土壤湿度——一个跨季度降水预测中的重要因子及其应用探讨

阐述了土壤湿度对短期气候变化的重要作用,结合我国的业务现状提出亟需将这一因子应用于跨季度降水预测。通过将一个土壤湿度反演模型引入IAP跨季度气候预测系统,探讨了土壤湿度应用于季节降水预测的可行性及其效果。初步的个例分析表明:前期土壤湿度的异常分布对降水变化有较显著的影响,继续改进土壤湿度反演模型可望获得更好的降水预测效果。同时,提出的基于常规气象观测进行反演以获得大范围土壤湿度分布的办法在当前业务预测中具有很强的可操作性。     

The relationship between spring soil moisture and summer hot extremes over North China

The increase in the occurrence of hot extremes is known to have resulted in serious consequences for human society and ecosystems. However,our ability to seasonally predict hot extremes remains poor,largely due to our limited understanding of slowly evolving earth system components such as soil moisture,and their interactions with climate. In this study,we focus on North China,and investigate the relationship of the spring soil moisture condition to summer hot extremes using soil moisture data from the Global Land Data Assimilation System and observational temperature for the period 1981–2008. It is found that local soil moisture condition in spring is closely linked to summer hot days and heat waves over North China,accounting for 19%–34% of the total variances. Spring soil moisture anomalies can persist to the summer season,and subsequently alter latent and sensible heat fluxes,thus having significant effects on summer hot extremes. Our findings indicate that the spring soil moisture condition can be a useful predictor for summer hot days and heat waves over North China.     

青藏高原春末土壤湿度对初夏降水的影响

为了研究青藏高原(简称高原)春末(5月)土壤湿度与初夏(6月)降水的关系,利用1979-2019年ERA-Interim土壤湿度月平均资料和同时段高原109站观测降水资料,分析了高原春季土壤湿度与汛期(5-9月)降水之间的关系.结果 表明:春末表层(0～28 cm)土壤湿度与高原初夏降水呈显著的正相关,在空间上土壤湿度...     

The soil moisture of China in a high resolution climate-vegetation model

1. Introduction The soil moisture plays an important role in in- fluencing the climate change by altering the surface albedo, soil heat capacity and the heat flux between air and land (Ma et al., 2001). Near-surface soil mois- ture controls the partitioni…     

青藏高原春季土壤湿度与夏季降水的关系

应用SVD方法对1981-2018年青藏高原春季土壤湿度和高原地区夏季降水进行诊断.结果表明:土壤湿度前两个模态累积协方差百分比达到了 61.15％,左右场展开序列的时间相关系数均为0.7 8,反映两场关系的主要特征.土壤湿度场表现出南北相的一致性,而降水场的一致性较差.第一模态说明青藏高原北部春季土壤湿度较大时,对应...     

土壤水分测定技术探讨

从土壤水分取样测定、土壤水文常数测定、观测簿的填写等各方面对土壤水分测定技术做一探讨,提出正确开展土壤水分测定应注意的问题,以供各土壤水分测定站观测人员参考。     

“地下信息法”10年(1985～1994)汛期降水预报总结

本文总结了近１０年利用冬季的地温、地震等地下信息预测我国汛期降水距平分布的实际结果。１０年来预报方法的发展经历了三个阶段,从最初的以“气心说”为基础的“地温指标法”转变为以“地心说”为基础的“地下信息法”,预报准确率的得分从７０分增加到８２分。文中简述了本预报方法的基本原理、预报步骤和存在问题以及今后的努力方向,以１９９４年为例列举了实际预报中的经验教训     

