土壤濕度對東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性影響的數(shù)值模擬

李忠賢，陳海山，倪東鴻，曾剛

(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)

土壤濕度對東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性影響的數(shù)值模擬

李忠賢，陳海山，倪東鴻，曾剛

(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)

利用全球大氣環(huán)流模式NCAR CAM3進(jìn)行了在給定的觀測海溫條件下的22 a(1979—2000年)5—8月的2組集合試驗(yàn)。運(yùn)用方差分析方法，分析了在氣候態(tài)和年際變化的表層土壤濕度情況下，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性及其差異。結(jié)果表明:在給定的觀測海溫條件下，采用氣候態(tài)的土壤濕度時(shí)，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候的潛在可預(yù)報(bào)性偏低;而采用年際變化的土壤濕度時(shí)，模擬的夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性有所提高，尤其是在中國西北地區(qū);后者模擬的中國西北地區(qū)夏季降水和氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性比前者的模擬結(jié)果提高0.1以上。其原因可能是:采用年際變化的土壤濕度時(shí)，模式可以更好地模擬出中國西北地區(qū)的地表蒸發(fā)量和湍流熱通量的年際變化，進(jìn)而使得模式對該地區(qū)夏季氣候的預(yù)報(bào)技巧得到提高。

潛在可預(yù)報(bào)性;夏季氣候;土壤濕度;數(shù)值模擬

Abstract:Two ensemble simulations for 22 boreal－summer seasons(1979—2000)are conducted by the Community Atmosphere Model version 3(CAM3)with the specified observed sea surface temperature (SST).Impacts of surface soil moisture(SSM)on the simulation of potential predictability of East Asian summer climate are investigated by the model with interannually varying SSM(ISSM)and climatological SSM(CSSM)，respectively，based on the variance analysis method.Results show that，under the specified observed SST，the potential predictability of East Asian summer climate simulated by the CAM3 with ISSM is better than that with CSSM over East Asia，especially over Northwest China.The potential predictability of summer precipitation and air temperature over Northwest China from ISSM simulations is 0.1 higher than that from CSSM simulations.A possible mechanism of influence of soil moisture on potential predictability of summer climate in Northwest China is proposed.The interannual variability of ground evaporation and surface turbulent heat flux can be simulated by CAM3 with ISSM better than with CSSM in Northwest China，leading to the model forecast skill of the summer climate improved by the model with ISSM.

Key words:potential predictability;summer climate;surface soil moisture;numerical simulation

0 引言

中國地處東亞季風(fēng)區(qū)，受東亞季風(fēng)年際變化影響，氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生頻率較高，旱、澇災(zāi)害極大地影響國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展，對月、季時(shí)間尺度旱、澇氣候，尤其是汛期旱、澇趨勢的預(yù)測是中國氣象學(xué)家的一項(xiàng)重要課題(丑紀(jì)范和徐明，2001)。研究氣候年際變化的規(guī)律和可預(yù)測性對預(yù)測短期氣候變化具有重要意義，這也是國際CLIVAR計(jì)劃(氣候變率及可預(yù)測性計(jì)劃)的目標(biāo)。影響氣候年際變化的因子非常多，如海溫、積雪、土壤溫度和濕度以及極地冰雪等。因此，研究氣候模式對東亞氣候年際變率的可預(yù)報(bào)性(或預(yù)測能力)是非常重要的(王會軍等，1997)。

近幾十年來，人們認(rèn)識到大氣、海洋、陸地及冰雪圈是一個(gè)完整而不可分割的氣候系統(tǒng)。海溫異常通常被認(rèn)為是最主要的大氣下邊界強(qiáng)迫(Shukla，1981)，因此，許多學(xué)者(Yang et al.，1998;Lang and Wang，2005;施洪波等，2008;Zhou et al.，2009;Zhou and Zou，2010)利用氣候模式研究了海溫年際變化對大氣環(huán)流和氣候年際變率及可預(yù)報(bào)性的影響。

