中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响

中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响

张人禾;刘栗;左志燕

【摘要】土壤湿度是气候系统中的重要参量,对地球系统中水分、能量以及地球生物化学循环都有重要影响.本文综述了关于土壤湿度对大气的影响,以及中国区域土壤湿度及其对中国气候影响的研究进展,分析了土壤湿度通过影响地表能量和水分平衡,进而影响大气的变化.现有研究表明:在中国东部春季,土壤湿度的气候分布表现为东北、长江中下游为高值区,华北较干,河套地区的土壤湿度最低;中国东部中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域,并与东北区域呈反相变化;土壤湿度整体上呈现变干的趋势,深层土壤变干较浅层土壤显著,且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著.中国东部从长江流域到华北的春季土壤湿度偏高时,通过改变春末地表能量平衡可以导致东亚夏季风减弱,造成夏季华南和华北降水减小,长江中下游和东北降水增多.中国北方季风边缘区的土壤湿度对局地降水有显著影响,而土壤湿度对局地温度有显著影响的区域主要位于中国北方.

【期刊名称】《自然杂志》

【年(卷),期】2016(038)005

【总页数】7页(P313-319)

【关键词】土壤湿度;中国气候;地表水分平衡;地表能量平衡

【作者】张人禾;刘栗;左志燕

【作者单位】中国气象科学研究院,北京100081;中国气象科学研究院,北京100081;中国气象科学研究院,北京100081

【正文语种】中文

海洋和陆地对气候具有“记忆”作用，陆地一直以来都认为是重要性仅次于海洋的气候驱动因子[1]。土壤湿度作为陆面过程的重要参量，参与并影响着气候系统中

很多重要过程[2-4]，如陆表储存的水不仅与气候系统中的能量循环以及水循环密

切相关，还影响着陆表与大气间二氧化碳以及微量气体的交换[5]。

大气可以显著影响土壤湿度，而土壤湿度也可以通过改变地表反照率、土壤热容量、植被生长状况以及蒸发蒸腾来影响地表能量、水分的分配，从而影响大气的变化[6]。通过影响净辐射能以及陆-气之间感热通量和潜热通量，土壤湿度对大气温度、湿度、边界层稳定性以及大气环流和降水等气象要素都会产生重要影响。这里将从土壤湿度影响大气的途径、中国土壤湿度的变异特征以及土壤湿度对中国气候的影响三个方面，来总结相关的研究进展，说明中国气候变异与土壤湿度之间的联系。土壤湿度通常定义为单位体积土壤中所含水分的体积，用以下公式表示：

θ=Vwater/Vsoil，其中Vwater为土壤中所含水分的体积，Vsoil为干土壤的体积。土壤湿度与大气之间的联系主要表现为土壤状态与陆表通量的联系，以及陆表通量与大气状态的联系[7-9]。

土壤湿度可以通过局地和非局地两种途径影响大气。就局地影响而言，一方面土壤湿度的增加使得蒸散(包括植被蒸腾和地表蒸发)增加，导致大气中水汽增多，从而有利于局地降水增加；另一方面增加的蒸散吸收热量，也可以导致地表温度降低，减小大气的不稳定性，造成局地降水减少。因此，土壤湿度对局地降水可以存在相反的影响。土壤湿度除了对大气产生局地影响外，也可以产生非局地影响。例如：土壤湿度变异造成的季风区域地表温度改变，会导致海陆温差的变化，从而对大尺度季风环流和降水产生影响[14]。

