不同湿度条件下的土壤，可以看出它们的温度变化是不一样的。在温度高于零度的时候，就是在横坐标的上面，大家可以看到，我们干土壤的温度比湿土壤要高。

但我们反过来看，在横坐标的下面，也就是温度低于零度的时候，大家可以看到，我们干土壤的温度比湿土壤要低。由此我们就可以初步看出来土壤湿度和温度之间有一定的关系。

我们分析一下原理，前面我们已经提到了，我们就可以发现土壤湿度，它就是要通过蒸散来调控或者调节我们地表的感热和潜热的分配，来调节我们地表的温度。当我们土壤湿度降低的时候，蒸散就会减少，蒸散减少，实际上就是感热就会增加，就会导致我们地表温度的增加。当然反过来，土壤湿度增高了，增加了，那是反过来。所以这就是土壤湿度和地表温度的相互作用原理。

我们要知道，土壤湿度联系着水圈、生物圈、大气圈，是我们整个气候系统的重要组成部分。在全球尺度上，土壤湿度对气候变化的影响仅仅次于海洋，但是大家要注意，在陆地上那不是了，土壤湿度的作用要远远超过海洋了。由此，我们就可以用土壤湿度的变化来解释温度的变化。

但是我们又发现问题了，因为我们刚才说的是平均温度的变化，我们还有最高和最低，我们分析武川县最高温度和最低温度的时候发现，最高温度和最低温度都升高，但是有一点，最低温度升高的速度比最高要快，这又是什么原因呢？

然后我们就进一步分析影响我们这个日较差，最高温度最低温度的因素。我们最后发现，大气湿度是影响我们日较差的一个重要因素。

大气湿度它具有很大的热容，是吧，它具有很高的热储蓄能力，并且它在比较低的时候，就是大气湿度含量比较低的时候，和温度比较低的时候，它的增温效应更明显。由此我们就可以用土壤湿度和大气湿度联合解释武川县温度变化的情况。

那么用这样的一套解释，我们再放到更大范围去能不能解释呢？放到中国，放到全球能不能解释呢？为了这个问题，实际上我2014年专门去美国半年时间和我们的同行们一起来探讨温度变化的原因，但非常复杂，你看看从全球的角度来讲，每一个地方它都不一样，所以说具体解决起来非常非常困难，给我们带来了很大的挑战。

但不管怎么说，我们静下心来，从基本原理开始入手，基于机理和统计学的方法，我们建立了地表温度和大气湿度、土壤湿度以及太阳辐射的关系方程。我们把它称之为水热耦合方程。我们最后很高兴可以找出一些规律来了。

比方说，从这张图上可以看出来，在降温的地方，土壤湿度都在升高，在升温的地方既有土壤湿度下降，也有土壤湿度的升高。但对于大气湿度的来讲，它总体都表现为保温效应，也就是说，它的量大的时候，保温效应就强，量小的时候，它的这个保温效应就弱。

就这么一个方程，它能够很好地解释地表温度变化的原因。

你看，这张图可以看出来，如果根据土壤湿度和大气湿度进行组合的话，可以分为四种类型区，也就是土壤湿度在增加，大气湿度在增加，土壤湿度在增加大气湿度在下降，土壤湿度在下降大气湿度在增加，土壤湿度在下降大气湿度在下降，四种类型区。

我们根据这四种类型区都分别建立相应的水热耦合方程，最终这个水热耦合方程都能够解释我们整个全球各个地区它的温度变化的原因。

如果我们总结一下，在地表温度大于零度的时候，如果土壤湿度下降，这个时候，感热通量就会上升，我们的地表温度就会升高，反之，温度就要降低。当土壤温度小于零度的时候，土壤湿度升高，水分就会凝结放热，温度就会升高，反过来，土壤温度就要下降。但是对于我们大气湿度来讲，就是我们大气当中的水分来讲，无论是温度升高还是温度降低，它始终表现出温室效应，就是随着它的量增加，我们就很好地通过这样一个理论解释了我们全球的温度变化的原因。

我国北方地区温度升高是因为水减少的原因。我们实际上从上世纪八十年代开始，那个时候基本不采用灌溉，大家都充分利用土壤当中的水分，耕作也好，通过耕作措施来蓄水，还有我们可以施肥等等。但是后来发现这样的情况产量很低，由此人们就开始灌溉了，大水漫灌、喷灌，当然现在这个措施越来越科学、越高级，到了现在，滴灌。

但不管怎么说，它都要用到我们的地表水或者地下水。我们现在在北方地区，很多的河湖都已经消失了，特别是我们的地下水位已经下降得很厉害了。我们前一段时间还去调研，我们在北方半干旱地区，相当部分的地下水已经降到100米以上，已经对我们当地的生产和生活带来影响了。

随着人类活动的加强，一定会首先打破水循环，一定会增加我们的用水和耗水，这就给我们气候变暖打开了大家常说的潘多拉的魔盒，就会引起一系列的连锁反应。

那怎么办呢？在这里我提出三点建议。

第一点建议，关注水分变化与气候变化之间的关系，我们在场的，在线的，大家都一起来关注。

第二，要以水为约，合理用水，我们都在强调经济发展，这是固然重要，但经济发展的同时，我们也要重视水资源的可持续利用问题。我们要尽快建立水资源不足地区的水资源的利用红线，大家现在经常听到的以水定绿、以水定产、以水定地、以水定城，这不是口号，我们要尽快行动起来，避免形成重大的生态风险，我们要尽快开展水资源承载力的保护研究，要根据水资源的承载力的高低来合理布局我们的农业生产，我们还倡导要开展有序的人类活动，把合理利用水资源作为可持续管理的核心。

第三，实施水循环与地表水、地下水的恢复工程。要大力实施水循环的工程。当前雨洪、洪涝灾害给大家一个启发就是，我们要加大雨洪资源的利用，大力研发雨洪蓄集和回灌技术，让排到大海里的地表径流都能够留在陆地，最好能回灌到地下。

小结一下，水去则温升，水来则温降。我相信，只要让水回来，我们的生态就会变好，气候也会变好。

当前我们迫切需要认识把握自然规律，改变人类自己，科学地利用自然，让自然生态重新回到平衡状态。地球不怕热，人类怕热。为了我们人类的未来，人类需要节制用水，平衡用水，保护气候。谢谢。

编辑：王海龙