青藏高原东部土壤湿度变化及其与中国降水的关系_张雯

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而70 cm、100 cm这两层资料多缺测。农业气象站站点 分布如图 1 所示,主要包括西藏藏族自治区中东部 4 个站点,日喀则、拉萨、泽当、林芝,以及青海省中东部 包括格尔木、德令哈、铁卜加、门源等 18 个测站。降水 资料的起始年份为 1992,终止年份为 2012 年。
2 高原土壤湿度时空分布特征
收稿日期: 2014-05-28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 41275033) ; 四川省教育厅 2011 年科研资助项目( 11ZZ014)
的蒸发量对土壤湿度变化最为敏感,蒸发的总量和变 化足以影响降 水。 梁 乐 宁 等[19] 通 过 对 春 季 华 南 土 壤 湿度异常年份与其对应的环流异常特征的诊断分析 得出春季华南土壤湿度与同期长江中下游及以北地 区土壤湿度 存 在 的 明 显 负 相 关 关 系 的 结 论。Findell 等[20]研究并分析 出 美 国 伊 利 诺 斯 州 夏 季 的 土 壤 湿 度 和连续 降 水 之 间 具 有 正 相 关 关 系。 而 后,D ’Odorico 等[21]分析上述同地区两个物理量之间的关系,进一步 的结果显示正相关关系存在于土壤湿度与降水二者 本身,并非降水总量。
2. 1 高原土壤湿度的空间分布特征
高原东部( 22 个站点) 各层土壤年平均相对湿度 空间分布如图 2 所示。水平方向上: 西藏东部地区土 壤湿度由东至西呈减小趋势,土壤湿度大值区位于林 芝地区,小值区则位于拉萨地区,由 64% 降至 50% 且 土壤湿度整体较青海地区偏干。青海地区10 cm深度 土层的干区范围在三土层中最大,干区包含整个中东 部的 7 个站点,相对湿度在 60% 以下且数值分别向 北、东、南 3 个方向迅速增长,梯度变化较强( 图 2a) ; 另两层土壤的相对湿度表现为( 图 2b) ,( 图 2c) ,东 部边 缘 为 湿 润 区,向 西 迅 速 减 小,出 现 两 个 土 壤 湿 度 小值区。整体而言,高原东北部较中西部而言更为湿 润,这 主 要 与 高 原 海 拔 高 度 有 关,平 均 海 拔 更 高 的 西 藏西部气候更为干燥,降水稀少,且冻土层更厚,范围 更广。从西藏主体地区至青海中东部,随着平均海拔 高度的 下 降,土 壤 湿 度 呈 明 显 上 升 趋 势。垂 直 方 向 上: 西藏东部地区10 cm土层的干湿区域划分较为明 显,且干区范围最大( 图 2a) ,20 cm土层的湿区范围则 最大( 图 2b) ,50 cm土层总体趋于均匀稳定状态,变化 幅度不明显( 图 2c) 。在青海,土壤的干区范围随深度 加深而呈现出明显减小且有向东北方向移动的趋势, 另外与西藏地区土壤湿度垂直特征一致,表层土壤偏 干,20 cm土层最为湿润。整体而言,高原 10 ~ 20 cm 的土层土壤的湿度变化较 20 ~ 50 cm的土层明显更为 剧烈,说明垂直方向上表层 10 ~ 20 cm土壤持水性更 大,20 cm深度以下的土壤对于水分的分布具有良好 的“信号”保持功能。
图 2 各层土壤 22 年来平均相对湿度空间分布图
图 4 各层土壤平均相对湿度年变化趋势
3 高原土壤湿度与中国降水的关系
图 3 22 年来 10 cm 土层平均相对湿度季节空间分布图
2. 2 高原土壤湿度的年平均变化特征
各层土壤相对湿度年变化趋势如图 4 所示,折线 分别为10 cm、20 cm、50 cm土层的相对湿度随时间变 化的折线图,实线则为一次回归线性趋势线。20 cm 深度的土壤湿度明显高于10 cm和50 cm土层的湿度。 三个层次整体趋势一致,自 1991 年开始至 1996 年有 小幅波动,土壤相对湿度于 1991、1992 年显示出较大 的波动,这可能与资料样本数较少有关。1996 ~ 2003 年这个时段上持续 7 年左右较为平稳的变化,2003 年 以后各层次土壤湿度均略有上升。各层土壤平均相 对湿度近 22 年来有下降趋势,即为不明显变干趋势, 2003 年以后除表层10 cm土壤湿度湿润后再变干的情 况外,另两层则倾向于更湿润。这在一定程度上说明 了10 cm土壤对水分的敏感性,高原土壤湿度的变化 仅在10 cm到20 cm之间较为明显,在深层土壤中变化