陸地表面是氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要下邊界，陸地面積約占地球表面的1/3，陸面與大氣發(fā)生復(fù)雜的相互作用，陸地表面可以通過能量、水分和動(dòng)量的交換在全球和區(qū)域尺度上對氣候產(chǎn)生強(qiáng)迫(Pielke and Avissar，1990)。近年來，陸面過程及其與氣候的相互作用引起了人類社會的普遍關(guān)注，并逐漸成為了一個(gè)重要的科學(xué)研究領(lǐng)域(陳海山和孫照渤，2002)。土壤和大氣之間的反饋過程在氣候系統(tǒng)中非常重要，在副熱帶地區(qū)土壤的作用甚至可與熱帶地區(qū)的海洋相比(Shukla and Mintz，1982)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，就全球陸地而言，65%的降水來自于地表面的蒸發(fā)，而僅有35%來自于海洋的水平輸送(Chahine，1992)。因此，土壤濕度是除海溫外影響氣候預(yù)測的另一重要因子(Dirmeyer，2000;Koster et al.，2004a)。

Namias(1958，1963)研究發(fā)現(xiàn)，土壤濕度的季節(jié)性異常對大氣的季節(jié)變化有重要作用。Rowntree and Bolton(1983)通過敏感性試驗(yàn)指出，干土壤可使未來氣溫升高、降水減少，濕土壤可使氣溫降低、降水持續(xù)。Yeh et al.(1984)用GFDL的GCM研究了灌溉后土壤對氣候的影響，并指出，增加土壤含水量將使降水增加、氣溫降低。林朝暉等(2001)研究指出，模式對土壤含水量初值的敏感性有較明顯的季節(jié)差異，相對而言，在晚春和夏季較強(qiáng)，而在秋季明顯減弱。Douville(2004)研究認(rèn)為，模式大氣的潛在可預(yù)報(bào)性對土壤濕度的初始場是非常敏感的。王萬秋(1991)研究認(rèn)為，固定的土壤溫度異常和土壤濕度的初始異常對短期氣候有明顯影響，土壤溫度的影響主要在異常區(qū)內(nèi)及其南部相鄰區(qū)域，而土壤濕度異常的影響則可以以長波波列形式向外傳播到很遠(yuǎn)距離處。馬柱國等(2000)指出，土壤濕度與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈反相關(guān)，且不同深度不同區(qū)域有顯著差異。張文君等(2008)研究認(rèn)為，前期降水會增加土壤濕度，但土壤濕度異常對后期降水的影響則不顯著。戴長勇和左志燕(2010)研究認(rèn)為，黃河以南地區(qū)上年冬季土壤濕度與夏季降水存在正的相關(guān)關(guān)系。梁樂寧和陳海山(2010)基于ERA40的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。利用第一次全球土壤濕度計(jì)劃(GSWP)資料，Dirmeyer(2005)研究認(rèn)為，土壤濕度與降水的可預(yù)報(bào)性有一定的聯(lián)系。許多研究(Douville and Chauvin，2000;Koster et al.，2000，2004b;Kanae et al.，2006)指出，土壤濕度異常對半干旱區(qū)的短期氣候可預(yù)報(bào)性影響明顯，使用真實(shí)的土壤濕度資料有利于提高半干旱地區(qū)的短期氣候潛在可預(yù)報(bào)性。Conil et al. (2007)利用耦合了陸面過程的氣候模式，分析土壤濕度異常對短期氣候變率及可預(yù)報(bào)性的影響，結(jié)果表明，土壤濕度異常產(chǎn)生的外部變率在北半球夏季較為重要。

綜上所述，土壤濕度異常對短期氣候變化具有重要影響。許多學(xué)者利用數(shù)值模式研究了土壤濕度初始場和年際異常對氣候的影響，也有一些學(xué)者利用觀測資料分析了土壤濕度異常與東亞夏季氣候的聯(lián)系，而有關(guān)土壤濕度對東亞夏季氣候可預(yù)報(bào)性影響的工作還不多見。本文主要利用全球大氣環(huán)流模式NCAR CAM3進(jìn)行2組集合試驗(yàn)，運(yùn)用方差分析等方法初步探討土壤濕度對東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法