土壤湿度对东亚夏季气候潜在可预报性影响的数值模拟

利用全球大气环流模式NCARCAM3进行了在给定的观测海温条件下的22a（1979—2000年）5—8月的2组集合试验。运用方差分析方法,分析了在气候态和年际变化的表层土壤湿度情况下,CAM3模式模拟的东亚夏季气候潜在可预报性及其差异。结果表明：在给定的观测海温条件下,采用气候态的土壤湿度时,CAM3模式模拟的东亚夏季气候的潜在可预报性偏低;而采用年际变化的土壤湿度时,模拟的夏季气候潜在可预报性有所提高,尤其是在中国西北地区;后者模拟的中国西北地区夏季降水和气温的潜在可预报性比前者的模拟结果提高0．1以上。其原因可能是：采用年际变化的土壤湿度时,模式可以更好地模拟出中国西北地区的地表蒸发量和湍流热通量的年际变化,进而使得模式对该地区夏季气候的预报技巧得到提高。     

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。     

ASCAT土壤湿度数据在新疆干旱监测中的应用

截至目前,欧洲气象卫星组织新一代"Met Op"系列卫星搭载的先进的ASCAT散射仪所观测的土壤湿度数据在我国尚未得到应用。本文拟通过使用NOAA的先进算法处理ASCAT土壤湿度数据,并开发干旱预报系统以用于监测新疆土壤水分来预测其干旱情况。文中首次使用ASCAT土壤湿度数据、前沿人工智能技术在新疆干旱监测中,为干旱监测提供了新的研究思路,开发出新的干旱预报系统对土壤水分等级有一定的预报能力,其中新设计的干旱指数-Met Op卫星反演的土壤湿度距平百分数可以有效提高干旱监测的时间精度,便于更好地开展决策服务。     

南阳市土壤湿度与气候变化的关系分析

根据1981 2005年的气象观测资料和土壤湿度测定资料,利用统计学方法,分析了南阳市土壤湿度变化规律及与温度、降水的关系,结果表明:土壤湿度无论是年均值或最小值都呈明显下降趋势,年平均相对湿度下降约0.4%;浅层湿度变化幅度小,深层变化幅度大。影响土壤湿度的气象因子中,气温与浅层土壤湿度呈明显的负相关,降水量与深层土壤湿度呈明显正相关;各季土壤湿度与气温和降水量的二元回归方程都通过了F检验,其中春秋冬季通过0.01的显著性检验,夏季通过0.05的显著性检验。     

Variability of soil moisture and its relationship with surface albedo and soil thermal parameters over the Loess Plateau

Data from July 2006 to June 2008 observed at SACOL(Semi-Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,35.946°N,104.137°E,elev.1961 m),a semi-arid site in Northwest China,are used to study seasonal variability of soil moisture,along with surface albedo and other soil thermal parameters, such as heat capacity,thermal conductivity and thermal diffusivity,and their relationships to soil moisture content.The results indicate that surface albedo decreases with increases in soil moisture content,s...     

南阳市土壤湿度与气候变化的关系分析

根据19812005年的气象观测资料和土壤湿度测定资料,利用统计学方法,分析了南阳市土壤湿度变化规律及与温度、降水的关系,结果表明:土壤湿度无论是年均值或最小值都呈明显下降趋势,年平均相对湿度下降约0.4%;浅层湿度变化幅度小,深层变化幅度大.影响土壤湿度的气象因子中,气温与浅层土壤湿度呈明显的负相关,降水量与深层土壤湿度呈明显正相关;各季土壤湿度与气温和降水量的二元回归方程都通过了F检验,其中春秋冬季通过0.01的显著性检验,夏季通过0.05的显著性检验.     

