梁樂寧,陳海山

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044)

春季華南土壤濕度異常與中國夏季降水的可能聯(lián)系

梁樂寧,陳海山

(南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210044)

基于ERA40(ECMWF)1958—2001年土壤濕度再分析資料和中國541站降水資料,通過觀測分析揭示了華南春季土壤濕度異常與中國夏季降水的聯(lián)系及其可能的物理過程。結(jié)果表明,春季華南土壤濕度與夏季華南(長江流域及其以北地區(qū))降水呈正(負(fù))相關(guān);春季華南土壤濕度負(fù)(正)異常,夏季華南降水異常偏少(多),而長江以北地區(qū)降水則偏多(少)。通過對春季華南土壤濕度異常年份對應(yīng)的環(huán)流異常特征的診斷分析發(fā)現(xiàn):土壤濕度負(fù)異常年,西太平洋副高位置明顯偏西,華南地區(qū)對應(yīng)異常的下沉運(yùn)動(dòng)和水汽輻散,導(dǎo)致該地區(qū)降水偏少;而長江中下游地區(qū)對應(yīng)異常的上升運(yùn)動(dòng)和水汽通量的輻合,降水偏多;土壤濕度正異常年的情況大致相反。進(jìn)一步的分析表明,春季華南土壤濕度與同期長江中下游及以北地區(qū)土壤濕度存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。春季華南土壤濕度負(fù)(正)異常年的同期華北到長江中下游區(qū)域土壤濕度為正(負(fù))異常,將導(dǎo)致南部區(qū)域的地表溫度異常升高(降低),北部地表溫度異常偏低(偏高),并通過改變地表對大氣的加熱,引起夏季大氣環(huán)流的異常,最終造成夏季降水異常。

土壤濕度;夏季降水;陸面過程;陸氣相互作用

0 引言

陸地約占地球表面的1/3,作為氣候系統(tǒng)的一部分,陸面狀況和天氣、氣候系統(tǒng)的變化有著直接的關(guān)系。近些年來,陸面過程在氣候系統(tǒng)中的作用已經(jīng)引起了廣泛的重視,陸面過程的變化對氣候變化也有著十分重要的作用。土壤濕度是氣候變化的重要影響因子,土壤濕度異常通過影響地表蒸發(fā)、改變地表對大氣的加熱等過程對大氣環(huán)流和氣候產(chǎn)生顯著影響。早在20世紀(jì)50年代,Namias[1-2]的研究就發(fā)現(xiàn),土壤濕度的季節(jié)性異常對大氣的季節(jié)變化有重要影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),就全球陸地而言,65%的降水來自于陸地表面的蒸發(fā),而僅有35%來自于海洋的水平輸送[3]。Walker和Rowntree[4]的敏感性試驗(yàn)指出:干土壤可使未來氣溫升高,濕土壤可使后期降水持續(xù)。Shukla和Mintz[5]利用數(shù)值模式對干、濕土壤的影響作了對比試驗(yàn),結(jié)果表明干、濕土壤對后期降水和氣溫的影響有較大差異,他們的研究認(rèn)為土壤濕度—大氣之間的反饋過程在副熱帶地區(qū)的作用甚至與熱帶地區(qū)SST的作用相當(dāng)。Rowntree和Bolton[6]、Yeh等[7]先后通過數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)了土壤濕度異常能產(chǎn)生重要的氣候效應(yīng)。Yeh等[7]的研究認(rèn)為,土壤濕度對氣候有記憶功能,當(dāng)中緯度(30～60°N)的土壤達(dá)到飽和后,可以影響大尺度的降水,不同緯度帶的土壤濕度對后期降水和氣溫影響的時(shí)間尺度不同,它們不僅對相應(yīng)地區(qū)的大氣狀態(tài)有極大的影響,而且影響到了全球范圍的大氣環(huán)流和氣候。此外,最近的研究表明,土壤濕度還是影響氣候可預(yù)報(bào)性和短期氣候預(yù)測的關(guān)鍵因素[8-10]。Smith等[11]、Douville[12]和Koster等[13]的研究結(jié)果均表明,模式對土壤濕度的初始場非常敏感,土壤濕度是影響全球和區(qū)域季節(jié)氣候預(yù)測的關(guān)鍵因子。土壤濕度在短期氣候預(yù)測,尤其是季節(jié)氣候預(yù)測中具有重要的作用[14-15]。

土壤濕度的異常變化及其影響,歷來就受到了我國科學(xué)家的關(guān)注[16-17]。一系列的工作通過數(shù)值模擬深入研究了土壤濕度對我國短期氣候的影響[18-23]。而土壤濕度在我國短期氣候預(yù)測中的作用也逐步引起了重視[24-27]。最近,一些研究通過資料對比和診斷分析,揭示了中國區(qū)域的土壤濕度異常變化的一些重要特征,為深入研究土壤濕度對我國氣候的影響提供了大量的線索[28-33]。孫丞虎等[34]基于中國土壤濕度站點(diǎn)資料,通過觀測分析探討了淮河流域土壤濕度異常與氣候異常的關(guān)系,他們的研究指出各層土壤濕度與前期和同期降水(氣溫)呈顯著正(負(fù))相關(guān)關(guān)系,與約半年后的降水(氣溫)呈負(fù)(正)相關(guān)關(guān)系。最近,左志燕和張人禾[35-36]的研究也揭示了中國東部夏季降水與春季土壤濕度之間的密切聯(lián)系。這些研究在極大程度上加深人們關(guān)于土壤濕度異常影響我國氣候及其物理機(jī)制的認(rèn)識。