1.1 資料

本文采用的資料有:1)NCEP/NCAR再分析大氣資料(Kalnay et al.，1996)，包括1979—2000年的每年5月1日00:00、2日00:00、…、8日00:00的大氣風(fēng)場、相對濕度、高度場、氣溫場、地面溫度場和地面氣壓場以及1979—2000年每6 h 1次的表層(0～10 cm)土壤濕度。2)歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心再分析資料(ERA－40;Uppala et al.，2005)，包括1979年1月—2000年12月逐月500 hPa位勢高度場以及地表蒸發(fā)量、感熱和潛熱通量場。其中，NCEP/ NCAR再分析資料用于CAM3模式集合試驗(yàn)的大氣初始場和強(qiáng)迫場，ERA－40再分析資料作為觀測資料，用于同模式模擬結(jié)果的對比分析。

1.2 模式和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

CAM3模式是NCAR開發(fā)的第6代全球大氣環(huán)流模式，是在CCM0、CCM1、CCM2、CCM3、CAM2的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，該模式包含了公共陸面模式(CLM3)、薄層海洋模式(slab ocean model)和熱力動(dòng)力海冰模式(Collins et al.，2004;Hurrell et al.，2006)。NCAR CAM3大氣環(huán)流模式已在東亞夏季大氣環(huán)流和氣候的年際、年代際變率模擬方面等得到廣泛的應(yīng)用(曾剛等，2007;李忠賢等，2009，2011)。

利用大氣環(huán)流模式NCAR CAM3進(jìn)行2組1979—2000年5—8月的集合試驗(yàn)，每年分別有8個(gè)集合成員。在1979—2000年的每年夏季(6—8月)前的1個(gè)月(5月)用8個(gè)初始場(即5月1日00:00、2日00:00、…、8日00:00)進(jìn)行積分(即積分時(shí)分別取5月1—8日00:00的NCEP/NCAR再分析大氣資料作為初值，8個(gè)初值積分的結(jié)果作為1個(gè)集合)，積分時(shí)間為4個(gè)月，海溫資料為CAM3模式攜帶的1979—2000年逐月的觀測海溫資料，該資料是HadISST OI數(shù)據(jù)和Smith/Reynolds數(shù)據(jù)的結(jié)合。2組集合試驗(yàn)中每一時(shí)步的表層土壤濕度資料分別為氣候態(tài)和年際變化的資料，具體為:第一組集合試驗(yàn)(簡稱ISSM試驗(yàn))采用年際變化的表層土壤濕度，該資料為1979—2000年每6 h 1次的NCEP/ NCAR再分析(Kalnay et al.，1996)表層(0～10 cm)土壤濕度，將該資料插值到模式網(wǎng)格點(diǎn)的每一時(shí)步上;第二組集合試驗(yàn)(簡稱CSSM試驗(yàn))采用氣候態(tài)的表層土壤濕度，該資料為1979—2000年平均的氣候態(tài)的表層土壤濕度，將該資料插值到模式網(wǎng)格點(diǎn)的每一時(shí)步上。

利用上述2組集合試驗(yàn)?zāi)Ｊ捷敵龅闹鹪缕骄鶜庀笠貓?，采用方差分析等方法分析ISSM試驗(yàn)和CSSM試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M的東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性及其差異。

1.3 方差分析方法

氣候變量的年際變率是由外部強(qiáng)迫和天氣振蕩引起的，其中外部強(qiáng)迫產(chǎn)生的年際變率是可預(yù)報(bào)的，或稱為潛在可預(yù)報(bào)性的，而天氣振蕩引起的變率在氣候預(yù)測的時(shí)間尺度上是不可預(yù)測的。變率的強(qiáng)度用方差表示，由外部強(qiáng)迫和天氣振蕩引起的方差分別稱為信號(外部)方差和噪音(內(nèi)部)方差(趙曉川等，2008)。外強(qiáng)迫(海溫、土壤濕度等)產(chǎn)生的夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性可以通過計(jì)算外部方差和總方差的比值來估算(Yang et al.，1998)，具體方法如下:

