潘志华：气候变暖的“水热耦合说”_新浪财经

专题：2023年CC讲坛

　　主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第55期演讲2023年8月19日在北京举行。来自中国农业大学资源与环境学院教授、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潘志华出席，并以《气候变暖的“水热耦合说”》为题发表演讲。

　　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。

　　最近整个地球都非常的不平静是吧？你看这个事情在实际上不是今年一年的事儿，最近几年来一直都是这样，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科学知识的现状，气候变化对社会、经济的潜在影响以及如何适应和减缓气候变化的可能对策进行评估。

　　从这张图可以看出来，我们全球在变暖，温度在升高，这是一个不争的事实。但同时大家也可以看到我们的极端高温等事件，无论是在频次也好，强度也罢，都在增长增强。这对整个自然生态社会都产生了很大的影响。

　　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？国家信息中心的数据表明，1961年到2020年，咱们中国地表年平均气温每十年上升0.26℃，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高，西部的升温幅度比东部要高，为什么是这样？你看我们右边这张图，我们的极端高温事件以及气候风险指数都在增加，也就是说现在我们的不稳定性为什么老出现极端？

　　关于全球气候变暖，当前的说法是什么？为什么会产生全球变暖？我们大众或者科学家们都一直在关注目前的主流的说法，就是由于人类活动排放的二氧化碳等温室气体造成的全球的气候变暖。

　　但是，这里就有一个问题，从我们传统现象主义角度有一个很重要的因素，水。这个水近几十年来在这样背景下发生了什么变化？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大的作用。

　　水是我们地球气候系统的主要调节器，我这里不再详说气候系统，水循环过程，你看这个循环过程都是伴随着能量的转移，水大家也知道是从液体到气体，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？

　　我们想到水域可能要想到除了海洋以外，还有在陆地上的土壤也是我们水份的主要载体，可能大家没有特别注意到土壤当中的水，土壤中的水是非常多的，土壤当中的水怎么去跟气候发生作用的？

　　土壤湿度，我们说土壤水份有一个专业词叫土壤湿度，另外一个我们水气是这么一个水气能够接受我们的红外辅助，是吧？它具有非常强的热储存能力，但同时它的储量也很大，这里想说的就是它比我们的二氧化碳有更强的温室效应，也可以说，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的影响，那么问题就来了。土壤湿度，大气湿度发生了什么变化？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，三十年前我正读研究生，我当时的研究的方向就是土壤水份模拟，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，尤其在我们北方的旱地，土壤湿度越高，也就是说天气正好在下雨的时候，在这个阶段最好，我们去安排农业生产来提高我们的作物的产量，进行田间观测的时候，还要关注气象和气候问题。

　　从上世纪九十年代，全球气候变暖就受到了全社会的关注，当时我在内蒙古武川县，它是一个半干旱地区的县，我就把县的气象数据要来，大家可以看到，这个县整年的平均温度在逐年升高，也就是气候呈现变暖的特征，那么我再把咱们整个中国的数据也要来比较一下，从全国的数据看，全国整体温度也是升高的，但是大家发现没有，北方升温的幅度那个颜色比南方要深得多，西部升温的幅度比东部要深的多。

　　前面提到的如果是因为二氧化碳等温室气体浓度增加引起的，那我就在想，在我们这个地方，难道二氧化碳浓度排放比其他地方要高吗？恰恰不是因为那个时候北方的发展水平还是相对不如南方好的是吧？但是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要高，这就引起了我的好奇，我就不停的去思考，肯定还有其他的因素在影响我们的气温。

　　我工作以后，我仍然在内蒙古等区县继续测量土壤湿度，我测量的结果发现随着时间的推移，土壤湿度仍然在下降，但是温度在升高。

　　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，有科学家认为温度升高以后，土壤蒸发加剧，也就是说土壤湿度慢慢地就下来了，这个道理固然成立，但我也查阅有关资料，有些资料显示没有因为温度的升高增加，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，导致突然可能是这个原因。

　　由此我就带着我的研究生来开始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，我们在北方地区种植面积，尤其是我们的高耗水作物玉米，而谷子相对耗费低的作物面积在下降，我们的化肥使用量在增加，农业生产强度不断加大，这一系列都需要水，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？由此我们就开展了进一步的贯彻。我们发现同样一个地方，两种不同湿度条件下的土壤，温度变化是不一样的。在温度高于0℃的时候，就是在横坐标的上面，大家可以看到我们的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0℃的时候，大家可以看到我们干土壤的温度比湿土壤要低，由此我们就可以看出来，初步的看出来土壤湿度和温度之间有一定的关系，我们就分析它的原理，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地表的感热和潜热的分配，从而达到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我们干热增加，就会导致我们地表温度的增加，当然反过来说突然湿度增高了，增加了，好，那就是反过来了，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的水圈，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，在陆地上土壤湿度的作用，要远超过海洋了。