東亞是世界著名的季風(fēng)區(qū),其氣候一方面受到海洋異常狀況的影響,而另一方面則與東亞區(qū)域的陸面過程具有非常密切的聯(lián)系[37];東亞地區(qū)的土壤濕度異常是影響東亞氣候和東亞氣候預(yù)測的不可忽視的因素[38]。Webster[39]曾指出陸地表面的熱狀況對季風(fēng)的調(diào)節(jié)很重要,陸表熱狀況能通過影響季風(fēng)來改變東亞季風(fēng)區(qū)夏季降水的分布。Meehl[40]提出土壤濕度對降水的兩種反饋機(jī)制,增加的土壤濕度使得地表蒸散增加,一方面使得水汽增加,導(dǎo)致降水增多;另一方面增加的土壤濕度使得地表溫度降低,對于季風(fēng)區(qū)降水,地表溫度降低使得海陸溫差減小,從而使得季風(fēng)減弱,降水減少。Yang和Lau[41]利用數(shù)值模式也指出,亞洲前冬春土壤濕度正異常通過影響季風(fēng)的前期過程從而減弱了東亞季風(fēng)的強(qiáng)度。

眾所周知,我國處于季風(fēng)區(qū),夏季東亞氣候主要受到東亞夏季風(fēng)系統(tǒng)的控制,土壤濕度作為陸面過程研究中的重要參量,土壤濕度的異常會(huì)引起地表的熱力異常,進(jìn)而引起海陸熱力差的變化,以此來影響東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)弱從而改變東亞季風(fēng)區(qū)夏季降水的分布與強(qiáng)度。東亞夏季風(fēng)由南向北推進(jìn)并且雨帶的移動(dòng)與之相伴隨,華南地區(qū)位于季風(fēng)爆發(fā)的敏感區(qū),前期華南土壤濕度異常會(huì)引起該地區(qū)地表熱力異常從而影響季風(fēng)的推進(jìn),因此選定華南地區(qū)土壤濕度進(jìn)行研究。本文試圖通過研究春季華南土壤濕度異常與陸表面熱狀況之間的關(guān)系,分析與春季華南土壤濕度異常相關(guān)的環(huán)流異常特征及地表溫度、氣溫等熱力狀況的異常特征,探討春季華南土壤濕度異常對中國夏季降水的可能影響。

考慮到土壤濕度具有很大的時(shí)空變率,大范圍長時(shí)間的連續(xù)觀測資料匱乏,中國土壤濕度的觀測站點(diǎn)集中在有限的區(qū)域,利用觀測資料的研究多為土壤濕度與局地溫度和降水之間的關(guān)系。張文君等[29]指出ERA40土壤濕度資料能夠較好地揭示土壤濕度的空間分布。我們經(jīng)過對幾套再分析資料的對比,發(fā)現(xiàn)ERA40資料無論是在土壤濕度的年際變化還是異常的空間分布上都與觀測資料較為一致,因此本文使用ERA40土壤濕度資料進(jìn)行研究。

1 資料

采用1958—2001年歐洲中心(ECMWF)ERA40土壤濕度再分析月平均資料[42],該再分析資料包括7 cm、21 cm、72 cm和189 cm等4層土壤濕度的信息,資料的水平分辨率為2.5°×2.5°。降水資料為中國國家氣候中心提供的1951—2004年全國541站的逐日降水資料;此外,研究中還用到了1958—2001年ECMWF 2.5°×2.5°的位勢高度場、風(fēng)場、水汽場等月平均再分析資料[42]。

2 春季華南土壤濕度異常及其與中國夏季降水的關(guān)系

2.1 春季華南土壤濕度的年際異常

為了反映華南土壤濕度的異常變化特征,本文選取110～117°E、22.5～25°N區(qū)域作為研究的重點(diǎn),計(jì)算了春季(3—5月)該區(qū)域平均的土壤濕度并作標(biāo)準(zhǔn)化處理,將其定義為春季華南土壤濕度異常指數(shù)(記為Ism),用來反映華南春季土壤濕度的異常變化特征。圖1給出了1958—2001年Ism的年際變化曲線,不難發(fā)現(xiàn)春季華南地區(qū)的土壤濕度具有明顯的年際變化。為了后文分析的需要,將Ism≤-1.0的年份定義為土壤濕度的負(fù)異常年份(1963、1969、1970、1971、1977、1991年),對應(yīng)春季華南土壤濕度偏小,土壤異常偏干;而Ism≥1.0的年份則定義為土壤濕度的正異常年份(1961、1962、1965、1966、1973、1983、1997年),對應(yīng)春季華南土壤濕度偏大,土壤異常偏濕。

