青藏高原土壤濕度的變化特征及其對中國東部降水影響的研究進(jìn)展

王靜 何金海 祁莉 吳志偉 施曉暉

摘要 青藏高原土壤濕度受積雪與凍土的共同影響，能夠記憶長時間的陸面干濕過程，是氣候變化的重要因子，對隨后的中國東部降水有預(yù)測意義。由于高原觀測站點(diǎn)稀少，土壤濕度觀測資料匱乏，致使現(xiàn)有相關(guān)研究大多是基于再分析資料、模式資料和衛(wèi)星遙感資料（統(tǒng)稱替代資料）進(jìn)行的，且所得結(jié)論既有差異，也存在不確定性。因此本文首先綜述了各種土壤濕度替代資料的適用性對比研究，進(jìn)而討論了青藏高原地區(qū)土壤濕度的變化特征及其對我國東部氣候的影響?，F(xiàn)有研究表明：1）資料對比研究指出，現(xiàn)有的各種替代資料對高原土壤濕度存在明顯的高估或低估現(xiàn)象，且評估結(jié)論受評估指標(biāo)和插值方法不同的影響。相對而言，SSM/I和風(fēng)云3B的土壤濕度產(chǎn)品與實(shí)際觀測資料相關(guān)性較好。2）高原土壤濕度具有多時間尺度變化特征和空間非均勻性，在年變化上具有顯著的融凍特征，年代際變化趨勢和年際特征呈現(xiàn)顯著的區(qū)域性差異。SSM/I資料表明春季高原主體土壤濕度的年代際變化趨勢呈現(xiàn)為增加的特征，與高原的增暖相一致；年際變率存在東、西兩個高值區(qū)，與其相關(guān)的潛熱、感熱通量能共同激發(fā)遙相關(guān)波列影響我國長江流域降水；同時高原土壤濕度在垂直方向上具有一致性，在空間分布上具有南部邊緣最大、由東南向西北遞減的特征。3）前人對高原土壤濕度影響中國東部降水的結(jié)論各有不同，其可能原因之一是采用的替代資料及其適用性不同，其二是模式試驗(yàn)中忽略土壤濕度的空間差異性而帶來的誤差等。相關(guān)問題需要進(jìn)一步深入研究。

關(guān)鍵詞青藏高原；土壤濕度；資料評估；時空變化特征；中國東部降水

青藏高原（簡稱高原）是世界上面積最大、海拔最高、地形最復(fù)雜的高原，平均海拔高度在4 000 m以上，幾乎位于對流層中層，享有“世界屋脊”的稱號；同時，高原擁有廣袤的冰川、積雪與凍土，是可與南、北極相媲美的“地球第三極”；另外，高原孕育了黃河、長江、湄公河等7條重要的亞洲河流，是著名的“亞洲水塔”。隆起的高原作為全球大氣運(yùn)動的重要外強(qiáng)迫源，影響著區(qū)域、亞洲乃至全球的大氣環(huán)流、天氣與氣候變化（徐祥德，2015），是中國乃至世界氣候變化的敏感區(qū)（丁一匯等，2006）。高原的氣候變化經(jīng)常發(fā)生于中國其他地區(qū)的氣候變化之前，對中國、東亞的災(zāi)害天氣與氣候變異具有前兆性“強(qiáng)信號”指示意義，該區(qū)域持續(xù)性水熱過程的微妙變化可能會導(dǎo)致其他區(qū)域甚至全球的遙響應(yīng)（張耀存和錢永甫，1999；徐祥德，2015），因此，選擇適當(dāng)?shù)闹甘疽蜃觼眍A(yù)測中國東部地區(qū)的降水，具有很大的可行性與必要性。

早在20世紀(jì)40年代末，青藏高原就引起了氣象學(xué)家們的研究興趣，早期的研究主要是高原的動力強(qiáng)迫作用（Charney and Eliassen，1949；Yeh，1950）。到了20世紀(jì)50年代中期，在葉篤正等（1957）和Flohn（1957）分別獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)夏季高原上空為一大氣熱源以后，氣象學(xué)家們開始關(guān)注高原熱力強(qiáng)迫作用對亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)的影響問題。高原上空的熱力狀況及大氣環(huán)流受地表非絕熱加熱的影響，而高原地表非絕熱加熱的強(qiáng)弱主要由太陽輻射的季節(jié)性變化導(dǎo)致的積雪、凍土、土壤濕度等陸面因子的變化引起的地面感熱、潛熱變化決定（崔洋，2010），因此，對青藏高原地表過程（諸如融雪、融凍等）與亞洲夏季風(fēng)之間的相互聯(lián)系進(jìn)行研究，有助于我們深入認(rèn)識高原熱力作用在亞洲夏季風(fēng)系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)，從而尋找適合的熱狀況替代指標(biāo)，對中國東部夏季降水進(jìn)行預(yù)測。