在某一格點(diǎn)上，假定φi，j是某一氣象要素(氣溫、降水等)第i個(gè)積分、第j年的夏季平均值，分別計(jì)算樣本總體平均值，以及第j年的集合平均值，其中＜φ＞j隨年份不同而變化。定義

為外部方差，即由海溫和土壤濕度等外強(qiáng)迫引起的年際變率;定義

為內(nèi)部方差，即由大氣內(nèi)部動(dòng)力原因引起的自然變率，它反映了單個(gè)積分成員之間的離散度。二者之和被稱作總方差，

其中:M為初始場的個(gè)數(shù)(M=8);N為積分的年數(shù)(N=22)。外部方差與總方差之比被記作R，作為模式大氣潛在可預(yù)報(bào)性的指標(biāo)。它反映了外強(qiáng)迫引起的外部方差在變量總方差中所占的比例。R越大，說明外強(qiáng)迫對氣候變量的影響越大，當(dāng)R＞0.5時(shí)，說明外強(qiáng)迫的作用超過了大氣內(nèi)部動(dòng)力學(xué)原因的作用，外強(qiáng)迫對氣候變量具有較大的潛在可預(yù)報(bào)能力。

為了分析外強(qiáng)迫產(chǎn)生的夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化，對特定年份(第j年)外部方差與內(nèi)部方差，可由下式(Shukla and Gutzler，1983;Quan et al.，2004)計(jì)算:

第j年的模式潛在可預(yù)報(bào)性可表示為

2 東亞夏季氣溫和降水的潛在可預(yù)報(bào)性

圖1和圖2分別給出了2組集合試驗(yàn)CAM3模式模擬的東亞夏季降水和2 m氣溫潛在可預(yù)報(bào)性的空間分布?？梢姡?組集合試驗(yàn)?zāi)Ｊ侥M的東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性較低，基本都在0.5以下，這表明大氣環(huán)流模式對東亞夏季氣候的模擬能力有較大的局限性。比較而言，采用年際變化的表層土壤濕度時(shí)，模式模擬的東亞夏季降水潛在可預(yù)報(bào)性要高于采用氣候態(tài)的表層土壤濕度時(shí)的模擬結(jié)果，尤其是在青藏高原和中國西北地區(qū)，可預(yù)報(bào)性可提高0.10左右(圖1c);而中國東部地區(qū)兩者差異不明顯，這可能與東部地區(qū)的氣候變化主要受海溫的影響有關(guān)。由圖2可見，表層土壤濕度對東亞夏季2 m氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性也有較大的影響，尤其是在東亞中緯度地區(qū)，ISSM試驗(yàn)?zāi)M上述地區(qū)2 m氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性比CSSM試驗(yàn)的模擬結(jié)果高出0.15左右(圖2c)。

圖1CSSM試驗(yàn)(a)和ISSM試驗(yàn)(b)模擬的東亞夏季降水的潛在可預(yù)報(bào)性，以及ISSM試驗(yàn)與CSSM試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的差值分布(c)Fig.1Potential predictability of East Asian summer precipitation from(a)CSSM simulations and(b) ISSM simulations，and(c)their differences(ISSM simulations minus CSSM simulations)

圖2CSSM試驗(yàn)(a)和ISSM試驗(yàn)(b)模擬的東亞夏季2 m氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性，以及ISSM試驗(yàn)與CSSM試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的差值分布(c)Fig.2Potential predictability of East Asian summer 2 m air temperature from(a)CSSM simulations and (b)ISSM simulations，and(c)their differences (ISSM simulations minus CSSM simulations)

圖3 和圖4分別為2組試驗(yàn)?zāi)M的夏季降水和2 m氣溫潛在可預(yù)報(bào)性差值沿20～55°N經(jīng)向平均的經(jīng)度—時(shí)間剖面?？梢姡?10°E以西地區(qū)，ISSM試驗(yàn)?zāi)M的各年份20～55°N平均夏季降水和氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性高于CSSM試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果0.05～0.15。由此可見，土壤濕度異常對東亞大陸110°E以西的夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性具有較重要影響;而110°E以東地區(qū)夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性的貢獻(xiàn)可能主要來自于海溫等，土壤濕度的貢獻(xiàn)并不明顯。