圖1 春季華南土壤濕度異常指數(shù)的年際變化曲線Fig.1 Interannual variation of spring soil moisture anomalies in South China(Ism)

2.2 春季華南土壤濕度異常與中國降水的關(guān)系

圖2給出了Ism與中國春季、夏季降水的相關(guān)分布。由圖2a可以看出,春季華南土壤濕度與同期華南(長江及以北地區(qū))降水呈正(負(fù))相關(guān),表明春季華南地區(qū)降水偏多,同期土壤濕度偏濕,這在一定程度上也說明了再分析土壤濕度可以比較真實(shí)地反映春季華南地區(qū)土壤的干濕狀態(tài),具有一定的可信度。這里重點(diǎn)分析春季土壤濕度與后期降水之間的可能聯(lián)系。圖2b表明,Ism與中國,尤其是中國東部的夏季降水存在明顯的相關(guān)關(guān)系,正相關(guān)區(qū)主要出現(xiàn)在華南地區(qū)、河套及其西南附近區(qū)域,而負(fù)相關(guān)區(qū)主要位于長江中下游及其以北地區(qū)。這種相關(guān)關(guān)系表明,春季華南土壤異常偏干(濕),華南地區(qū)降水偏少(多),而長江中下游及其以北地區(qū)降水往往偏多(少)。春季華南土壤異常偏干,對應(yīng)降水從華南到華北的“少多少”的異?？臻g分布特征。

為了進(jìn)一步考察土壤濕度異常與夏季降水的關(guān)系,計(jì)算了華南地區(qū)(110～115°E,22.5～25°N)和長江中下游地區(qū)(105～120°E,30～32.5°N)夏季平均降水的標(biāo)準(zhǔn)化系列,分別表示為Rhn和Rcj。為方便對比,圖3給出了1958—2001年Ism、Rhn和Rcj的年際變化曲線。計(jì)算結(jié)果表明,春季華南土壤濕度與夏季華南降水異常之間呈正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.49,而與夏季長江中下游地區(qū)的降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為-0.39,二者均通過了99%的顯著性檢驗(yàn)。上述分析表明,春季華南土壤濕度與夏季華南降水和夏季長江中下游降水存在密切的聯(lián)系。

為了考察土壤濕度異常典型年份夏季降水的異常情況,根據(jù)前面定義的土壤濕度負(fù)、正異常年份,通過合成分析來比較土壤濕度異常年份夏季降水的分布。圖4給出了春季華南土壤濕度負(fù)、正異常年的夏季(6—8月)降水距平合成的空間分布。不難發(fā)現(xiàn),對應(yīng)春季華南土壤濕度異常偏干的年份,華南地區(qū)夏季降水對應(yīng)負(fù)距平,降水較正常年份明顯偏少,而長江中下游地區(qū)則為降水的正距平(圖4a);而正異常年(圖4b)長江中下游地區(qū)對應(yīng)降水負(fù)距平,華南地區(qū)對應(yīng)降水正距平。綜上所述,華南土壤濕度負(fù)異常年華南旱、長江中下游澇;正異常年長江中下游旱、華南澇。

圖2 Ism與中國春季(a)和夏季(b)降水的相關(guān)分布(其中圓圈表示正相關(guān),三角代表負(fù)相關(guān),實(shí)心符號表示t檢驗(yàn)通過95%置信水平的站點(diǎn))Fig.2 Distributions of correlation coefficients of Ismwith(a)spring and(b)summer rainfall in China(The circle and triangle represent positive and negative value,respectively.The solid circle and triangle represent stations with values higher than the significance level of0.05)

3 春季華南土壤濕度異常年份的環(huán)流異常特征

圖3 Ism(帶圓圈實(shí)線)、夏季華南(虛線)和長江中下游(帶加號實(shí)線)區(qū)域平均降水的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列Fig.3 Time series ofIsm(solid line with circle),the standardized summer precipitation in South China(dashed line)and in the middle-lower reaches of the Yangtze River(solid line with plus sign)

圖4 春季華南土壤濕度負(fù)異常年(a)和正異常年(b)夏季(6—8月)降水距平的合成場(單位:mm)Fig.4 Composite differences of summer(JJA)precipitation between(a)negative and(b)positiveIsmyears and the climatology of JJA precipitation(units:mm)

以上分析結(jié)果表明,春季華南土壤濕度的異常變化與中國東部夏季降水之間存在較為密切的聯(lián)系,為了進(jìn)一步分析前期土壤濕度異常與夏季降水異常之間存在的可能聯(lián)系,以下重點(diǎn)從500 hPa高度場、高低層風(fēng)場、散度場及水汽輸送等方面來分析與土壤濕度異常相關(guān)的環(huán)流異常特征,以便更好地理解二者之間存在的可能聯(lián)系。

