中国夏季气温对东亚土壤湿度异常响应的统计评估

基于欧亚夏季土壤湿度变化特征及其与中国夏季气温的相关分析,选取东亚地区作为土壤湿度异常影响中国夏季气温的陆面关键区,采用广义平衡反馈分析方法(GEFA)探讨了我国夏季气温对东亚地区土壤湿度异常的可能响应,并初步讨论了相关的物理过程。结果表明:中国夏季气温与东亚地区初夏和同期的土壤湿度异常具有密切的联系;进一步分析表明,夏季气温距平场对土壤湿度第一模态的响应最显著:当东亚中纬度及我国东部地区土壤湿度异常偏干时,夏季气温表现为一致增暖;而土壤湿度第二模态对长江流域至我国西部地区的气温有较弱的强迫作用;气温对第三模态的响应主要表现为华南地区的显著降温。并以对气温影响最为显著的土壤湿度异常第一模态为例,初步探讨了气温对土壤湿度异常响应的可能物理过程。当贝加尔湖以南以及我国东部的土壤偏干时,地表异常加热容易引起我国北方高层大气出现明显正异常和低层的反气旋性异常环流,上述环流异常容易导致温度偏高,同时不利于该区域降水的发生,进而导致土壤湿度偏低,上述正反馈机制可能是该区域土壤湿度与大气之间联系的一种可能途径。     

土壤湿度影响中国夏季气候的数值试验

利用"全球土壤湿度计划第2阶段"提供的土壤湿度资料强迫区域气候模式RegCM3,通过数值试验讨论了土壤湿度对东亚夏季气候模拟效果的影响。结果表明,合理考虑土壤湿度的作用,能够提高区域气候模式对中国夏季降水和2 m气温的空间分布型及逐日变化的模拟效果;模拟结果与观测的相关分析显示,降水和2 m气温的年际变化都得到了有效改进,这种改进在气温上尤为明显。不过上述改进具有区域依赖性。数值试验结果表明,气温对土壤湿度的敏感性强于降水,这也从一个侧面说明提高降水模拟效果的难度。总体而言,合理的土壤湿度能够提高区域气候模式对中国夏季气候的模拟能力。因此,合理描述土壤湿度的变化,是提高中国夏季气候预报技巧的潜在途径之一。     

三江平原土壤湿度记忆性及其与水热气候条件的关系

利用1982—2020年三江平原19个国家气象观测站土壤湿度及同期降水、气温数据, 基于相关系数和自相关系数统计方法, 分析了黑龙江省三江平原土壤湿度记忆性及与降水、气温之间的关系。结果表明: 春、夏季三江平原土壤湿度记忆时间均在10—40 d, 各层土壤湿度记忆性的空间分布以中间层(10—20 cm)土壤湿度平均记忆时间最长, 呈上下层递减的趋势; 春季三江平原10—20 cm土层土壤湿度的记忆时长平均20 d, 夏季平均17 d; 夏季土壤湿度记忆性强度大于春季, 空间分布以三江平原西部的记忆性较强, 随着土层的增加土壤湿度记忆性有增大的趋势。降水是三江平原土壤湿度主要来源, 受降水和气温协同作用的影响, 夏、秋季土壤湿度与同期降水量、温湿指数均存在显著的正相关关系; 春季土壤湿度与前期秋冬季降水亦呈显著正相关, 与前期温湿指数呈负相关, 前期秋冬季气温的升高会促进土壤的融冻, 从而使当年春季土壤水分增加。     

我国东部夏季气侯基本态特征研究

利用１８８１年～１９９８年２９个观测站的夏季降水、气温资料,研究了我国东部夏季降水、气温大于３０年的慢变平均值（气候基本态）的变化特征。用经验正交分解方法研究了夏季降水与气温的气候基本态的特征模态及时间演变规律。结果表明,我国东部夏季降水、气温的气候基本态与我国夏季天气及夏季大气活动中心的气候基本态关系密切。     

我国东部夏季气侯基本态特征研究

利用１８８１年￣１９９８年２９个观测站的夏季降水、气温资料,研究了我国东部夏季降水、气温大于３０年的慢变平均值（气候基本态）的变化特征。用经验正交分解方法研究了夏季降水与气温的气候基本态的特征模态及时间演变规律。结果表明,我国东部夏季降水、气温的气候基本态与我国夏季天气及夏季大气活动中心的气候基本态关系密切。     