圖3ISSM試驗(yàn)與CSSM試驗(yàn)?zāi)M的1979—2000年夏季降水潛在可預(yù)報(bào)性差值沿20～55°N平均的經(jīng)度—時(shí)間剖面Fig.3Differences of the potential predictability of summer precipitation between ISSM simulations and CSSM simulations averaged over 20—55°N from 1979 to 2000

圖4ISSM試驗(yàn)與CSSM試驗(yàn)?zāi)M的1979—2000年夏季2 m氣溫潛在可預(yù)報(bào)性差值沿20～55°N平均的經(jīng)度—時(shí)間剖面Fig.4Differences of the potential predictability of summer 2 m air temperature between ISSM simulations and CSSM simulations averaged over 20—55°N from 1979 to 2000

圖5 和圖6分別為1979—2000年中國西北地區(qū)(80～100°E，36～42°N)夏季降水和氣溫潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化?？梢?，CAM3模式模擬的各年份西北地區(qū)降水和氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性基本較低。值得注意的是，在絕大多數(shù)年份，ISSM試驗(yàn)?zāi)M的西北地區(qū)夏季氣候的潛在可預(yù)報(bào)性明顯高于CSSM試驗(yàn)的模擬結(jié)果。其中，1990年ISSM試驗(yàn)?zāi)M的西北地區(qū)氣溫潛在可預(yù)報(bào)性甚至達(dá)到0.7左右，表現(xiàn)出較高的潛在預(yù)報(bào)技巧，而該年份CSSM試驗(yàn)的模擬結(jié)果低于0.1?？梢?，土壤濕度對中國西北地區(qū)夏季降水和氣溫的潛在可預(yù)報(bào)性具有較明顯的影響。

圖51979 —2000年中國西北地區(qū)夏季降水潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化(點(diǎn)線:CSSM模擬結(jié)果;實(shí)線:ISSM模擬結(jié)果)Fig.5Interannual variability of the potential predictability of summer precipitation in Northwest China from 1979 to 2000(The dotted and solid lines represent the results from CSSM simulations and ISSM simulations，respectively)

圖61979 —2000年中國西北地區(qū)夏季氣溫潛在可預(yù)報(bào)性的年際變化(點(diǎn)線:CSSM模擬結(jié)果;實(shí)線:ISSM模擬結(jié)果)Fig.6Interannual variability of the potential predictability of summer 2 m air temperature in Northwest China from 1979 to 2000(The dotted and solid lines represent the results from CSSM simulations and ISSM simulations，respectively)

3 西北地區(qū)地表蒸發(fā)量和湍流熱通量異常年際變化的模擬

由前述可知，在相同的海溫強(qiáng)迫條件下，采用年際變化的表層土壤濕度時(shí)，CAM3模式對中國西北地區(qū)夏季氣候的預(yù)報(bào)技巧得到了提高。馬柱國等(2001)研究指出，土壤濕度能夠通過改變地表向大氣輸送的感熱、潛熱通量等影響區(qū)域氣候。因此，地表蒸發(fā)量、感熱和潛熱通量可看作是聯(lián)系土壤濕度與氣候變化的重要中間環(huán)節(jié)。下面將分析CSSM試驗(yàn)和ISSM試驗(yàn)對西北地區(qū)地表蒸發(fā)量、感熱和潛熱通量的模擬情況。