3.1 500 hPa位勢高度場

圖5為春季華南土壤濕度負(fù)、正異常年夏季500 hPa高度的合成場,為了更好識別異常年份的差異,圖中給出了氣候平均的588 dagpm等值線。從圖5可以看出,500 hPa高度場最顯著的差異主要表現(xiàn)在西太平洋副熱帶高壓的異常變化。春季華南土壤濕度負(fù)異常年,西太平洋副高的面積較正常年份偏大,維持在25°N附近,副高位置偏西且西伸至130°E(圖5a);而對應(yīng)土壤濕度正異常年,副高面積有一定程度的減小,且位置較正常年份略偏東(圖5b)。春季華南土壤濕度的異常,對東亞地區(qū)的大氣環(huán)流可能產(chǎn)生重要的影響,尤其是對東亞氣候具有重要影響的西太平洋副高的形態(tài)也發(fā)生了顯著變化,這可能是造成土壤濕度負(fù)、正異常年降水異常分布的一個(gè)可能原因。

圖5 土壤濕度負(fù)異常年(a)和正異常年(b)夏季500hPa位勢高度合成場(虛線表示1958—2001年平均588 dagpm等值線的位置;單位:dagpm)Fig.5 Composites of summer500hPa geopotential height for(a)negative and(b)positive Ismyears(The dashed line shows the climatology of588 dagpm contour;units:dagpm)

3.2 風(fēng)場和散度場

降水的形成需要有上升運(yùn)動(dòng)和良好的水汽條件相配合,以下通過分析風(fēng)場和散度場及水汽場在Ism異常年的形勢來考察在土壤濕度異常年影響華南地區(qū)和長江中下游地區(qū)夏季降水的高低空配置情況及其對應(yīng)的水汽條件。

春季華南土壤濕度負(fù)異常年(圖6a),華南地區(qū)處于低層(850hPa)中心位于130°E、25°N附近的反氣旋環(huán)流的西北側(cè),對應(yīng)高層(150hPa)散度場小于零即輻合,低層輻散高層輻合對應(yīng)下沉運(yùn)動(dòng),異常的下沉運(yùn)動(dòng)使得華南降水異常偏少;同時(shí),低層(850hPa)中心位于120°E、40°N附近的氣旋式環(huán)流西側(cè)的偏北氣流與華南地區(qū)的西南氣流在長江中下游輻合,對應(yīng)高層(150hPa)散度大于零即輻散,低層輻合高層輻散的異常上升運(yùn)動(dòng)有利于長江中下游降水異常偏多,并且華南地區(qū)低層的西南氣流也為其北側(cè)地區(qū)降水天氣的發(fā)生提供了有利的水汽條件。正異常年(圖6b),低層(850hPa)華南地區(qū)偏東氣流與其南側(cè)的偏南氣流在此地區(qū)輻合,而對應(yīng)高層(150hPa)散度大于零即輻散,低層輻合高層輻散對應(yīng)上升運(yùn)動(dòng),異常的上升運(yùn)動(dòng)有利于降水天氣的發(fā)生;長江中下游地區(qū)低層(850hPa)處于中心位于130°E、35°N附近反氣旋環(huán)流的西南側(cè),而對應(yīng)高層(150hPa)散度小于零即輻合,低層輻散高層輻合的下沉運(yùn)動(dòng)不利于降水天氣的發(fā)生。這種環(huán)流形勢在一定程度上解釋了華南土壤濕度負(fù)異常年華南旱、長江中下游澇;正異常年華南澇、長江中下游旱的這種特點(diǎn)。

圖6 土壤濕度負(fù)異常年(a)和正異常年(b)夏季(6—8月)850hPa風(fēng)場和150hPa散度距平合成場(矢量表示850 hPa風(fēng)場,單位:m/s;陰影區(qū)表示150hPa散度場,單位:10-6s-1),以及土壤濕度負(fù)異常年(c)和正異常年(d)夏季(6—8月)1 000～300hPa水汽通量整層積分和水汽通量散度距平合成場(矢量表示水汽通量整層積分,單位:kg·m-1·s-1;陰影區(qū)表示水汽通量散度,單位:10-6kg·m-2·s-1)Fig.6 Composite fields of summer(JJA)wind departures at850hPa and the divergence departures at 150 hPa for(a)negative and(b)positive Ismyears(Vectors represent the wind in unit of m/s,and shaded areas show the divergence field in unit of10-6s-1).Composites fields of the total water vapor flux over1 000—300hPa and the divergence departures of water vapor flux in summer during(c)negative and(d)positive Ismyears(Vectors represent the water vapor flux in kg·m-1·s-1,and shaded areas show the divergence departures of water vapor flux in10-6kg·m-2·s-1)

3.3 水汽場

春季華南土壤濕度負(fù)異常年(圖6c),華南地區(qū)的水汽通量是向北輸送的,并且其水汽通量散度大于零,即該區(qū)域的水汽通量是輻散的;長江中下游地區(qū)水汽通量向偏東北方向輸送,但其水汽通量散度小于零,該區(qū)域水汽通量是輻合的。在正異常年(圖6d),水汽通量在華南地區(qū)由西向東輸送,其散度小于零即該區(qū)域水汽通量是輻合的;而在長江中下游地區(qū)水汽通量向西北輸送,其散度大于零該區(qū)域水汽通量是輻合的。由水汽的輸送情況和水汽通量散度來看,同樣是在春季華南土壤濕度負(fù)異常年不利于華南地區(qū)的降水;而有利于長江中下游地區(qū)的降水;正異常年則相反。