中国东部前冬、春土壤湿度与夏季气候的关系

利用中国东部(100°E以东)139个站的1951~1999年逐月反演的土壤湿度资料以及160个气象台站的气温、降水资料,分析了我国东部不同区域前冬、春土壤湿度异常与夏季气候的关系。研究结果表明,黄河以南地区上年冬季土壤湿度与夏季降水存在正的相关关系,但这种滞后相关存在明显的地域差异。其中云贵高原和华中地区夏季气候对上年冬季土壤湿度响应最显著。黄河以北的华北和内蒙地区上年冬季土壤湿度与夏季降水有弱的负相关关系。除了云贵高原地区外,多数地区上年冬季土壤湿度与夏季温度存在负相关关系,其中负相关最显著的是华北地区。春季土壤湿度除与云贵高原的夏季气候关系密切外,与其他地区夏季气候的关系不显著。土壤湿度与气候的滞后相关表明土壤湿度在年际尺度上对后期气候有一定的影响。     

利用GLDAS资料分析黄土高原半干旱区土壤湿度对气候变化的响应

利用GLDAS资料分析了1948~2010年黄土高原半干旱区气温、降水和土壤湿度的变化趋势,并重点讨论了气温和降水对土壤湿度的影响和相对贡献。结果表明:近60 a来黄土高原半干旱区整体呈现暖干化趋势,增温速率明显高于全球平均增温速率;不同深度的土壤湿度的长期变化均呈减小趋势,且年际间变化明显。不同深度的土壤湿度和气温呈负相关关系,并随着土壤加深,两者的相关性加强;土壤湿度和降水则呈正相关关系,相关关系最大出现在表层土壤。通过分析气温和降水在不同季节对土壤湿度的相对贡献发现,春季和冬季气温对土壤湿度的相对贡献较降水显著,秋季恰好相反,夏季气温和降水对土壤湿度的相对贡献大小相当。对比不同深度层降水、气温对土壤湿度的相对贡献得出,降水对浅层土壤湿度有显著作用,而气温对深层土壤湿度的作用更明显。     

春季华南土壤湿度异常与中国夏季降水的可能联系

基于ERA40（ECMWF）1958—2001年土壤湿度再分析资料和中国541站降水资料,通过观测分析揭示了华南春季土壤湿度异常与中国夏季降水的联系及其可能的物理过程。结果表明,春季华南土壤湿度与夏季华南（长江流域及其以北地区）降水呈正（负）相关;春季华南土壤湿度负（正）异常,夏季华南降水异常偏少（多）,而长江以北地区降水则偏多（少）。通过对春季华南土壤湿度异常年份对应的环流异常特征的诊断分析发现：土壤湿度负异常年,西太平洋副高位置明显偏西,华南地区对应异常的下沉运动和水汽辐散,导致该地区降水偏少;而长江中下游地区对应异常的上升运动和水汽通量的辐合,降水偏多;土壤湿度正异常年的情况大致相反。进一步的分析表明,春季华南土壤湿度与同期长江中下游及以北地区土壤湿度存在明显的负相关关系。春季华南土壤湿度负（正）异常年的同期华北到长江中下游区域土壤湿度为正（负）异常,将导致南部区域的地表温度异常升高（降低）,北部地表温度异常偏低（偏高）,并通过改变地表对大气的加热,引起夏季大气环流的异常,最终造成夏季降水异常。     

