中国东部地区陆-气耦合的区域性差异及土壤湿度的可能影响

发布时间：2020-11-19 12:53

　　 陆面和大气之间不断进行着物质和能量的交换,是一个相互作用的耦合系统,土壤湿度对天气/气候的影响是陆-气耦合研究中的重要内容。本文利用ERA-Interim再分析数据集和 GLDAS 2.0(Global Land Data Assimilation System V2.0)同化数据集中所提供的土壤湿度资料,首先分析了中国东部地区陆-气耦合的关键区的空间分布和季节演变,其次讨论了不同关键区中土壤湿度分别对局地温度及非局地降水的影响及机制,最后探讨了土壤湿度对西南地区持续性干旱的指示意义。本文的主要分析结果如下:(1)土壤湿度影响蒸散发进而引起地表温度异常是陆-气耦合中的重要组成部分,通过分析土壤湿度与蒸散发以及地表温度与蒸散发之间的关系,发现中国东部地区陆-气耦合的关键区主要依赖土壤湿度和地表温度的气候状态,存在空间变化和季节演变。在华北地区,土壤湿度在年内维持在较低的水平,仅在较为温暖的月份才有足够的能量将土壤中的水分蒸发至大气,因此陆-气耦合强度随着温度的季节变化而发生改变,夏季最强。在西南地区,土壤湿润,温度较高,但在旱季的时候土壤湿度显著下降,春季达到最低,因此春季表现为较强的陆气耦合。(2)定量化地分析了华北地区夏季土壤湿度对局地热力状态所造成的反馈。本文的研究结果发现随着华北地区年代际增暖,土壤湿度呈现下降趋势,导致土壤湿度对局地热力状态和极端高温事件的负反馈能力得到加强。在1961-2012年间,该地区土壤湿度的反馈贡献占气温变化的6%,而在1994-2012年,华北增温后,反馈贡献达到36%。土壤湿度对平均气温的反馈主要反映在对日最高气温的影响,同时在增温后也有所加强。进一步也说明土壤湿度对极端高温事件的增加也起到很大的贡献。分析表明,土壤湿度引起的地表热量通量(潜热和感热)的异常变化是引起局地热力反馈的重要原因。此外,随着土壤湿度的下降,潜热表现出明显的减少趋势,因此使得更多的能量分配给感热,波文比在90年代以后迅速增加,陆面加热大气的能力加强,导致夏季华北地区夏季局地土壤湿度的热力反馈出现年代际增强。(3)土壤湿度对非局地降水的影响是陆-气耦合研究的重要方面。通过对土壤湿度同化资料及观测降水资料的分析发现,我国西南地区春季土壤湿度与东部地区夏季降水在过去的52年间(1961-2012)有着显著的相关关系,西南地区土壤偏干,则长江中下游地区降水偏多,反之偏少。更值得注意的是,两者的反相关关系在20世纪90年代初发生了年代际变化,1990年前的相关显著,而近20多年间明显减弱甚至消失。进一步分析表明其间可能存在的过程及机制如下:西南地区春季偏干(湿)的土壤条件,使得地表异常增(降)温,加热(冷却)大气,抬升(降低)局地位势高度,对西太平洋副热带高压(简称副高)产生吸引(排斥)的作用,使其夏季西伸(东退)发展,不利于(有利于)我国夏季风进一步向北方地区输送水汽,从而使得长江中下游地区降水偏多(少)。近年来,由于全球变暖等原因,大尺度环流背景发生了巨大改变,副高明显加强西伸,对我国气候变化造成了一定的影响。相应地,西南地区陆-气耦合强度下降,因此对环流系统的影响能力下降,最终导致近20年左右该地区土壤湿度与东部地区夏季降水异常的联系减弱甚至消失。(4)近十年来,西南地区出现了几次强度高、时间长的干旱事件,造成了巨大的社会经济损失。土壤湿度是直接的干旱指数,同时也在天气/气候预测中起着重要作用。因此对该地区土壤湿度的一般特征分析有利于干旱的研究和预测。研究发现,土壤湿度的异常持续能力具有较强的季节依赖性,秋季最强。另外,分析表明土壤湿度在秋季具有年代际下降的趋势,相应地,秋季土壤湿度异常持续时间也从突变前的3个月延长至近年来的6个月。进一步利用不同时间尺度的标准化降水蒸散发指数(SPEI)来表示不同季节的干旱事件发生的情况,与土壤湿度进行对比,两者的年际变化相对一致,也从一定程度上表明,土壤湿度对西南地区干旱事件,尤其是对于秋季开始的跨季节持续性干旱事件有较好的指示意义。
【学位单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S152.71
【部分图文】：

Ｎｏｂｒｅｅｔａｌ．?１９９１），它是陆地表面水循环的缓冲储水器，也是大气的下边界条件，并且能??够在感热和潜热通量间进行调控，从而控制地表热通量，因此土壤湿度对天气和气候变??化具有十分重要的影响（图１．２）。由于其观测资料的缺乏，早期的研宄主要采用模式进??行数值试验来完成。??３??