經(jīng)過以上對環(huán)流形勢及水汽輸送的分析發(fā)現(xiàn),春季華南土壤濕度負(fù)異常年西太平洋副高發(fā)展西伸,長江中下游地區(qū)對應(yīng)異常的上升運(yùn)動(dòng)、水汽通量輻合,使得該地區(qū)降水增多,而華南地區(qū)則受副高的控制,多為持續(xù)性的晴熱天氣,該地區(qū)降水偏少;正異常年則相反。

4 春季華南土壤濕度異常影響夏季降水的可能過程

由以上分析可知,春季華南土壤濕度異常年確實(shí)對應(yīng)異常的環(huán)流特征,東亞地區(qū)大氣環(huán)流的異常可能源于地表熱力狀況的改變。土壤濕度的異常能引起土壤表面的反照率、土壤熱容量以及地表植被生長狀況等的變化,改變了地表的能量收支使得陸地表面熱狀況發(fā)生變化,地表熱力異常會(huì)影響陸氣間的能量交換。因此,以下重點(diǎn)分析土壤濕度異常年地表溫度場和氣溫場的異常分布特征。

4.1 地表溫度的異常分布特征

春季華南土壤濕度負(fù)異常年(圖7a),華南地區(qū)有小范圍的高溫中心,而長江中下游以北為大范圍的地表溫度偏低區(qū)。而正異常年(圖7b),華南地區(qū)為大范圍的地表溫度偏低區(qū),長江流域以北為大范圍地表溫度偏高區(qū)。由地表溫度的異常分布情況可分析,土壤濕度的增加使得地表溫度降低,從物理上來看,土壤濕度的增加使得地表蒸發(fā)加大,進(jìn)一步導(dǎo)致地表溫度降低。土壤濕度通過影響陸表面熱力狀況從而影響到地氣間的能量交換。地表溫度低會(huì)減少地表向大氣輸送的熱量,反之地表溫度高則會(huì)增加向大氣輸送的熱量。

4.2 氣溫場的異常分布特征

圖7 土壤濕度負(fù)異常年(a)和正異常年(b)春季(3—5月)地表溫度的距平合成場(粗實(shí)線表示0線;陰影區(qū)為溫度距平絕對值的大值區(qū);單位:K)Fig.7 Composite fields of spring(MAM)surface temperature departures for(a)negative and(b)positive Ismyears(The darksolid lines show the contours of zero,and shaded areas represent big absolute values;units:K)

圖8 土壤濕度負(fù)異常年(a、c)和正異常年(b、d)春季(3—5月)925hPa(a、b)和850hPa(c、d)氣溫距平合成場(粗實(shí)線為0線;陰影區(qū)為溫度距平絕對值的大值區(qū);單位:K)Fig.8 Composite fields of spring(MAM)925hPa temperature departures for(a)negative and(b)positive Ism years,and composite fields of spring(MAM)850hPa temperature departures for(c)negative and(d)positive Ismyears(The dark solid lines show the contours of zero,and shaded areas represent big absolute values;units:K)

春季華南土壤濕度負(fù)異常年(圖8a、8c),925和850hPa華南地區(qū)的氣溫距平均為正值,長江中下游以北地區(qū)的氣溫距平為負(fù)值,這與地表溫度的分布是一致的,只是對應(yīng)高低值中心隨高度向東北方向偏移,并且范圍變小。而正異常年(圖8b、8d),925和850hPa華南地區(qū)的氣溫偏低,長江中下游以北地區(qū)的氣溫偏高,這也與地表溫度的分布是一致的,并且高低值中心隨高度向東北方向偏移。這也驗(yàn)證了土壤濕度異常年,地表溫度與低層大氣氣溫分布一致的現(xiàn)象。

通過以上分析,不難發(fā)現(xiàn)春季華南土壤濕度負(fù)、正異常年份,地表、低層大氣的熱力狀態(tài)均發(fā)生了顯著的變化。已有的研究表明[34-36,43-44],土壤濕度異常主要通過改變地表的熱力狀況,并引起地表對大氣加熱的改變,從而能夠?qū)Υ髿猸h(huán)流產(chǎn)生重要的影響。因此,上述與土壤濕度異常有關(guān)的地表熱力狀態(tài)的變化及其產(chǎn)生的加熱異常,可能正是導(dǎo)致環(huán)流異常的一個(gè)可能原因。由以上分析可知,春季華南土壤濕度負(fù)異常年,中國東部整體低層大氣獲得的熱量減少;正異常年則相反。

4.3 春季華南土壤濕度異常與中國東部土壤濕度異常的關(guān)系

由以上分析可以看到,地表熱力異常的變化在東亞附近區(qū)域存在南北反相的分布特征,而華南土壤濕度異常的影響,在很大程度上可以解釋華南地區(qū)地表熱力異常的原因,而長江中下游以北地區(qū)的地表熱力異常則需要考察其他地區(qū)土壤濕度的異常狀況。因此,本文進(jìn)一步分析了其他區(qū)域土壤濕度的貢獻(xiàn)。