很多學(xué)者對高原積雪與我國東部降水之間的關(guān)系進(jìn)行了研究（陳乾金等，2000；張順利和陶詩言，2001；Wu and Qian，2003；朱玉祥等，2007；Wu et al.，2016），發(fā)現(xiàn)二者之間存在“隔季相關(guān)”的聯(lián)系，并且得出相似的結(jié)論，即高原積雪偏多（少），東亞夏季風(fēng)減弱（加強(qiáng)），長江流域降水偏多（少），華南、華北降水偏少（多），但其物理機(jī)制究竟如何，仍則存在諸多爭議（Barnett et al.，1988，1989；Qian et al.，2003；丁峰等，2009；朱玉祥等，2009；許立言和武炳義，2012）。高原凍土是冬春季節(jié)另一個重要的陸面因子，王澄海等（2001，2003）、Gao et al.（2005）研究認(rèn)為，高原凍土深度、高原解凍早晚都與中國東部夏季降水存在顯著的相關(guān)。然而高原積雪與凍土的變化并不是孤立的，單獨(dú)研究高原積雪或者凍土對中國夏季降水的影響都有一定的局限性（Warrach et al.，2001）。

春季的青藏高原土壤濕度的大小由融雪和解凍的不同配置決定，同時又是一個可以儲存高原干濕變化信號的陸面因子，它可以通過改變地表反照率、熱容量和向大氣輸送感熱、潛熱等影響氣候變化（馬柱國等，1999，2000；郭維棟等，2007），將其作為前兆信號來預(yù)測中國東部夏季降水，具有一定的優(yōu)越性。研究青藏高原土壤濕度的變化特征及其對我國東部夏季降水的影響，不僅具有科學(xué)意義，同時具有重要的實(shí)用價值，能夠?yàn)橹袊鴸|部汛期降水提供預(yù)測，為防災(zāi)減災(zāi)提供決策服務(wù)。但是由于青藏高原氣象觀測的困難性和土壤濕度本身具有很大的空間差異性，高原上缺乏長時間和大范圍的土壤濕度觀測資料，導(dǎo)致目前關(guān)于高原土壤濕度的變化特征及其與我國東部降水之間的聯(lián)系的研究十分缺乏，前人主要通過敏感性數(shù)值模式模擬或利用再分析資料、陸面模式資料以及衛(wèi)星遙感反演資料（統(tǒng)稱為替代資料）進(jìn)行診斷分析。研究過程中由于所選替代資料、數(shù)值模式及試驗(yàn)方案的不同，使得現(xiàn)有高原土壤濕度影響我國降水的結(jié)論存在爭議與分歧，有些結(jié)論甚至相反，例如Chow et al.（2008）利用區(qū)域氣候模式（RCM）做敏感性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)高原春季土壤偏濕，夏季長江流域降水增加，南方降水減少；但王瑞等（2009）利用耦合的全球海氣模式（NCAR CCSM3）進(jìn)行數(shù)值模擬，得出相反的結(jié)論，若5月中層土壤偏濕，我國夏季華北和華南多雨、江淮少雨。而觀測資料的缺乏，導(dǎo)致無法驗(yàn)證數(shù)值模擬或診斷分析得出的結(jié)果，因此找尋最可靠的高原土壤濕度替代資料變得十分重要。本文試圖對前人已有的高原土壤濕度的替代資料適用性、土壤濕度變化特征及其影響中國東部降水的研究工作進(jìn)行總結(jié)，并探討其存在的不足。通過回顧研究進(jìn)展，以便我們對青藏高原土壤濕度的變化特征及其影響我國東部降水的結(jié)論與物理機(jī)制有一定的系統(tǒng)性的認(rèn)識，并梳理存在的問題，從而為之后的研究提供參考。

1 青藏高原土壤濕度資料的適用性分析

土壤濕度是陸—?dú)庀到y(tǒng)相互作用中的重要因子，然而觀測資料的缺乏給我們研究土壤濕度特征及其與氣候變化的關(guān)系帶來了困難，青藏高原更是由于其惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的地形條件使得我們對高原土壤濕度的觀測從20世紀(jì)末才開始進(jìn)行，并且僅限于高原中東部的個別站點(diǎn)，目前常用的青藏高原土壤濕度觀測資料見表1。

這些觀測資料都非常珍貴，但具有一定的局限性。由于時間尺度較短、站點(diǎn)分布稀疏，土壤濕度本身具有很大的空間差異性，少數(shù)的站點(diǎn)觀測資料無法表征整個高原，因此若要對整個高原的土壤濕度作長時間尺度的分析，目前已有的觀測資料還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，此時各種替代資料得到了廣泛應(yīng)用。這些替代資料不僅具有較長的時間范圍，而且覆蓋整個高原，不過在使用之前需要了解各種替代資料是否在高原地區(qū)適用。

