【摘 要】
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在热带和亚热带地区土壤湿度对气候异常的“记忆”能力可以持续数周到数月,能够显著影响极端降水和高温热浪等极端气候事件。国内外学者在全球范围内对土壤湿度-大气耦合进行了深入的研究,推断土壤湿度通过陆-气相互作用与大气耦合,间接放大了海表温度异常影响。土壤湿度的这种“记忆力”以及与大气耦合对气候变化的影响机制可以通过统计诊断和数值模拟方法进行研究分析,可作为气候可预报性的重要来源。本文利用欧空局(ESA
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在热带和亚热带地区土壤湿度对气候异常的“记忆”能力可以持续数周到数月,能够显著影响极端降水和高温热浪等极端气候事件。国内外学者在全球范围内对土壤湿度-大气耦合进行了深入的研究,推断土壤湿度通过陆-气相互作用与大气耦合,间接放大了海表温度异常影响。土壤湿度的这种“记忆力”以及与大气耦合对气候变化的影响机制可以通过统计诊断和数值模拟方法进行研究分析,可作为气候可预报性的重要来源。本文利用欧空局(ESA)的ECV卫星遥感土壤湿度数据,结合区域气候模式Reg CM4,研究土壤湿度对我国夏季降水和气温的影响。首先,通过站点数据和再分析数据评估ECV数据在中国的适用性,并检验了Reg CM模式模拟中国夏季水文气象循环的能力;其次,研究了1981-2018年夏季土壤湿度对气温和降水的局地反馈作用;接着利用统计诊断和气候数值模式,验证了中国土壤湿度南、北振荡的机制及其对夏季降水的影响;最后,探讨了春季土壤湿度对夏季降水可预报性。本文的主要结论如下:(1)通过与农业气象站观测土壤湿度数据和再分析土壤湿度数据(ERA-interim和NCEP)的比较分析,研究ECV土壤湿度数据在中国的适用性。结果表明,整体上ECV数据与其他三套数据在时空变化特征上具有较好的一致性。但是,在某些地区存在差异。在长江中下游湿润地区,ECV与农气站土壤湿度数据对比,可以捕捉到季节变化特征;但与农业站的数据相比,再分析数据则呈现反位相变化。同时在黄河流域只有ECV土壤湿度数据才能捕捉到与站点数据相同量级的土壤干旱化的趋势。综合来看,ECV卫星遥感土壤湿度数据在中国具有较好的适用性。(2)利用数值模拟厘清了中国不同地区夏季土壤湿度异常对对流降水的反馈类型。在华北地区,“间接反馈”是主要反馈类型;土壤湿度改变该地区大气边界层成云致雨的条件,使得大气环流输送的水汽降落下来形成降水,主要改变对流降水的频次。在华南湿润地区,则以“直接反馈”为主,土壤湿度为大气降水提供了直接的水汽来源,特别是土壤偏湿时,增加了极端降水发生的频次,直接反馈与大气降水的“量”直接相关。当发生高温热浪时,土壤湿度-蒸散发-气温形成不断强化的反馈过程,使得土壤湿度亏损进行了自我强化,进一步加剧了热浪的强度。(3)通过诊断分析发现,中国年际尺度的夏季土壤湿度在南方(22°N-31°N,105°E-121°E)、北方(35°N-44°N,105°E-121°E)震荡会导致华北和长江中下游地区的夏季降水带的经向震荡。夏季土壤湿度异常影响地表能通量和边界层高度,进而影响大气非绝热加热和高层大气的辐散异常,引起气流上升运动的经向振荡。当土壤湿度呈现北湿南干时,朝鲜半岛上空存在一个气旋,高压脊位于华北和日本东海岸的低压槽上,低压槽导致向中国的纬向东风分裂成两个分支。北上的分支汇入西风带,形成典型的锋面天气,北方降水增加;南下分支至长江流域,将副热带西风急流推入热带暖池区,这种格局导致中国南方降水偏少,北方地区降水偏多。相反土壤湿度北干南湿时,北方地区更多地表净辐射转化为感热,引起的高空大气的辐散运动,触发了副热带高压从北向南的不对称位相偏移运动,伴随着位势高度和相对涡度异常改变了区域环流模式,造成南方降水偏多,北方降水偏少。数值模拟结果也证明了上述结论。(4)采用了CMT方法量化春季土壤湿度对中国夏季降水的贡献(15%~30%)。研究发现春季土壤湿度由于其对陆面干湿异常“记忆”的持续性和热力学过程,引起能量通量和边界层高度的异常变化,引发上升运动的经向振荡,以及高层大气的非绝热加热和辐散环流异常。春季土壤湿度正异常导致中国夏季北方反气旋增强,导致大气层结稳定,降水减少;长江流域上升的副热带西风急流在长江流域以北汇入反气旋的高压脊,降水增多。而当春季土壤湿度负异常时,导致朝鲜半岛上空的气旋的不对称相变,北方形成锋面天气降水增加;而南方由于孟加拉湾的水汽源受到阻碍,长江流域降水减少。中国春季土壤湿度的热力作用改变了大气环流模式,引发夏季降水异常,显示出其在季节尺度气候预测中的应用潜力。土壤湿度自身的惯性以及土壤湿度-大气耦合机制可以作为夏季降水季节可预报性的来源。
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