　　由此我们就可以用土壤湿度的变化来展示温度的变化。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。我们分析武川县的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，最高温度升高的幅度比最低温度升高的速度要快。也就是最高温度减去最低温度的这个变化是在呈下降的，这又是什么原因呢？然后我们就进一步分析影响我们日交叉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交叉的一个重要因素。我们大气湿度前面已经提到了，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，能不能解释放到中国，放到全球，能不能解释为了这个问题，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这个温度变化的原因，我们也研究一下美国乃至其他国家气候变化它的特征和原因。

　　但是这个过程是比较缓缓慢，这个过程当中我还先后安排两个博士参加进来。但是因为地表温度和土壤湿度大气湿度关系非常复杂，你看看从全球的角度来讲，每一个地方它都不一样，所以说在具体解决起来非常困难，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，找到了土壤湿度、大气湿度与气候变化之间相互作用原理，加上我们统计学的方法，基于积累加创新性的合作机制，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”。

　　我们基于这样的一个方程，我们再基于我们全球最新的数据，我们分析了我们全球地表温度的变化，土壤湿度的变化等等因素的变化，我们最后很高兴能从中找到了一些规律。

　　比方说从这张图上可以看出来，在降温的地方，我们土壤湿度都在升高，在升温的地方，只有土壤湿度下降，也有土壤湿度的升高。但对于大气湿度来讲，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，量小的时候它的保温效应就弱，基于我们的考虑，再结合我们的方程，我们进一步把它定量化。

　　大家可以看出来，我们最后建立了，净辐射、土壤湿度、大气湿度和地表温度的关系方程，就这么一个方程，它能够很好的解释地表温度变化的原因。我们这里的具体简单的讲，如果说拿2001年到2020年和1981年到2000年，在前后二十年对比，土壤湿度的增温效应达到62.45%，大气湿度的增温效应达到10.25%。可见的二十年来我们土壤湿度影响的效应还是非常大的。

　　我们再进一步的基于全球不同类型区域再进行分析。从这张图可以看出来，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。

　　我们根据这四种类型分别建立相应的水热耦合方程，我们最终的水热耦合方程能够解释全球各个地区它的温度变化的原因。

　　总结一下，我们关注的是土壤湿度和大气湿度，实际上土壤湿度因温度背景的不同，它的作用就不同。在地表温度大于0℃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0℃的时候，土壤湿度升高，水份就会临近放热，温度就会升高，反过来土壤温度就要下降。但是对于我们大气当中的水份，无论是温度升高还是温度降下来，它始终表现出是温室效应，我们就很好的通过这样的一个理论，解释了我们全球的温度变化的原因，并且我们这样的一个原理还能够解释过去一段时间内不同地区的气候特征与气候变化的原因。

　　为什么水多的地方温度相对较低，水少的地方温度相对较高，湿度较高的地方，为什么夜晚最低温度要比较高？咱们这里头肯定有从南方到北方来的，还有从北方到南方，你们都有不同的经历。在南方的温差为什么要小？在南方它晚上的最低温度为什么高？这里头我这么一提你们都可能会想到，我们这套理论也能够解释近几十年来为什么北极地区以及青藏高原地区温度升高的幅度为什么那么大，当然更能够解释我们中国北方地区升温的幅度为什么要比南方大等等的这些原因。

　　基于这个原因，我们再反过头来看，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，那个时候基本上不采用灌溉，大家都充分利用土壤当中的水份耕作，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，由此人们就开始大水漫灌，喷灌。当然现在是越来越科学越高级，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。

　　我们现在北方地区很多的河湖都已经消失了，特别的是我们的地下水位已经下降的很厉害了。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百米以上，已经对我们当地的生产和生活带来的影响了，也就是给我们生态带来了严重的挑战。

　　全球高温干旱等天气经常性发生这样一个事实，就跟我们的水减少是有密切的关系的。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潘多拉魔盒，就会引起一系列的连锁反应。今年的咱们中国的华北地区很典型是吧？美国的西部地区，非洲的中部地区，南美的部分地区乃至欧洲的部分地区，目前都受到这样的影响，它的水份都在下降。

　　水份下降以后，它的干旱的问题，生态退化的问题出现了，也就是说水份的减少严重影响到这个地方的生态，给当地的可持续发展带来了严重的威胁。要缓解我们的气候变化怎么办？在这里我提出三点建议；

　　第一点建议关注水份变化与气候变化之间的关系。我刚才讲到了以土壤水份为主的地表水是第二大海洋，虽然变化非常缓慢，但是对气候有重要的影响。气候危机也可以说是极高强度的人类活动，它能够打破水平衡。从我前面介绍可以看到，打破水平衡的同时就打破了我们的热量平衡，它就会引起我们气候发生变化。

　　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。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，这不是口的口号，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。这里头我们可能有很多专家都在呼吁，从我们搞农业的角度来讲，在我们北方的旱地要大力发展集雨与径流农业。我们要加大雨洪资源的利用，大力研发雨洪蓄积和回灌技术，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。

　　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，科学的利用自然，让自然生态重新回到平衡地球，为了我们人类的未来，人类需要平衡用水。