降水是水循环的重要组成部分，也是可用水资源的重要来源。人为土地利用变化是改变降水变化时空分布的重要外强迫因素之一。土地利用变化可以通过地表能量、水循环和大规模大气环流的变化影响降水，对地球系统和社会发展产生重大影响。研究历史时期土地利用变化引起的降水变化并对未来进行预估，有助于提供早期预警，防范与降水变化相关的潜在风险。然而，与平均降水变化相比，土地利用变化对极端降水变化的影响和物理机制仍有待深入研究。

近日，我系高艳红教授团队利用目前最先进的耦合模式比较计划第六阶段（CMIP6）的土地利用计划（LUMIP）的相关数值模式模拟数据，研究了土地利用变化在历史（1995–2014年）和未来（2080–2099年）两个时间段内引起的降水变化。研究使用水分收支方程将降水变化分解为三个主要贡献因子（蒸散发、平均环流和水汽）。结果表明，土地利用变化导致的全球平均降水量减少大部分可归因于历史和未来时期蒸散发和平均环流变化的共同作用。相比之下，在最干燥的月份（土地利用变化引起降水变化的下尾部），降水量的减少大约是平均态的2–3倍。代表平均环流变化的动力学贡献超过了蒸散发贡献，成为导致降水极端变化的首要因素。本研究指出，土地利用变化引起的大气环流变化对降水的影响应受到更多关注，特别是在极端条件下。

历史时期土地利用变化的主要特征是森林和非森林自然植被的减少。南美洲东南部和非洲热带雨林地区以及北美东部、欧洲、中国东部和东南亚等人口稠密地区的叶面积指数（LAI）明显下降。预计未来时期的森林砍伐主要发生在非洲热带雨林地区和北美东部，而中国东部和一些欧洲地区的森林覆盖率有所增加（图1）。

历史时期热带、中国东部、北美东部和澳大利亚海岸带等地区因土地利用变化导致平均月降水量下降了2毫米以上，全球陆地平均而言，蒸散发是降水变化的主要贡献因子，且与降水变化的空间相关系数最高；虽然表征大气环流变化的动力学贡献在大多数地区是降水变化的首要贡献因子，但由于不同地区的正负抵消效应，全球陆地平均后动力学贡献稍小于蒸散发贡献；表征水汽变化的热力学贡献相对较小。但在最干燥的月份，动力学贡献超过蒸散发成为全球陆地降水变化的主导因子，其贡献约为蒸散发贡献的2倍。此外，动力学贡献与降水变化的空间相关系数相比平均态提升（蒸散发则下降）（图2）。在未来时期，森林砍伐所带来的平均和极端降水变化及其背后的物理机制与历史时期类似（图3）。

这项研究对比分析了土地利用变化对平均和极端降水变化的影响，揭示了大气环流变化在降水响应土地利用变化中的关键性作用，支持了土地利用变化非局地气候效应的重要作用，研究结果有助于加深对土地利用变化如何影响降水时空变化这一科学问题的认识。复旦大学大气与海洋科学系博士毕业生张萌为论文的第一作者，高艳红教授为论文的通讯作者，南京大学葛骏助理教授为论文的合作者。

图1：土地利用变化和叶面积指数（LAI）变化的分布。（a）历史时期（1995–2014年）森林和非森林之和的变化，右侧为纬向平均图。（b）历史时期土地利用变化引起的LAI变化。（c）与（a）相同，但在未来时期（2080–2099年）。（d）与（b）相同，但在未来时期。打点区域表示CMIP6-LUMIP多模式均值的变化符号与至少2/3单个模式的变化符号一致。

图2：历史时期的降水（Pr）变化对土地利用变化的响应及其影响因素。（a）降水变化的空间分布。（b）引起降水变化最大影响因素的空间分布。左下角的数字分别显示了蒸散发（ET）、动力学贡献（MCD）和热力学贡献（TH）与降水变化的空间相关系数。（c）全球陆地降水、蒸散发、动力学贡献和热力学贡献的平均变化。（d）–（f）：与（a）–（c）相同，但在最干燥的月份（土地利用变化引起降水变化的下尾部）。（g）–（i）：与（a）–（c）相同，但在最湿润的月份（土地利用变化引起降水变化的上尾部）。

图3：与图2相同，但为未来时期。

论文信息：

Zhang, M., Gao, Y. & Ge, J. Different responses of extreme and mean precipitation to land use and land cover changes. npj Clim Atmos Sci 8, 175 (2025). https://doi.org/10.1038/s41612-025-01049-1.