随着土壤湿度在短期气候预测中的地位不断为 人们深入认 识 和 理 解,土 壤 湿 度 在 气 候 变 化 中 的“角 色”研究也有了更深一步的体现: 全球地气耦合实验 第二阶段( GLACE-2) 的研究结果则表明土壤干湿的
初始异常对应于不同地区的温度和降水具有不同预 报技巧[22]。同时,尽管一年中热带地区以及冬季中纬
度地区 的 大 气 变 化 很 大 程 度 上 受 限 于 海 表 面 温 度 ( SST ) 的 变 化,Koster 等[13,23]、Douville 等[24]、Conil 等[25]均指出土壤 湿 度 在 夏 季 中 高 纬 度 大 陆 扮 演 着 重 要的角色。青藏高原作为世界的“第三极”,主要通过 动力、热 力 两 方 面 作 用 对 亚 洲 天 气 气 候 系 统、东 亚 季 风、中国东部江淮梅雨的产生深远影响。杨梅学等[26] 通过使用 GAME-Tibet 资料,得到青藏高原土壤湿度 分别在日、年的时间尺度和空间场上的变化特征,认 为土壤 湿 度 在 季 节 转 换 中 具 有 一 定 作 用[27]; 王 澄 海[28]通过对藏北 高 原 沱 沱 河 观 测 站 土 壤 湿 度 变 化 和 对应降水变化的分析,得到土壤湿度在冻融条件下与 高原干湿季转换和湿季降水的联系。此外更有一些
第 30 卷第 1 期 2015 年 2 月
成都信息工程学院学报 JOURNAL OF CHENGDU UNIVERSITY OF INFORMATION TECHNOLOGY
文章编号: 1671-1742( 2015) 01-0081-07
Vol. 30 No. 1 Feb. 2015
青藏高原东部土壤湿度变化及其与中国降水的关系
土壤湿度影响降水的能力可被分为土壤湿度对 蒸发的影响 以 及 蒸 发 对 降 水 的 影 响[32]。 一 些 关 于 土 壤湿度的工作主要集中在土壤湿度—蒸发这一相较 来说更容易定量化的过程上,具体体现在一系列的边 界层过程中[33],土壤湿度—蒸发这一过程尽管控制着 降水潜力但对于降水总量的影响是较小的。而土壤 湿度—降水则是一个复杂的非局地过程,此过程无论 是相关现象的发现还是对可能机制的解释仍然不明 确,有待于深入探究。
研究指出土壤湿度对于气候来说有着时间上的滞后
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第 30 卷
效应[29]。尤其是 Pielke[30]提出的初始土壤湿度异常 对于未来大气环流的影响可以持续 12 个月的时间。 基于 上 述 现 象,Chow[31] 曾 通 过 使 用 区 域 气 候 模 式 ( RCM) 检验青藏高原春季初始土壤湿度对于中国东 部夏季长江流域降水的影响,得到的结论为: 高原春 季土壤湿度与夏季高原当地以及长江流域降水存在 明显的相关关系。
张 雯, 王 磊, 陈权亮
( 成都信息工程学院大气科学学院 高原大气与环境四川省重点实验室,四川 成都 610225)
摘要: 为进一步了解高原土壤湿度变化及其与中国降水的关系,利用青藏高原东部地区 1991 ~ 2012 年 22 个站
10cm、20cm、50cm 3 个层次的土壤相对湿度观测资料,分析高原东部地区土壤湿度的时空分布特征。同时利用全
度呈不明显下降趋势。( 3) 高原东部地区土壤湿度与中国东部降水有显著关系,若东部高原春季土壤湿度偏湿
( 干) ,则江淮流域夏季降水偏少( 多) 。
关 键 词: 气象学; 气候变化; 青藏高原; 土壤湿度; 降水
中图分类号: P426. 6
文献标志码: A
0 引言
