JGR-A：青藏高原土壤湿度与午后降水在时间和空间上均主要为正耦合关系

作者：昝蓓蕾魏江峰发布时间：2024-06-03 浏览量：10

土壤湿度通过改变陆-气之间的水、热交换以及大气边界层过程影响局地降水。土壤湿度对降水的反馈会加强或者抑制降水的频率和强度，加剧洪水或者干旱等灾害性天气，是国际气候研究长期关注的前沿科学问题。土壤变湿通常导致地表潜热通量增加，抬升凝结高度降低，有利于降水发生。但与此同时，土壤变湿也会导致感热通量减少，使得边界层发展受到抑制，限制了对流和降水的发生。最新全球尺度卫星观测表明，土壤湿度与降水的时间和空间耦合关系及相关物理机制存在很大不确定性，这使得不同地区的正负耦合信号还存在很大争议（图1）。

图1. 土壤湿度与降水时空正负耦合的示意图

青藏高原是亚洲多条大河的源头，降水对维持该地区的水资源具有重要作用。高原暖季降水对地表过程的变化有着较强的敏感性，但该地区土壤湿度与降水的耦合关系还存在较大的不确定性。近期，陆气相互作用团队魏江峰教授研究组昝蓓蕾博士（第一作者）及合作者探究了青藏高原夏季土壤湿度与降水的时空耦合关系及相关的局地陆气反馈过程。

1. 土壤湿度与午后降水时空耦合的观测

研究利用基于分位数的土壤湿度时间和空间异常指标，确定高原夏季午后降水事件在时间和空间维度上对于早晨土壤湿度的偏好。最新的卫星（GPM卫星降水数据，SMAP和ASCAT卫星的土壤湿度产品）和ERA5再分析数据均表明高原大部分区域土壤湿度与午后降水在时间维度上是正耦合关系，即午后降水倾向于发生在时间（相比于气候态）偏湿的土壤上（图2）。卫星和ERA5数据同样表明土壤湿度与午后降水在空间维度上也主要是正耦合关系，即午后降水倾向于发生在空间（相比于周围）偏湿的土壤上（图3）。但是空间正耦合关系的区域面积远小于时间正耦合关系的区域面积，这可能是由于空间耦合对地表风速比较敏感。此外，卫星观测表明高原大部分土壤湿度与午后降水的时间耦合与空间耦合存在显著正相关，即时间上正（负）耦合的事件通常在空间上也存在正（负）耦合。ERA5在高原西部与卫星结果一致，但在高原东部存在负相关，表明时间和空间耦合的依赖性较弱。

图2. 青藏高原夏季土壤湿度与降水在时间维度的耦合关系(a, c, e)。蓝色表示正耦合，红色表示负耦合，灰色表示耦合关系不显著，其中饼图表示各自的比例。图b、d和f显示了整个高原上控制样本中土壤湿度时间异常的频率(红线)和事件样本与控制样本的频率差(蓝色直方图)。(a、b)为GPM降水+SMAP土壤湿度，(c、d)为GPM降水+ASCAT土壤湿度，(e、f)为ERA5的降水和土壤湿度

图3. 青藏高原夏季土壤湿度与降水在空间维度的耦合关系(a, c, e)。蓝色表示正耦合，红色表示负耦合，灰色表示耦合关系不显著，其中饼图表示各自的比例。图b、d和f显示了整个高原上控制样本中土壤湿度时间异常的频率(红线)和事件样本与控制样本的频率差(蓝色直方图)。(a、b)为GPM降水+SMAP土壤湿度，(c、d)为GPM降水+ASCAT土壤湿度，(e、f)为ERA5的降水和土壤湿度

2. 土壤湿度与午后降水时空耦合的机理

在时间维度上，偏湿的土壤伴随着地表净太阳辐射减弱（图4a），因为总云量的正异常和地表向下太阳辐射的负异常抵消了湿土壤驱动的反照率的负异常。减少的净辐射导致地表感热通量减弱，而土壤湿度正异常导致潜热通量增强（图4b，c），特别是在高原中西部。边界层高度呈现整体的负异常，与感热通量的负异常一致（图4d）。由于增加的潜热通量对边界层的增湿作用，抬升凝结高度也为负异常（图4e）。总体来看，抬升凝结高度亏缺（即抬升凝结高度减边界层高度）的负异常表明大气环境有利于午后降水的发生（图4f）。

图4. 基于ERA5的地表通量和边界层诊断量在时间维度的异常。（a）地表净太阳辐射，（b）感热通量，（c）潜热通量，（d）边界层高度，（e）抬升凝结高度和（f）抬升凝结高度亏缺（即抬升凝结高度减边界层高度）

在空间维度上，偏湿的土壤降低了地表反照率，使得地表净太阳辐射相比周围土壤有所增强（图5a）。这导致了少数区域的感热通量和大部分区域的潜热通量增强 (图5b，c)。对应的边界层高度有所增加，而抬升凝结高度降低（图5d，e）。因此，抬升凝结高度亏缺的空间异常为负（图5f），有利于对流触发和降水。

图5. 基于ERA5的地表通量和边界层诊断量在空间维度的异常。（a）地表净太阳辐射，（b）感热通量，（c）潜热通量，（d）边界层高度，（e）抬升凝结高度和（f）抬升凝结高度亏缺（即抬升凝结高度减边界层高度）

研究有助于加深对青藏高原土壤湿度与降水耦合机制的认识和理解，对提高降水预报及区域水资源管理能力具有指导意义。相关研究成果发表于《Journal of Geophysical Research-Atmospheres》，得到国家自然科学基金青年项目（42105023）的资助。