山东半岛夏季降水异常的环流型及影响因子分析

利用1961—2016年华东地区106个气象观测站的日降水数据和再分析资料,分析引起山东半岛夏季降水异常的大气环流型及其与前期下垫面因子（海温和土壤湿度）的关系,结果发现：1）当孟加拉湾出现西南风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南侧地区分别呈反气旋和气旋式环流异常时,加强了向山东半岛的水汽输送,配合区域大气上升运动异常最终导致山东半岛夏季降水偏多;反之,当孟加拉湾出现西北风异常,日本列岛以南和贝加尔湖西南地区分别呈气旋和反气旋式环流异常时山东半岛降水偏少。2）孟加拉湾和北太平洋中部关键区的对流层整层位势高度与下垫面海温自春季持续至夏季存在显著正相关,当两个地区的整层位势高度均呈正异常时,分别对应夏季孟加拉湾的强西风气流和日本列岛以南的反气旋环流异常。3）区域土壤湿度异常引起的感热和潜热通量异常,可能是引起贝加尔湖关键区位势高度和山东半岛局地对流异常的原因：贝加尔湖西南地区土壤湿度偏大时,其上空对流层位势高度为负异常;山东半岛地区土壤湿度偏大时,其上空对流层大气出现异常上升运动。4）利用关键区春季下垫面因子（海温和土壤湿度）建立山东半岛夏季降水的统计预测模型,留一交叉检验的距平同号率达到75%。这些结果可为山东半岛夏季降水预测提供重要参考。     

渭河流域土壤湿度异常特征与我国若干气候背景的联系

利用中国1981—2007年土壤湿度资料、地面气象观测旬资料及东亚夏季风强度指数、NCEPⅡ再分析资料,通过诊断分析探讨了土壤湿度变化的敏感区——渭河流域土壤湿度异常与我国若干气候背景的联系。合成分析显示,渭河流域土壤湿度异常干年,中国北方中东部大部分地区土壤偏干,降水量偏少,蒸发皿蒸发偏强,空气相对湿度偏小,湿年反之;大气环流也呈完全相反的形势,干年亚洲中高纬位势高度距平分布西正东负,湿年反之。滞后相关分析表明,土壤湿度的变化可引起500 h Pa大气高度场的变化,从而使定常波的位置和强度发生变化,进而导致降水场的变化;渭河流域13—16旬土壤湿度与17—20旬500 h Pa大气环流表现出欧亚—太平洋遥相关(EUP)型,表明土壤湿度对大气的影响可通过大气遥相关的作用传播到其他区域;土壤湿度蒸发对低层大气水汽通量有正贡献,但这种贡献对产生降水所需的水汽而言是次要的,在我国中东部,前期土壤湿度对夏季降水的影响小,对秋季降水则有明显影响;渭河流域前一年秋季和当年春季土壤湿度与东亚夏季风强度指数显著正相关,表明秋季和春季陆面土壤湿度状况对东亚夏季风的强弱有正反馈的作用。     

土壤湿度年际异常对中国春、夏季气候模拟的影响

基于NCAR大气模式CAM3.1模式,设计了有、无土壤湿度年际异常两组试验对中国区域近40a(1961-2000年)气候进行了模拟。从气候态和年际变率的角度,通过分析两组试验的差值场来探讨土壤湿度年际异常对气候模拟的影响,并初步探讨了影响的可能机制。结果表明:模式模拟的温度和降水对土壤湿度的年际异常非常敏感,土壤湿度的年际变化对中国春夏季气候及其年际变率均有显著影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,模式模拟的春夏季平均温度、最高温度、最低温度在我国大范围内降低,春夏季降水在东部大部分地区明显减少,西部增加。而模式模拟的春夏季温度、降水年际变率在中国大部分地区减弱。但当考虑土壤湿度的年际变化,则能在一定程度上提高模式对气候年际变率的模拟能力。在进一步分析表明土壤湿度年际异常时,主要通过改变地表能量通量和环流场,对温度、降水产生影响。当不考虑土壤湿度年际异常时,地表净辐射通量减少,地表温度降低,感热通量减少。感热通量差值场的空间变化和温度差值场的空间变化一致,感热通量对温度有一定影响。而潜热通量差值场的空间变化和降水的差值场的空间变化一致,可见降水受地表潜热通量的影响。土壤湿度年际异常引起的环流场的变化也是导致气候变化的原因之一,地表能量和环流场年际变率的改变对春夏季气候年际变率存在一定影响。     

