土壤湿度变化对全球陆-气耦合热点地区近地层温度影响的研究

摘要

土壤湿度-温度耦合过程是地球气候系统中重要的物理过程，在不同时间和空间尺度上影响着气候系统中的其他物理过程。目前存在的诊断土壤湿度-温度耦合强度的指数较多，对于深入理解全球土壤湿度-温度耦合热点地区仍存在较大分歧。此外，土壤湿度季节内、年际变化和长期变化趋势对于耦合热点地区近地层温度的具有显著影响。基于此，本文利用观测资料、ERA-Interim/Land 和MERRA-2/Land 再分析资料以及 GLACE-CMIP5计划模拟结果，对比分析不同耦合指数计算的全球土壤湿度-温度耦合热点地区的空间分布，并进一步分析了耦合强度在未来的变化趋势。在此基础上，探讨了土壤湿度年际变率与长期变化趋势对耦合热点地区历史时期和未来时期近地层温度的影响。本文主要得到以下结论：　　（1）基于各套资料和不同指数计算的全球土壤湿度-温度耦合热点的空间分布较为一致。与前人研究结果类似，全球耦合热点地区主要分布在北美中南部、非洲萨赫勒、非洲南部、印度半岛，南半球主要分布在非洲南部和澳大利亚北部等干-湿气候带过渡带和季风区。GLACE-CMIP5 各耦合模式模拟的耦合热点的空间分布较一致，但具体强度则表现出显著差异。未来土壤湿度的变化趋势能够显著影响土壤湿度-温度耦合强度。北美中南部、非洲萨赫勒地区，伴随着土壤湿度的干旱化趋势，这些地区的耦合强度会进一步增强。在印度半岛和南美东北部，由于未来土壤湿度变化趋势不显著或呈湿润化趋势，这些地区耦合强度表现为减弱的趋势。　　（2）土壤湿度年际变率不仅会导致近地层温度平均值和变率显著增加，还会影响近地层温度概率密度分布的形状，会造成温度概率密度分布由准高斯分布向正偏态分布改变。土壤湿度变率会造成耦合热点地区近地层温度的均值增加1-1.5 K，标准差增加0.5 K以及偏度增加0.2-0. 3左右。土壤湿度年际变率对耦合热点地区年际尺度温度变率的影响要显著高于天气尺度温度，会导致这些地区年际尺度标准差变化0.4-0.5K，对天气尺度温度变率的影响仅为0.1K 左右。近地层温度对土壤湿度变率具有显著的非对称响应，即最高温度对土壤湿度变化的响应最敏感、平均温度次之而最低温度的响应最弱。在耦合热点地区，土壤湿度变率造成的潜热通量变化一个标准差分别会导致最高温度变化0.110 K，平均温度变化0.090 K，以及最低温度变化0.050 K。　　（3）土壤湿度长期变化趋势对未来全球陆地近增温具有贡献作用。未来在RCP8.5 排放情景下，土壤湿度长期变化趋势对全球陆地、非洲萨赫勒、印度半岛、南美东北部及北美中南部平均温度的贡献率分别为：17.09%、0.92%、4.14%、20.22% 和 23.15%。未来近地层温度变化对土壤湿度长期变化趋势仍存在非对称响应，尤其在耦合热点地区，最高温度对土壤湿度长期变化趋势响应最敏感、其次为平均温度、最低温度对土壤湿度变化趋势效应最弱。土壤湿度长期变化趋势对全球陆地平均、非洲萨赫勒、印度半岛、南美东北部及北美中南部等地区最高温度增温的贡献率分别为 15.60%、5.08%、11.56%、25.05%以及 23.01%；对上述地区最低温度增温的贡献分别为：10.01%、2.52%、9.20%、12.29% 及14.06%。　　（4）土壤湿度变化对近地层温度的影响主要通过直接效应和间接效应的共同作用造成。当考虑土壤湿度变化时，耦合热点地区地表蒸散发主要受到土壤约束，地表吸收的净辐射更多地向感热通量分配，相应的潜热通量降低，从而会直接造成近地层温度的升高。当土壤湿度变化受到抑制后，地表蒸散发主要受地表净辐射控制，从而造成近地层温度平均值以及变率的变化较小。除直接效应外，由于潜热通量减少及感热通量增加造成的总云量减少，进而会导致地表净短波辐射增加以及净长波辐射减少造成的间接效应也会影响近地层温度的变化。总体而言，土壤湿度对近地层温度的影响以直接效应为主，间接效应的贡献相对较小。

目录

第一个书签之前