圖9為春季華南土壤濕度異常指數(shù)與春季中國土壤濕度和夏季中國土壤濕度的相關(guān)分布。Ism與春季華南土壤濕度呈正相關(guān),與長江中下游地區(qū)和華北地區(qū)春季土壤濕度呈負(fù)相關(guān)(圖9a);Ism與夏季華南土壤濕度呈正相關(guān),與夏季長江中下游地區(qū)和華北東部地區(qū)的土壤濕度呈負(fù)相關(guān)(圖9b),可見春季華南土壤濕度與春季和夏季華北到長江中下游地區(qū)土壤濕度之間有著反位相的變化關(guān)系。

圖10給出春季華南區(qū)域(110～117°E,22.5～25°N)平均土壤濕度與春季華北到長江中下游地區(qū)(110～120°E,30～40°N)區(qū)域平均土壤濕度標(biāo)準(zhǔn)化的時(shí)間序列。春季華南土壤濕度與春季華北到長江中下游土壤濕度呈負(fù)相關(guān),兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.38,通過了98%的顯著性檢驗(yàn)。為了進(jìn)一步考察春季華南土壤濕度與春季華北到長江中下游土壤濕度是否有著反相位的變化關(guān)系,統(tǒng)計(jì)了1958—2001年共44a的春季華南、華北到長江中下游區(qū)域土壤濕度的對應(yīng)關(guān)系,兩者呈反相位的年數(shù)為29a,呈正相位的年數(shù)為15a,可見兩者南北反相位的關(guān)系是可信的。由此可知,春季華南土壤濕度與春季華北到長江中下游地區(qū)土壤濕度有負(fù)相關(guān)的關(guān)系,兩者異常的共同作用導(dǎo)致南北熱力差異的異常,改變了地表熱狀況,從而改變了陸氣間能量交換。

圖9 春季華南土壤濕度與春季(a)和夏季(b)中國土壤濕度相關(guān)的空間分布(陰影區(qū)為通過95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.9 Correlations of Ismwith(a)spring and(b)summer soil moisture over China(Shaded areas show correlation coefficients at the0.05significance level)

圖10 春季華南土壤濕度(虛線)與春季華北到長江中下游區(qū)域土壤濕度(實(shí)線)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列Fig.10 The t im e series of the standardized spring soil moisture in South China(dashed line with circle sign)and in North China to the middle-lower reaches of Yangtze River(solid line)

4.4 討論

春季華南土壤偏干年份,長江及以北區(qū)域的土壤濕度通常偏濕,在中國東部形成了“南干北濕”的異常分布,這種異常會(huì)導(dǎo)致南部區(qū)域的地表增溫迅速,而北部地表溫度異常偏低,形成地表溫度“南高北低”的異常分布,并通過地表對大氣加熱的變化,引起大氣的異常,最終引起夏季降水的異常;以下給出春季華南土壤濕度異常影響中國夏季降水可能機(jī)制的示意圖(圖11)。

圖11 春季華南土壤濕度異常影響中國夏季降水的可能機(jī)制Fig.11 Possible linkage between spring soil moisture anomaly over South China and summer rainfall in China

5 結(jié)論

(1)春季華南土壤濕度與夏季華南降水呈正相關(guān),與夏季長江中下游降水呈負(fù)相關(guān)。春季華南土壤濕度負(fù)異常年華南旱、長江中下游澇;正異常年長江中下游旱、華南澇。

(2)春季華南土壤濕度負(fù)異常年西太平洋副高發(fā)展西伸,華南地區(qū)對應(yīng)異常的下沉運(yùn)動(dòng)、水汽通量輻散,使得該地區(qū)降水偏少,而長江中下游地區(qū)對應(yīng)異常的上升運(yùn)動(dòng)、水汽通量輻合,降水偏多;正異常年相反。

(3)春季華南土壤濕度負(fù)異常年,地表溫度偏低會(huì)減少地表向大氣輸送的熱量,中國東部整體低層大氣與正異常年相比其獲得的熱量偏少;正異常年則相反。

(4)春季華南土壤濕度與春季華北到長江中下游區(qū)域土壤濕度呈負(fù)相關(guān),華南土壤濕度負(fù)(正)異常年,兩者的異常會(huì)導(dǎo)致南部區(qū)域的地表增溫迅速(緩慢),而北部地表溫度異常偏低(偏高),并通過地表對大氣加熱的變化,引起大氣的異常,最終引起夏季降水的異常。

本文的研究仍存在一些不足,分析資料采用的是土壤濕度代用資料,即ERA40土壤濕度再分析資料,該資料與觀測資料相比仍存在一定的偏差,還需進(jìn)一步證實(shí)此套資料的代表性;本文的結(jié)果是通過對資料的診斷分析得到的,仍需用數(shù)值試驗(yàn)來加以驗(yàn)證。

[1] Nam ias J.Persistence of m id tropospheric circulations between adjacent months and seasons[C]//Rossby M emorial Volume.Oxford:Oxford Rockefeller Institute Press and Oxford University Press,1958:240-248.