土壤干湿状态与陆表通量的联系可以用土壤湿度和蒸散的相关来表征，土壤湿度无论是影响温度还是降水，蒸散在其中都起到了重要作用[5,10]。就全球平均而言，

降水中有60%来自于蒸散回馈[11]，蒸散消耗了一半以上陆面吸收的太阳能[12]。因此，蒸散不仅在陆面水循环中扮演了重要角色，还对全球能量平衡起着重要作用。在认识土壤湿度对大气的影响过程中，研究土壤湿度与蒸散的关系是重要的一环。Koster等[13]总结了3种土壤湿度与蒸发的关系：当土壤湿度低于枯萎点(wilting point)时，蒸发为0；当土壤湿度很高，超过某一个阈值时，蒸发与土壤湿度无关；当土壤湿度处于枯萎点和该阈值之间时，蒸发随着土壤湿度的增加而增加。Dirmeyer[7]则指出土壤湿度与蒸散的关系会随着时间和空间的变化而变化。例如：在中国区域，土壤湿度与蒸散在中国的北方地区呈显著的正相关，这与Koster等[51]给出的土壤湿度与降水的“热点”耦合区相符，说明该区域蒸散在土壤湿度与降水关系中的重要性；同时，Dirmeyer[7]的研究表明土壤湿度与蒸散在中国华南地区呈显著负相关，说明此地区的土壤湿度受地表通量的驱动，即土壤湿度对大气的反馈作用很弱。

土壤湿度与降水关系的复杂性不仅在于土壤湿度与蒸散关系的复杂性，还在于蒸散与降水的关系也是很难确定的一环[5]。因此，尽管过去很多研究对土壤湿度和降

水的耦合进行了探究，但对土壤湿度和降水关系的确定仍然存在较多问题。比如在数值模式中，目前大多数模式都是把土壤湿度-蒸散和土壤湿度-降水两种关系分开处理，即土壤湿度一方面与蒸散为正相关，另一方面与降水也呈正相关，并且大多数模式不能描述土壤湿度对降水的负反馈作用[52-54]。因此，土壤湿度与降水间

的关系(尤其是负相关关系)及其反馈机制是土壤气候学中一个重要问题。

许多研究利用有限的观测资料对中国土壤湿度的时空特征进行了分析。马柱国等[15]指出在中纬度区域，土壤湿度存在3～4年的周期变化。林朝晖等[16]通过分

析土壤湿度的垂直廓线，指出60 cm可作为土壤含水量变化的转折点，在60 cm 以上土壤水分受蒸发影响比较显著，而在此之下的土壤保持在较湿的状态，且深层各层土壤含水量相对较为接近。郭维栋等[17]指出北方的土壤在20世纪60年代

到70年代末呈现出显著湿期，90年代以后为显著干期。孙丞虎等[18]发现春季表层到中层土壤湿度的大值中心位于淮河流域，这种模态在春季比其他季节更加显著。土壤湿度观测资料的匮乏严重限制了土壤气候学的发展，很多科学家利用再分析资料替代观测资料进行土壤湿度的相关研究。Liu等[19]分别利用观测资料和再分析

资料对比分析了中国东部土壤湿度的气候特征。如图1(a)所示，春季的土壤湿度

在东北北部、长江中下游为高值区(超过了0.2)，华北较干，河套地区的土壤湿度

则低于0.1。ERAInterim再分析资料(图1(b))呈现了土壤湿度从西北往东南递增

的趋势，但对观测资料中河套地区的干中心描述不好。左志燕和张人禾[20]利用ERA-40资料研究了100°E以东中国春季土壤湿度的EOF第一模态空间分布，观

测资料(图1(c))和ERA-40(图1(d))资料都表明中国东部中纬度地区是土壤湿度变

异最大的区域，且与东北区域呈反位相变化。

为了说明土壤湿度再分析资料在中国区域的适用性，Liu等[19]对比分析了春季观

测资料与多种再分析资料(包括MERRA、ERA、JRA、CFSR、NCEP等)在中国东

部区域的差异。图2为春季中国东部中纬度地区(108°E以东，30°N～40°N)再分

析资料与观测资料中土壤湿度、降水及蒸发的均方根误差(RMSE)。可看出ERA土壤湿度在量值上最接近观测值，而CFSR、NCEP、JRA资料中的量值则依次次之，MERRA土壤湿度量值与观测相差最大。在降水方面，除NCEP外，其余4套再

分析资料中降水的RMSE值都很接近，说明其降水量与观测值的差异都较小。在

蒸发方面，ERA资料的优势比较明显，其他再分析资料的RMSE值是ERA的20

倍左右。图2表明ERA土壤湿度与观测最相近的原因主要是其蒸发与观测值的差

异最小。

左志燕[21]分析了中国东部土壤湿度的长期变化趋势，图3给出了春季中国东部南方区(100°E～110°E，30°N以南)、中部区(105°E～120°E，30°N～40°N)和东北区(115°E以东，40°N以北)的土壤湿度随时间的变化。由图3(a)可见，南方四层