相较于对初值具有强依赖性的短期天气预报[1], 月内和季节性预报则需要保留地球气候系统中缓慢 变化的部分。对海表面温度( SST) 所具有的“记忆”功 能已有了较好的认识[2],并在应用中将其作为季节性 预报的一个最为基本的方法[3]。然而,一些研究则指 出地球气候系统中除 SST,还有其他缓变变量,对陆地 的影响远超过 SST[4]。雪盖和土壤湿度是陆面状况的 两个非常重要的指示项,一系列观测分析[5]和模式研 究[6]都证明 它 们 均 具 有 持 续 性———通 常 称 之 为 地 表 “记忆性”,并且这种记忆性可以维持数个月之久。前 期 已 有 一 些 工 作 表 明 积 雪 异 常 会 影 响 印 度[7]、韩 国[8]、中国[9]、北美地区[10]的降水,如 Wu 和 Qian 通 过模式发现高原冬春两季积雪含量对中国长江流域 和南方夏季 的 连 续 降 水 有 明 显 的 关 系[11]。 土 壤 湿 度 在整个蒸发过程中对全球范围内的温度、降水都有显 著的影响[12],即它的持续性可以传输并影响未来某些 地区的温度 和 降 水[13]。 将 前 期 土 壤 湿 度 以 及 后 期 降 水[14 - 16]与 Rodriguez-Iturbe 等[17]以及 Entekhabi 等[18] 所做的随机模式结果进行对比,结果表明土壤湿度的 变化可以导致不同的气候状态。前期很多学者均对 土壤湿度与降水之间的关系进行了分析: 全球地气耦 合实验中的一 个 十 分 重 要 的 发 现 是 土 壤 湿 度 在 干 湿 梯度最大的地方对降水有着最强的影响,即这些地方
由于土壤湿度对季风气候的形成发展有着非常 重要 的 作 用,那 么 当 讨 论 到 青 藏 高 原,这 个 全 球 海 拔 最高面积最广的特殊地区时,不得不考虑该地区的土 壤湿度有怎样的时空分布特征以及它对中国降水是 否存在某种影响,这样的问题对了解中国季节性降水 分布以及东亚水分能量循环有着重要科学意义。
东部高原10 cm土层相对湿度季节变化空间分布 图如图 3 所示。土壤相对湿度随季节变化的空间分布 特征与年分布整体相似,西藏地区土壤相对湿度在各 层次上均表现为由东至西的减小趋势,青海地区整体 则表现得更为湿润,春季( 图 3a) 高原东部大部地区土 壤相对湿度为 60% 左右; 夏季( 图 3b) 10 cm土层整体 略偏湿润,土壤湿度梯度为 3 个季节中最小的; 秋季 ( 图 3c) 10 cm土层相对湿度的梯度变化大,除青海中 部地区,整个区域的土壤湿度由东至西依次降低。
第1 期
张 雯,等: 青藏高原东部土壤湿度变化及其与中国降水的关系
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不大。对各层土壤的相对湿度做一次回归线性分析, 10 cm深度土壤相对湿度变化以 0. 51% /10a 的速率下 降,另 外 两 个 层 次 上 的 相 对 湿 度 与 之 类 似,分 别 为 0. 19% /10a、0. 76% /10a。22 年来各层次上土壤湿度 无明显周期变化。
1 资料简介
图 1 高原土壤湿度站点分布图
选用的土壤相对湿度资料来自中国农业气象台 站上报的农业气象报文资料,由于资料中高原地区站 点数有限且多分布于高原东部,故选取青藏高原东部 地区 22 个站点的土壤相对湿度旬资料。另外,降水资 料选自中国地面气候资料月值数据集中的月降水资 料。土壤相对湿度资料起始年份为 1991 年,终止年份 为 2012 年。由于土壤相对湿度资料为农业气象站观 测资料( 10 cm、20 cm、50 cm、70 cm、100 cm共 5 层) , 且与 作 物、灌 溉 等 情 况 有 关,因 此 考 虑 到 数 据 的 完 整 性、代 表 性,文 中 仅 选 取 土 壤 相 对 湿 度 旬 资 料 中 的 10 cm、20 cm、50 cm这 3 个层次的土壤相对湿度资料,
国 1992 ~ 2012 年的降水资料与 1992 ~ 2011 年的土壤相对湿度资料,采用求相关系数的方法分析高原东部土壤湿
度与全国降水的关系。结果表明: ( 1) 西藏东部土壤相对湿度由东至西呈递减趋势。( 2) 10cm 土层较干,20cm 土
层的相对湿度是 3 层中最大的,50cm 土壤的湿度变化较为平缓; 表层土壤湿度变化较明显。21 年来,各层土壤湿
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