中国地区土壤湿度记忆性及其与降水特征变化的关系

本文首先利用中国气象局国家气象信息中心提供的中国732个站点观测的土壤体积含水量,评估了CLM4.5（Community Land Model version 4.5）在CFSR（Climate Forecast System Reanalysis）近地面大气数据驱动下模拟的逐月土壤湿度（记为CLM4.5-CFSR）,然后基于CLM4.5-CFSR比较了皮尔逊相关法和自相关法计算得到的1980～2009年中国地区土壤湿度记忆性的区域及季节分布特征,量化了土壤湿度的记忆能力,研究了降水频率、降水强度和近地表气温分别对土壤湿度记忆性的影响。结果表明:CLM4.5-CFSR能较好地反映出大部分地区月时间尺度上土壤湿度的变化特征。两种方法描述的土壤湿度记忆性的空间分布特征相似,但季节特征不同。不同深度土壤湿度的记忆时长相差不大,在0.85～2.2个月不等,其中内蒙古东北部较大,新疆西南部较小。春季,较湿的土壤记忆性也较强。当降水频率较低时,其对蒸发速率较大的地区土壤湿度的记忆性影响很小,当降水强度较大时,它会迅速补充土壤散失的水分,破坏初始时刻土壤的干湿状态,引起其记忆性减弱。近地表气温变化主要通过影响土壤的蒸发过程减弱土壤湿度的记忆性。未来可利用气候模式开展数值敏感性试验对本文得到的结论进行机理研究,为进一步提高季节和季节内尺度的降水预报提供依据。     

青藏高原土壤湿度对中国夏季降水与气温影响的敏感试验

青藏高原为全球气候变化中的敏感区域。利用WRF3.5.1中尺度模式,选取青藏高原为关键区域,设计干、湿土壤湿度两组敏感试验,以探讨青藏高原土壤湿度异常对中国夏季短期区域气候产生的可能影响。结果表明：模式模拟的短期区域气候对土壤湿度十分敏感,湿土壤导致东北、内蒙古东北部以及华东地区降水增多,与此同时,全国大部分地区气温下降,且各地区表现较一致;干土壤导致西北、华北、华中以及西南除四川西部以外的地区降水减小,全国气温除华中地区以外,普遍升高。湿土壤对降水主要表现为正反馈作用,对气温表现为负反馈作用。干土壤则反之。     

中南半岛春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响

利用WRF区域模式模拟分析了中南半岛地区春季土壤湿度异常对亚洲热带夏季风建立和发展的影响,结果表明:亚洲热带夏季风对中南半岛春季土壤湿度的响应是不对称的,当中南半岛春季土壤湿度偏高时,中南半岛及孟加拉湾周边地区呈现异常东风,伴随降水减少,季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度偏低时,孟加拉湾及周边地区西风减弱,降水减少,季风也对应减弱。通过进一步分析物理机制得到,中南半岛春季土壤湿度异常偏高使季风建立初期感热减小,陆表温度明显降低,从而导致海陆温差逐渐降低,使季风减弱;而中南半岛春季土壤湿度异常偏低使整个中南半岛区域蒸发减少,导致地表向上输送的水汽减少,减弱季风环流和降水。此外,通过分析850 h Pa纬向风及对流层中上层经向温度梯度两项季风暴发指数,探讨了中南半岛春季土壤湿度异常对孟加拉湾东部季风暴发时间的影响,结果表明:中南半岛春季土壤湿度偏高时,孟加拉湾东部季风暴发时间大约推迟10天左右,而土壤湿度较低对亚洲热带夏季风暴发时间影响甚微。     

绿洲周边荒漠戈壁夏末土壤-大气水分传输特征

利用“我国西北干旱区陆-气相互作用试验”2000年8-9月在甘肃敦煌地区戈壁滩上取得的野外观测资料,分析了临近绿洲的戈壁土壤湿度和温度特征以及相对应的大气湿度特征,发现土壤热量活动层约为5cm厚,比一般土壤要薄得多;临近绿洲的荒漠戈壁上,不仅近地层大气多为逆湿,而且浅层土壤有时也出现逆湿。土壤湿度日变化能清楚地被区分为湿维持、水分损失、干维持和水分补充等四个阶段。土壤湿度廓线表明：土壤水分活动层厚度约为10m;湿维持阶段的浅层土壤逆湿是土壤湿度廓线最主要的结构特征,这一土壤湿度结构预示着夜间土壤可能通过凝结吸收大气水分,它与白天的土壤水分蒸发共同构成土壤对大气水分的“呼吸”过程。土壤逆湿的形成与土壤温度状态、大气逆湿强度和大气稳定度都有关。     