[2] Namias J.Surface-atmosphere interactions as fundamental causes of droughts and other climatic fluctuations[C]//A rid Zone Research,V20:Changes of Climate Procof Rome Symp,UNESCO,75700Paris,France.1963:345-359.

[3] Chahine TM.The hydrological cycle and its influence on climate[J].Nature,1992,359:373-380.

[4] Walker J,Rowntree P R.The effect of soil moisture on circulation and rainfall in a tropical model[J].Quart J Roy Meteor Soc,1977,103(435):29-46.

[5] Shukla J,Mintz Y.Influence of land-surface evapo-transpiration on the earth's climate[J].Science,1982,215:1498-1501.

[6] Rowntree P R,Bolton J R.Simulation of the atmospheric response to soil moisture anomalies over Europe[J].Quart J Roy Meteor Soc,1983,109(461):501-526.

[7] Yeh T C,Wetherald R T,Manabe S.The effect of soil moisture on the short-term climate and hydrology change——A numerical experiment[J].M on W ea Rev,1984,112(3):474-490.

[8] Koster R D,Suarez M J,HeiserM.Variability and predictability of precipitation at seasonal tointerannual timescales[J].J Hydro meteorol,2000,1(1):26-46.

[9] D irmeyer P A.The land surface contribution to the potential predictability of boreal summer season climate[J].J Hydro meteorology,2005,6(5):618-632.

[10] Conil S,Douville H,Tyteca S.The relative influence of soil moisture and SST in climate predictability explored within ensembles of AM IP type experiments[J].Climate Dynamics,2007,28(2/3):125-145.

[11] Smith C B,Lakhtakia M N,Capehart W J,et al.Initialization of soil-water content in regional-scale atmospheric prediction models[J].Bull Amer Meteorol Soc,1994,75(4):585-593.

[12] Douville H.Relevance of soil moisture for seasonal atmospheric predictions:Is it an initial value problem[J].Climate Dynamics,2004,22(4):429-446.

[13] Koster R,Suarez M,Liu P,et al.Realistic initialization of land surface states:Impacts on subseasonal forecast skill[J].J Hydro meteorol,2004,5(6):1049-1063.

[14] Dirmeyer P A.Using a global soil wetness data set to improve seasonal climate simulation[J].J Climate,2000,13(16):2900-2922.

[15] Douville H,Chauvin F.Relevance of soil moisture for seasonal climate predictions:A preliminary study[J].Climate Dynamics,2000,16(10/11):719-736.

[16] 馬柱國,魏和林,符淙斌.土壤濕度與氣候變化關(guān)系的研究進(jìn)展與展望[J].地球科學(xué)進(jìn)展,1999,14(3):299-305.

[17] 馬柱國,魏和林,符淙斌.中國東部區(qū)域土壤濕度的變化及其與氣候變率的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào),2000,8(3):278-287.

[18] 王萬秋.土壤溫濕異常對短期氣候影響的數(shù)值模擬試驗(yàn)[J].大氣科學(xué),1991,5(5):115-123.

[19] 劉永強(qiáng),葉篤正,季勁鈞.土壤濕度和植被對氣候的影響——II.短期氣候異常持續(xù)性的數(shù)值試驗(yàn)[J].中國科學(xué)B輯,1992,22(5):554-560.

[20] 劉永強(qiáng),葉篤正,季勁鈞.土壤濕度和植被對氣候的影響——I.短期氣候異常持續(xù)性的理論分析[J].中國科學(xué)B輯,1992,22(4):441-448.

[21] 李巧萍,丁一匯,董文杰.土壤濕度異常對區(qū)域短期氣候影響的數(shù)值模擬試驗(yàn)[J].氣象學(xué)報(bào),2007,18(1):1-11.

[22] 張耀存,錢永甫.土壤類型變化對區(qū)域氣候影響的數(shù)值試驗(yàn)[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1995,18(4):465-470.

[23] 蘭紅平,李愛武.我國北方地區(qū)土壤增濕效應(yīng)的數(shù)值研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1996,19(1):18-23.

[24] 王會(huì)軍.試論短期氣候預(yù)測的不確定性[J].氣候與環(huán)境研究,1997,2(4):333-338.

[25] 陳斌,丁裕國,劉晶淼.土壤濕度的一種統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型初步試驗(yàn)[J].氣象科學(xué),2005,25(3):231-237.

[26] 郭維棟,馬柱國,王會(huì)軍.土壤濕度——一個(gè)跨季度降水預(yù)測中的重要因子及其應(yīng)用探討[J].氣候與環(huán)境研究,2007,12(1):20-28.

[27] 胡婭敏,丁一匯,廖菲.土壤濕度資料同化對中國東部夏季區(qū)域氣候模擬的改進(jìn)[J].科學(xué)通報(bào),2007,54(16):2388-2394.

[28] 蘇明峰,王會(huì)軍.全球變暖背景下中國夏季表面氣溫與土壤濕度的年代際共變率[J].科學(xué)通報(bào),2007,52(8):965-971.

[29] 張文君,周天軍,宇如聰.中國土壤濕度的分布與變化I.多種資料間的比較[J].大氣科學(xué),2008,32(3):581-597.