黑土区土壤水分含量对大豆产量构成因素的影响

本研究旨在分析黑土区（黑龙江）土壤有效水分贮存量对大豆产量构成因素的影响,以期为大豆生产防灾减灾提供科学依据。利用1994—2017年黑龙江省大豆主产区的发育期、土壤水分、产量结构资料分析了大豆不同发育阶段土壤有效水分贮存量的时空分布规律、基于土壤相对湿度指数（R_sm）的干旱等级划分规律及有效水分贮存量对大豆不同发育阶段产量结构各因素的影响。结果表明：1994—2017年研究区各发育阶段平均有效水分贮存量在14—18 mm之间变化,共发生干旱82站次,其中轻旱77站次,中旱5站次,没有发生重旱和特旱,其中开花—结荚期、结荚—鼓粒期发生干旱频次较高,且1994—2017年研究区域发生干旱的频次是逐年降低的。大豆的气象产量、株结实粒数、株籽粒重与不同发育期的各层次的土壤有效水分贮存量相关性不大;百粒重与三叶至开花期的20—50 cm土层、结荚—鼓粒期的0—20 cm土壤有效水分贮存量相关性较大;茎秆重与播种至出苗期的30—50 cm土壤有效水分贮存量呈显著正相关;播种至开花期土壤中的有效水分贮存量尤其是深层土壤在一定范围内越多,株荚数越多;空秕荚率与播种至出苗期的0—20 cm和30—40 cm、出苗至三叶期的30—40 cm土壤有效水分贮存量相关性较大。     

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。     

Trends and scales of observed soil moisture variations in China

A new soil moisture dataset from direct gravimetric measurements within the top 50-cm soil layers at 178 soil moisture stations in China covering the period 1981-1998 are used to study the long-term and seasonal trends of soil moisture variations, as well as estimate the temporal and spatial scales of soil moisture for different soil layers. Additional datasets of precipitation and temperature difference between land surface and air (TDSA) are analyzed to gain further insight into the changes of soil moisture. There are increasing trends for the top 10 cm, but decreasing trends for the top 50 cm of soil layers in most regions. Trends in precipitation appear to dominantly influence trends in soil moisture in both cases. Seasonal variation of soil moisture is mainly controlled by precipitation and evaporation, and in some regions can be affected by snow cover in winter. Timescales of soil moisture variation are roughly 1-3 months and increase with soil depth. Further influences of TDSA and precipitation on soil moisture in surface layers, rather than in deeper layers, cause this phenomenon. Seasonal variations of temporal scales for soil moisture are region-dependent and consistent in both layer depths. Spatial scales of soil moisture range from 200-600 km, with topography also having an affect on these. Spatial scales of soil moisture in plains are larger than in mountainous areas. In the former, the spatial scale of soil moisture follows the spatial patterns of precipitation and evaporation, whereas in the latter, the spatial scale is controlled by topography.     

Influence of soil moisture in eastern China on the East Asian summer monsoon

The sensitivity of the East Asian summer monsoon to soil moisture anomalies over China was investigated based on ensembles of seasonal simulations(March–September) using the NCEP GCM coupled with the Simplified Simple Biosphere Model(NCEP GCM/SSi B). After a control experiment with free-running soil moisture, two ensembles were performed in which the soil moisture over the vast region from the lower and middle reaches of the Yangtze River valley to North China(YRNC) was double and half that in the control, with the maximum less than the field capacity. The simulation results showed significant sensitivity of the East Asian summer monsoon to wet soil in YRNC. The wetter soil was associated with increased surface latent heat flux and reduced surface sensible heat flux. In turn, these changes resulted in a wetter and colder local land surface and reduced land–sea temperature gradients, corresponding to a weakened East Asian monsoon circulation in an anomalous anticyclone over southeastern China, and a strengthened East Asian trough southward over Northeast China. Consequently, less precipitation appeared over southeastern China and North China and more rainfall over Northeast China. The weakened monsoon circulation and strengthened East Asian trough was accompanied by the convergence of abnormal northerly and southerly flow over the Yangtze River valley, resulting in more rainfall in this region.In the drier soil experiments, less precipitation appeared over YRNC. The East Asian monsoon circulation seems to show little sensitivity to dry soil anomalies in NCEP GCM/SSi B.     