Soil moisture influence on summertime surface air temperature over East Asia

Soil moisture influence on surface air temperature in summer is statistically quantified across East Asia using the Global Land Data Assimilation System soil moisture and observational temperature. The analysis uses a soil moisture feedback parameter computed based on lagged covariance ratios. It is found that significant negative soil moisture feedbacks on temperature mainly appear over the transition zones between dry and wet climates of northern China and Mongolia. Over these areas, the feedbacks account for typically 5–20% of the total temperature variance, with the feedback parameter of ?0.2°C to ?0.5°C (standardized soil moisture)^?1. Meanwhile, positive feedbacks may exist over some areas of Northeast Asia but are much less significant. These findings emphasize the importance of soil moisture-temperature feedbacks in influencing summer climate variability and have implications for seasonal temperature forecasting.     

LPJ-WHyMe模型对1997～2010年中国东北地区潜在植被分布和碳循环的模拟研究

利用一套高分辨率的气候驱动场和全球动态植被模型LPJ-WHyMe(Lund-Potsdam-Jena-Wetland Hydrology and Methane),模拟了中国东北地区潜在植被分布,并对中国东北地区1997～2010年平均净初级生产力（Net Primary Production, NPP）、净生态系统生产力（Net Ecosystem Production, NEP）、燃烧面积、火灾碳排放、土壤温度和土壤湿度进行了估算。LPJ-WHyMe的特点在于能够描述冻融的物理过程以及土壤中多层的湿度和温度。数值结果表明,在LPJ-WHyMe模型提供的植被功能类型（Plant Function Type, PFT）划分的条件下,中国东北地区主要分布了5种植被功能类型,即温带夏绿阔叶林带、北方常绿针叶林带、北方夏绿针叶林带、北方夏绿阔叶林带和温带草本植物。在研究时间段内,中国东北地区NPP的年平均值为376 g(C) m-2,变化范围在324.15～424.86 g(C) m-2之间。火灾机制的引入使得LPJ-WHyMe模型对NEP的模拟能力进一步提高,即NEP年平均值为42.36 g(C) m-2,表明中国东北地区陆地生态系统总体表现为“碳汇”。中国东北地区年平均燃烧面积分数为0.84%,火灾碳排放量为42.41 g(C) m-2,整体上模型高估了燃烧面积值和火灾碳排放量,模型对东北地区火灾的模拟仍然存在一定的局限性。中国东北地区土壤温度与气温呈正相关关系,且各层土壤温度与气温的相关性随着深度的增加而减弱。中国东北地区土壤湿度与降水呈正相关关系,土壤湿度与气温呈反相关关系。上述结果表明LPJ-WHyMe模型模拟中国东北地区潜在植被分布和碳循环是有效的。     

中国土壤湿度的分布与变化 I. 多种资料间的比较

土壤湿度是影响气候的重要因子之一, 但观测资料的欠缺制约着该领域研究工作的开展。本文汇总了目前国际上运用较为广泛的四套土壤湿度资料: ERA40和NCEP/NCAR再分析资料、全球土壤湿度计划资料(GSWP2)、以及NCAR最近完成的利用观测资料强迫“通用陆面模式”CLM所产生的土壤湿度资料。在此基础上, 利用中国区域观测的19年 (1981～1999年) 的土壤湿度和13年 (1992～2004年) 的土壤相对湿度资料, 对四套资料在中国区域的可靠性进行了分析和比较, 主要结论如下: 四套资料基本揭示出土壤湿度的空间分布, GSWP2揭示了四套资料最多的共性, 即东北、 华南湿, 华北、 西北干, 土壤湿度基本由西北向东北和东南呈梯度增加的特征; GSWP2较好地描述了土壤湿度的季节循环; ERA40土壤湿度的年际变化与观测相关最好; 观测资料和四套资料都表明前期降水会增加土壤湿度, 但土壤湿度异常对后期降水的影响则不显著; 气温与土壤湿度的关系较复杂, 不同的区域有不同的特征。