第？章绪论??布十分不均。全球能量和水循环计划（ＧＥＷＥＸ）支持的ＧＬＡＣＥ第一次提供了多个全??球大气环流模式（ＡＧＣＭ）平均的夏季土壤湿度－降水耦合“热点”分布图（图１．３；?Ｋｏｓｔｅｒ??ｅｔａｌ．２００４）。这些关键区的位置主要呈现在干－湿气候过渡带地区，包括美国中部、非洲??萨赫勒和印度半岛等地区。但是每个单独的模式都给出了明显不同的陆－气耦合强度分??布，表明了土壤湿度反馈的研究也存在很大的不确定性。大量的研究也进一步证实了土??壤湿度的反馈作用主要集中于干－湿气候条件过渡的地带（Ｗｅｉ?ｅｔ?ａｌ．?２００８：?Ｄｉｒｍｙｅｒ?２０１１；??Ｈｕａｅｔａｌ．?２０１３）。究其原因是因为土壤湿度与蒸散发的关系并不是简单的线性关系（图??１．４）。在十分湿润的气候条件卜＿，?土壤中的水分能够允分满足或者超过地面蒸发及植被??需求，则土壤湿度对蒸散发并没有很强的约束力，相反，ＫＴ能还会受到蒸散发的影响，??因此这种情况下蒸散发作用受到能量的限制（ｅｎｅｒｇｙ－ｌｉｍｉｔｅｄ）；另－方面，如果气候条件??十分千燥，丨：壤甚至可能沙化，蒸散发也基本停滞，土壤中的水分变化也不会对其造成??明站改变。只有在干－湿过渡的气候条件下，土壤湿度才会体现出对蒸散发的控制作用，??从而进一步起到调节热力状况、影响大气环流等作用（Ｓｅｎｅｖｉｒａｔｎｅｅｔａｌ．?２０１０；Ｂｅｌｌｕｃｃｉｅｔ??ａｌ．?２０１５）

第？章绪论??布十分不均。全球能量和水循环计划（ＧＥＷＥＸ）支持的ＧＬＡＣＥ第一次提供了多个全??球大气环流模式（ＡＧＣＭ）平均的夏季土壤湿度－降水耦合“热点”分布图（图１．３；?Ｋｏｓｔｅｒ??ｅｔａｌ．２００４）。这些关键区的位置主要呈现在干－湿气候过渡带地区，包括美国中部、非洲??萨赫勒和印度半岛等地区。但是每个单独的模式都给出了明显不同的陆－气耦合强度分??布，表明了土壤湿度反馈的研究也存在很大的不确定性。大量的研究也进一步证实了土??壤湿度的反馈作用主要集中于干－湿气候条件过渡的地带（Ｗｅｉ?ｅｔ?ａｌ．?２００８：?Ｄｉｒｍｙｅｒ?２０１１；??Ｈｕａｅｔａｌ．?２０１３）。究其原因是因为土壤湿度与蒸散发的关系并不是简单的线性关系（图??１．４）。在十分湿润的气候条件卜＿，?土壤中的水分能够允分满足或者超过地面蒸发及植被??需求，则土壤湿度对蒸散发并没有很强的约束力，相反，ＫＴ能还会受到蒸散发的影响，??因此这种情况下蒸散发作用受到能量的限制（ｅｎｅｒｇｙ－ｌｉｍｉｔｅｄ）；另－方面，如果气候条件??十分千燥，丨：壤甚至可能沙化，蒸散发也基本停滞，土壤中的水分变化也不会对其造成??明站改变。只有在干－湿过渡的气候条件下，土壤湿度才会体现出对蒸散发的控制作用，??从而进一步起到调节热力状况、影响大气环流等作用（Ｓｅｎｅｖｉｒａｔｎｅｅｔａｌ．?２０１０；Ｂｅｌｌｕｃｃｉｅｔ??ａｌ．?２０１５）
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本文编号：2890035