[30] 張文君,宇如聰,周天軍.中國土壤濕度的分布與變化II.耦合模式模擬結(jié)果評估[J].大氣科學(xué),2008,32(5):1128-1146.

[31] Nie S,Luo Y,Zhu J.Trends and scales of observed soil moisture variations in China[J].Adv Atmos Sci,2008,25(1):43-58.

[32] 黃艷,丁裕國.東北地區(qū)夏季土壤濕度垂直結(jié)構(gòu)的時(shí)空分布特征[J].氣象科學(xué),2007,27(3):256-265.

[33] 王曉婷,郭維棟,鐘中,等.中國東部土壤溫度、濕度變化的長期趨勢及其與氣候背景的聯(lián)系[J].地球科學(xué)進(jìn)展,2009,24(2):181-191.

[34] 孫丞虎,李維京,張祖強(qiáng),等.淮河流域土壤濕度異常的時(shí)空分布特征及其與氣候異常關(guān)系的初步研究[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2005,16(2):129-138.

[35] 左志燕,張人禾.中國東部夏季降水與春季土壤濕度的聯(lián)系[J].科學(xué)通報(bào),2007,52(14):1722-1724.

[36] 左志燕,張人禾.中國東部春季土壤濕度的時(shí)空變化特征[J].中國科學(xué)D輯:地球科學(xué),2008,38(11):1428-1437.

[37] Yasunari T.Role of land-atmosphere interaction on Asian monsoon climate[J].J Meteor Soc Japan,2007,85B:55-75.

[38] Kim J E,Hong S Y.Impact of soil moisture anomalies on summer rainfall over East Asia:Aregional climate model study[J].J Climate,2007,20(23):5732-5743.

[39] Webster P J.Mechanisms of monsoon low-frequency variability surface hydrological effects[J].J Atmos Sci,1983,40(9):2110-2114.

[40] Meehl G A.Influence of the land surface in the summer monsoon:External conditions versus internal feedback[J].J Climate,1994,7(7):1033-1049

[41] Yang S,Lau K M.Influence of sea surface temperature and ground wetness on Asian summer monsoon[J].J Climate,1998,11(12):3230-3246.

[42] Uppala S M,Coauthors.The ERA-40re-analysis[J].Quart J Roy M eteor Soc,2005,131(612):2961-3012.

[43] Sellers P J,D ickinson R E,RandallD A,et al.modeling the exchange of energy water and carbon between continents and the atmosphere[J].Science,1997,275(5299):502-509.

[44] 游性恬,熊廷南,Yasunari T,等.春季亞洲地面濕度異常對月、季氣候影響的模擬研究[J].大氣科學(xué),2000,24(5):660-668.

Possible Linkage between Spring Soil Moisture Anomalies over South Ch ina and Summer Rainfall in China

LIANG Le-ning,CHEN Hai-shan

(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,NUIST,Nanjing 210044,China)

Based on the 1958—2001 ERA40 reanalysis soil moisture data and precipitation data of 541 stations in China,the possible linkage be tween the spring soil moisture anomaly in South China(Ism)and summer precipitation in China as well as its possible physical processes are investigated.Results show that the spring soil moisture anomaly bears a positive(negative)correlation with summer precipitation in South China,and more(less)precipitation does in the Yangtze River basin and regions to its north).Less(more)precipitation happens in South China(the Yangtze River Basin and regions to its north when spring soil moisture in South China is less(more).By diagnosis on the basic features of the atmospheric general circulation related to spring soil moisture anomalies,it is found that the West Pacific subtropic high(WPSH) moves westward in negativeIsmyears,and the abnormal descending and the water vapor flux divergence are found in South China,which result in less summer rainfall in this region.However,the abnormal ascending and the water vapor flux convergence are found in the Yangtze River basin,which lead to more summer rainfall in this region.Contrary is the case in positiveIsmyears.Further investigation sug-gests that the soil moisture anomaly in South China is negatively correlated with that in the middle and lower reaches of the Yangtze River and regions north to it.The negative(positive)anomalies of soil moisture in South China and the positive(negative)anomalies of soil moisture in the middle and lower reaches of the Yangtze River and regions north to it can result in the abnormal increase(decrease)of surface temperature in southern region,but the abnormal decrease(increase)in northern region,which will cause the anomalies of summer atmospheric general circulation and precipitation by changing the surface heating to the atmosphere.

soil moisture;summer precipitation;land surface process;land-air interaction

P461.4

A

1674-7097(2010)05-0536-11

2010-04-09;改回日期:2010-06-24

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41075082;40905045);江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”資助項(xiàng)目

梁樂寧(1984—),男,內(nèi)蒙古包頭人,碩士,研究方向?yàn)殛憵庀嗷プ饔?lianglening1984@hotmail.com;陳海山(通信作者),博士,教授,博士生導(dǎo)師,haishan@nuist.edu.cn.

梁樂寧,陳海山.春季華南土壤濕度異常與中國夏季降水的可能聯(lián)系[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),2010,33(5):536-546.LiangLe-ning,Chen Hai-shan.Possible linkage between spring soil moisture anomalies over South China and summer rainfall in China[J].Trans Atmos Sci,2010,33(5):536-546.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)