圖7和圖8給出了中國西北地區(qū)夏季地表蒸發(fā)量和潛熱通量異常的年際變化?？梢?，ISSM試驗(yàn)?zāi)M的該地區(qū)地表蒸發(fā)量和潛熱通量異常的年際變化優(yōu)于CSSM試驗(yàn)的模擬結(jié)果，更接近ERA－40資料結(jié)果。計(jì)算表明，CSSM試驗(yàn)和ISSM試驗(yàn)?zāi)M的中國西北地區(qū)夏季蒸發(fā)量、潛熱通量異常與ERA－40資料的相關(guān)系數(shù)分別為0.16和0.46，后者通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)。圖9為中國西北地區(qū)夏季感熱通量異常的年際變化?？梢?，ISSM試驗(yàn)?zāi)M的該地區(qū)感熱通量異常的位相和振幅與再分析資料基本一致，而CSSM試驗(yàn)未能模擬出該地區(qū)夏季感熱通量異常的年際變化特征。計(jì)算表明，CSSM試驗(yàn)和ISSM試驗(yàn)?zāi)M的中國西北地區(qū)夏季感熱通量異常與ERA－40資料的相關(guān)系數(shù)分別為0.24和0.54，后者通過了置信水平為98%的顯著性檢驗(yàn)。綜上所述，CSSM試驗(yàn)難以較好地模擬出西北地區(qū)夏季地表蒸發(fā)量、感熱和潛熱通量異常的年際變化特征，而ISSM試驗(yàn)的模擬結(jié)果與再分析資料是基本一致的。

圖71979 —2000年中國西北地區(qū)夏季地表蒸發(fā)量異常的年際變化(單位:mm;實(shí)線:ERA－40再分析資料;點(diǎn)線:CSSM模擬結(jié)果;虛線:ISSM模擬結(jié)果)Fig.7Interannual variability of ground evaporation anomaly(mm)in Northwest China in JJA from 1979 to 2000(The solid，dotted and dashed lines represent the results from ERA40 data，CSSM simulations and ISSM simulations，respectively)

圖81979 —2000年中國西北地區(qū)夏季潛熱通量異常的年際變化(單位:W·m－2;實(shí)線:ERA－40再分析資料;點(diǎn)線:CSSM模擬結(jié)果;虛線:ISSM模擬結(jié)果)Fig.8Interannual variability of surface latent heat flux anomaly(W·m－2)in Northwest China in JJA from 1979 to 2000(The solid，dotted and dashed lines represent the results from ERA40 data，CSSM simulations and ISSM simulations，respectively)

圖91979 —2000年中國西北地區(qū)夏季感熱通量異常的年際變化(單位:W·m－2;實(shí)線:ERA－40再分析資料;點(diǎn)線:CSSM模擬結(jié)果;虛線:ISSM模擬結(jié)果)Fig.9Interannual variability of surface sensitive heat flux anomaly(W·m－2)in Northwest China in JJA from 1979 to 2000(The solid，dotted and dashed lines represent the results from ERA40 data，CSSM simulations and ISSM simulations，respectively)

4 東亞夏季大氣環(huán)流的潛在可預(yù)報(bào)性

前文分析表明，采用年際變化的表層土壤濕度(ISSM)時(shí)，CAM3模式對西北地區(qū)地表通量的模擬有明顯改善，那么，ISSM對西北地區(qū)大氣環(huán)流的潛在可預(yù)報(bào)性是否也有貢獻(xiàn)呢?下文將分析2組試驗(yàn)對東亞(60～110°E)夏季大氣環(huán)流潛在可預(yù)報(bào)性的模擬情況。

由圖10可見，2組集合試驗(yàn)?zāi)M的東亞中高緯度地區(qū)夏季500 hPa位勢高度潛在可預(yù)報(bào)性較低，潛在可預(yù)報(bào)性數(shù)值均低于0.5。比較而言，采用年際變化的表層土壤濕度時(shí)，模式模擬的東亞中高緯度地區(qū)夏季500 hPa位勢高度潛在可預(yù)報(bào)性要高于采用氣候態(tài)的表層土壤濕度時(shí)的模擬結(jié)果，尤其是在西北地區(qū)，可預(yù)報(bào)性數(shù)值可提高0.20左右(圖10c)。上述分析表明，采用年際變化的表層土壤濕度，模式可以更好地模擬出西北地區(qū)的大氣環(huán)流異常。

