青藏高原土壤湿度的时空特征及对长江流域夏季降水的影响

发布时间：2020-09-09 16:40

　　土壤湿度作为陆面过程的重要因子,对局地及邻近地区的大气环流和天气气候有重要影响。青藏高原(简称高原)的土壤湿度观测站点稀少,时间较短,给高原的气候效应研究带来了困难。本文首先利用观测资料对再分析、陆面模式和卫星反演等8种替代资料进行适用性评估,在得到最优替代资料的基础上,对高原土壤湿度的时空特征进行分析,并重点探讨了其对周边区域,特别是我国东部的气候影响,得出以下主要结论:(1)各站点高原土壤湿度在表层、中层、深层的变化均具有很好的一致性,相关系数均在0.8以上。基于此,将8种替代资料分别在各测站和大范围区域与观测资料进行对比,发现卫星反演资料SSM/I RETRIEVALS在大部分站点都与观测资料的年际变化上升/下降趋势一致。同时,基于逐日资料计算的评估指标显示,该替代资料在所有站点都与观测值呈显著正相关,其标准差在高原东南和中部与观测较为接近,适用于高原的大范围地区。因此,SSM/I RETRIEVALS是研究高原土壤湿度的一套相对较好的替代资料。(2)高原各季节平均的土壤湿度空间分部特征与降水和温度的分布相似,在南部边缘最大,由东南向西北递减。整个高原区域平均的土壤湿度在各个季节平均都有显著的增加趋势,相对应的高原降水和温度也有增加的趋势,春季土壤湿度主要受前期温度影响,夏季土壤湿度主要受前期降水影响,秋季土壤湿度则由前期降水和温度共同决定。去除线性趋势后,春季土壤湿度的年际变化周期为4a和2.5 a,夏季和秋季土壤湿度的年际变化主周期分别为5 a和7 a。(3)高原春季土壤湿度在东部和西部各有一个年际变率大值区,这两个区域的土壤湿度年际变化近似独立,由表层到深层变化一致,并能从春季持续到夏季。两者均与长江流域夏季降水有密切联系,且关系恰好相反,它们构成的东-西“偶极型”模态对长江流域夏季降水有着显著的影响,相关系数高达0.72。定义东部关键区减去西部关键区土壤湿度指数TPSMI,发现春季与夏季的TPSMI相关系数为0.56,即春季表层土壤湿度的异常信号能够稳定持续到夏季。(4)当TPSMI偏大时,即高原东部土壤湿度偏大,而西部偏小时,夏季在高原东部(西北部)存在一个潜热(感热)热源,诊断分析和数值模拟都表明,二者共同作用能在对流层中高层从高原西部经我国大陆直至东北地区激发出一个气旋(C)—反气旋(A)—气旋(C)波列,该波列呈相当正压结构,有利于东北冷涡的加强及冷空气向南侵袭;与此同时,南亚高压加强东伸,西太副高西伸加强,低空南方暖湿气流与北方干冷气流在长江流域汇合,低层辐合,伴随着上升运动加强,从而有利于夏季长江流域降水增多;反之,当TPSMI偏小时,夏季长江流域降水偏少。(5)利用WRF模式分析高原春季土壤湿度影响长江流域夏季降水的物理过程。数值试验结果进一步验证了上述观测分析的结论,即初始时刻高原土壤湿度的异常,能够持续到后期整个夏季,当高原东部土壤偏湿,而西部土壤偏干时,长江流域东部降水偏多,西部降水偏少;当高原东部土壤偏干,而西部土壤偏湿时,整个长江流域降水偏少。
【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】：P461
【部分图文】：

方框图,站点,碳通量,林线

图２．１邋（ａ）青藏高原海拔高度（单位：ｍ）及各测站具体地理位置（圆形和正方形站点分别为藏东逡逑南站土壤温度湿度碳通量数据集和藏东南山地林线观测数据集的站点，红色方框区为ＧＡＭＥ／Ｔｉｂｅｔ数逡逑据集，正三角和倒三角分别为具有１９９７—邋１９９８两年观测和只有］９９８年观测的ＧＡＭＥ／Ｔｉｂｅｔ站点，蓝色、逡逑紫色、黑色分别表示站点位于高原东南部、中部、北部）；（ｂ）邋ＧＡＭＥ／Ｔｉｂｅｔ数据集的站点具体地逡逑理位置逡逑表２．１观测资料的土壤湿度数据基本信息逡逑分逦时间分逡逑序号邋站点逦经度，纬度逦时间跨度逦土壤深度／ｃｍ逡逑类逦辨率／ｈ逡逑Ｓｏｕｔｈｅａｓ逦２００７．０１．０１一逡逑0１逦９９．７３８３°Ｅ．邋２９．７６２５°Ｎ逦２４逦４逡逑ｔｅｒｎ逦２００８．１２．３１逡逑２００５．０８．１８—逡逑高逦0２逦ＳＱＬＮ１逦９６．６１０６°Ｅ，邋２９．５９９７°Ｎ逦２４逦５；邋２０；逦６０逡逑．

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由于各种观测资料和替代资料的时间分辨率都不同，先把所有数据都处理成日平均逡逑资料，并将土壤湿度单位都处理为ｍ３．ｎｒ３。７套观测资料中除了0１只有４邋ｃｍ处的观测值外，逡逑其他站点均具有不同深度的观测数据。从图２．２可以看出，0２—观测的土壤湿度从表层逡逑到深层的变化具有很好的一致性，表层（４或５邋ｃｍ）与中层（２０邋ｃｍ）、中层与深层（６０逡逑ｃｍ）的土壤湿度相关系数均在０．８以上。因此在与观测值进行对比时，除了ＧＬＤＡＳ的ＣＬＭ逡逑将０—２邋ｃｍ和２—５邋ｃｍ的土壤湿度进行平均，其他资料均使用第一层土壤湿度。本文采用逡逑双线性插值，将各套替代资料分别插值到７套观测资料所在经纬度位置。由于卫星反演逡逑数据ＳＳＭ／Ｉ邋ＲＥＴＲＩＥＶＡＬＳ邋１１—３月的土壤湿度是插值所得，且再分析资料和陆面模式提逡逑供的土壤湿度包括固态水和液态水，而观测获得的土壤湿度为液态水含量（刘川等，逡逑２０１５）

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（ａ）ｏｌ；邋（ｂ）ｏ２；邋（ｃ）ｏ３；邋（ｄ）ｏ４；邋（ｅ）ｏ６逡逑非冻结期土壤湿度的日资料数据量很大，此时可以通过评估指标来选出最适用于高逡逑原的土壤湿度替代资料。图２．４ａ—ｈ分别为８套替代资料（ｓｉ邋—邋ｓ８）与７套观测数据的逡逑相关系数，几乎所有的相关系数都通过了邋９０％的置信度检验（红色部分）。除了邋ｓｉ和ｓ８逡逑２２逡逑

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