青藏高原土壤湿度的变化特征及其对中国东部降水影响的研究进展

青藏高原土壤湿度受积雪与冻土的共同影响,能够记忆长时间的陆面干湿过程,是气候变化的重要因子,对随后的中国东部降水有预测意义。由于高原观测站点稀少,土壤湿度观测资料匮乏,致使现有相关研究大多是基于再分析资料、模式资料和卫星遥感资料(统称替代资料)进行的,且所得结论既有差异,也存在不确定性。因此本文首先综述了各种土壤湿度替代资料的适用性对比研究,进而讨论了青藏高原地区土壤湿度的变化特征及其对我国东部气候的影响。现有研究表明:1)资料对比研究指出,现有的各种替代资料对高原土壤湿度存在明显的高估或低估现象,且评估结论受评估指标和插值方法不同的影响。相对而言,SSM/I和风云3B的土壤湿度产品与实际观测资料相关性较好。2)高原土壤湿度具有多时间尺度变化特征和空间非均匀性,在年变化上具有显著的融冻特征,年代际变化趋势和年际特征呈现显著的区域性差异。SSM/I资料表明春季高原主体土壤湿度的年代际变化趋势呈现为增加的特征,与高原的增暖相一致;年际变率存在东、西两个高值区,与其相关的潜热、感热通量能共同激发遥相关波列影响我国长江流域降水;同时高原土壤湿度在垂直方向上具有一致性,在空间分布上具有南部边缘最大、由东南向西北递减的特征。3)前人对高原土壤湿度影响中国东部降水的结论各有不同,其可能原因之一是采用的替代资料及其适用性不同,其二是模式试验中忽略土壤湿度的空间差异性而带来的误差等。相关问题需要进一步深入研究。     

基于遥感数据的宁夏地区土壤水分反演方法比较

利用MODIS产品数据MOD11A2和MOD13A2获取地表温度(TS)、昼夜温差(DST)、归一化植被指数(NDVI)、增强植被指数(EVI),构建宁夏区域2005年4、7、10月逢8、18、28日TS-NDVI、TS-EVI、DST-NDVI、DST-EVI特征空间,根据TS-NDVI、TS-EVI、DST-NDVI、DST-EVI特征空间建立了温度植被干旱指数(TVDI)、温度增强植被指数型干旱指数(TEDI)、温差植被干旱指数(DTVDI)、温差增强植被指数型干旱指数(DTEDI),并以这些干旱指数作为土壤水分监测指标,反演了宁夏区域2005年4、7、10月的土壤水分.利用实测10 cm土壤水分进行相关分析,结果表明DTEDI在宁夏土壤水分反演中表现较好,DTVDI表现略好.     

基于土壤湿度和年际增量方法的中国夏季气温预测试验

本文利用中国160站月平均气温资料和欧洲中心ERA-Interim逐月再分析表层土壤湿度资料,通过相关分析选取欧亚大陆9个关键区的土壤湿度年际增量作为预测因子,采用变形的典型相关分析(BP-CCA)结合集合典型相关分析(ECC)的方法建立集合预测模型,对我国东部夏季气温年际增量进行预测,进而预测夏季气温。其中,1980—2004年的资料用于历史拟合试验,而2005—2014年的资料用于独立样本预测试验。首先利用BP-CCA方法对9个因子分别建立单因子预测模型,然后采用ECC方法对9个预测因子按照不同的组合方式建立集合预测模型,并且分析预测技巧。结果表明,不同预测因子的组合对我国夏季气温的预测能力不同:勒拿河下游地区、中国黄河以南地区、叶尼塞河下游地区、西西伯利亚平原地区以及印度半岛西北部地区的土壤湿度对华北夏季气温预测效果较好;中国黄河以南地区、叶尼塞河下游地区、印度半岛西北部地区、贝加尔湖东北地区以及贝加尔湖以西地区的土壤湿度对江淮夏季气温有较高预测技巧。所建立的两组集合预测模型均显示了较好的实际预测能力:华北气温预测模型预测气温距平的同号率为8/10,平均均方根误差为3.4%;江淮气温预测模型预测气温距平的同号率为7/10,平均均方根误差为2.7%。并且两组模型预测出的华北和江淮气温的预测评分(PS)均超过80分,而国际上通用的距平相关系数(ACC)均在0.3以上。这说明土壤湿度因子中包含对我国夏季气温有用的预测信号,可以考虑将土壤湿度应用于夏季气温预测业务中。