圖10CSSM試驗(yàn)(a)和ISSM試驗(yàn)(b)模擬的東亞夏季500 hPa位勢高度場的潛在可預(yù)報(bào)性以及ISSM試驗(yàn)與CSSM試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的差值分布(c)Fig.10Potential predictability of East Asian summer 500 hPa geopotential height from(a)CSSM simulations and(b)ISSM simulations，and(c)their differences(ISSM simulations minus CSSM simulations)

5 結(jié)論和討論

利用全球大氣環(huán)流模式NCAR CAM3進(jìn)行1979—2000年5—8月的2組集合試驗(yàn)，對比分析了在相同的海溫條件下，采用氣候態(tài)的表層土壤濕度(CSSM)和年際變化的表層土壤濕度(ISSM)時(shí)，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候潛在可預(yù)報(bào)性的差異，結(jié)果表明，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候可預(yù)報(bào)性較低。而在相同的海溫條件下，采用年際變化的表層土壤濕度時(shí)，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候可預(yù)報(bào)性要高于采用氣候態(tài)的表層土壤濕度的模擬結(jié)果，尤其是中國西北地區(qū)夏季氣候的潛在可預(yù)報(bào)性可以提高0.1以上。采用氣候態(tài)的表層土壤濕度時(shí)，CAM3模式模擬的中國西北地區(qū)地表蒸發(fā)量(潛熱通量)和感熱通量異常的年際變化與再分析資料的相關(guān)系數(shù)僅為0.16和0.24，未能通過置信水平為90%的顯著性檢驗(yàn);而采用年際變化的表層土壤濕度時(shí)，CAM3模式基本能較好地模擬出中國西北地區(qū)地表蒸發(fā)量、感熱和潛熱通量異常的年際變化，模式模擬的該地區(qū)地表蒸發(fā)量(潛熱通量)和感熱通量異常的年際變化與再分析資料的相關(guān)系數(shù)為0.46和0.54，分別通過置信水平為95%和98%的顯著性檢驗(yàn)?？梢?，土壤濕度對于西北地區(qū)地表蒸發(fā)和熱通量具有非常重要的影響。采用年際變化的土壤濕度，可以明顯改善模式對西北地區(qū)地表蒸發(fā)和熱通量的模擬能力，也改善了模式對西北地區(qū)夏季大氣環(huán)流異常的模擬效果，從而也使得模式對該地區(qū)夏季氣候的可預(yù)報(bào)性得到一定的提高。

本文通過設(shè)計(jì)2組集合試驗(yàn)，對比采用氣候態(tài)和年際變化的表層土壤濕度的情況下，CAM3模式模擬的東亞夏季氣候可預(yù)報(bào)性的差異，分析了土壤濕度對東亞夏季氣候可預(yù)報(bào)性的影響。由于CAM3模式對于東亞地區(qū)夏季氣候模擬本身存在局限性，并且本工作所采用的NCEP/NCAR再分析資料的每6 h 1次0～10 cm的土壤濕度資料本身也存在一定的不足之處，因此，本研究還是初步的;今后有必要采用其他模式和資料來進(jìn)一步對比驗(yàn)證本文得到的結(jié)果。

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(責(zé)任編輯:劉菲)

Numerical simulation of effect of soil moisture variability on potential predictability of summer climate over East Asia

LI Zhong－xian，CHEN Hai－shan，NI Dong－h(huán)ong，ZENG Gang
(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education，NUIST，Nanjing 210044，China)

P461.2;P435

A

1674－7097(2012)04－0423－08

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Li Zhong－xian，Chen Hai－shan，Ni Dong－h(huán)ong，et al.2012.Numerical simulation of effect of soil moisture variability on potential predictability of summer climate over East Asia［J］.Trans Atmos Sci，35(4):423－430.(in Chinese)

2011－12－30;改回日期:2012－02－18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40905045);江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”項(xiàng)目;江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(PAPD)

李忠賢(1979—)，男，福建仙游人，博士，副教授，研究方向?yàn)楹ｊ憵庀嗷プ饔门c短期氣候預(yù)測，lizhongxian@nuist.edu.cn.