近年來學(xué)者們利用少量而珍貴的土壤濕度觀測資料，對一些再分析資料在高原的適用性進(jìn)行了評估。Su et al.（2013）利用那曲和瑪曲的土壤濕度觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)ECMWF再分析資料無論采用最優(yōu)插值還是逐點(diǎn)擴(kuò)展卡曼濾波，得出的土壤濕度在季風(fēng)期都高估了觀測值。劉川等（2015）利用青藏高原中部和東部土壤濕度觀測資料，發(fā)現(xiàn)兩套再分析資料CFSR和ERAInterim經(jīng)過鄰近格點(diǎn)匹配法得出的土壤濕度也都較觀測值偏高，平均偏差在0.05～0.20 m3·m-3之間。

除了再分析資料外，陸面模式資料也常被用作高原土壤濕度的替代資料，其中全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS（Global Land Data Assimilation System）中的4個陸面模式（CLM、MOS、NOAH、VIC）土壤濕度產(chǎn)品應(yīng)用廣泛。Chen et al.（2013）利用高原中部土壤濕度觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)4個模式均低估了表層土壤濕度，不過CLM和NOAH模式資料對10～40 cm土壤層濕度代表性較好。劉川等（2015）也得出了相同的結(jié)論，發(fā)現(xiàn)在非凍結(jié)期（5—10月），CLM與觀測值最接近，其次是NOAH。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展與完善，基于衛(wèi)星可見光遙感、熱紅外遙感和微波遙感的大尺度動態(tài)土壤水分監(jiān)測資料得到了廣泛應(yīng)用，各種衛(wèi)星反演土壤濕度產(chǎn)品在高原的適用性也受到了學(xué)者們的高度關(guān)注。席家駒等（2014）利用瑪曲、那曲、阿里和獅泉河區(qū)域尺度的土壤水分觀測網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)國際上比較受關(guān)注的AMSRE/EOS土壤濕度產(chǎn)品（JAXA、NASA、VUA）在數(shù)值上與觀測值存在較大誤差，但在空間分布上，NASA與VUA產(chǎn)品能夠較好的描述高原觀測網(wǎng)中的土壤濕度的空間分布特征。除了一些公開的土壤濕度產(chǎn)品，有些學(xué)者采用不同的算法反演得出土壤濕度數(shù)據(jù)，并對其在高原的適用性進(jìn)行了評估：Van et al.（2014）利用專用微波成像儀（SSM/I）的亮溫數(shù)據(jù)反演得出高原土壤濕度，在2005—2008年間與那曲觀測網(wǎng)中4個測站的平均偏差為-0.011 m3·m-3，相關(guān)系數(shù)為0.80，同時該套衛(wèi)星反演數(shù)據(jù)與GLDASNOAH的土壤濕度在高原中部大面積區(qū)域內(nèi)相關(guān)系數(shù)都在0.6以上，都證實(shí)了該套資料在高原上的可適用性；Wang et al.（2016）利用風(fēng)云3B衛(wèi)星攜載的微波輻射成像儀的亮溫數(shù)據(jù)，經(jīng)過輻射傳輸算法反演得到高原土壤濕度，其與高原中部土壤濕度觀測網(wǎng)中實(shí)際觀測數(shù)值的相關(guān)系數(shù)為0.76，能夠很好地反映土壤濕度的時間變化。

前人除了將各種替代資料與觀測資料進(jìn)行對比外，在各種替代資料之間也進(jìn)行了相互比較，進(jìn)而尋找出最適合高原的替代資料。劉川等（2015）對比了兩套再分析資料和六套陸面模式資料，發(fā)現(xiàn)GLDASCLM與觀測值最接近；Van et al.（2014）發(fā)現(xiàn)通過反演得出的SSM/I衛(wèi)星資料比AMSRE效果好；Wang et al.（2016）得出了風(fēng)云3B的資料在時間變化上比ERAInterim的土壤濕度資料和熱帶測雨衛(wèi)星（TRMM）微波成像儀反演的土壤濕度效果更好。但是在之前的研究中，由于所選替代資料和觀測資料以及評估指標(biāo)、插值方法各有不同，導(dǎo)致目前并沒有一套公認(rèn)的能夠很好地描述高原土壤濕度變化特征的替代資料，仍需在資料評估對比方面繼續(xù)進(jìn)行研究。前人在評估各種資料在高原的適用性時，過多地注重替代資料與觀測值的偏差，這雖然也是評估替代資料好壞的一項(xiàng)指標(biāo)，但是若要研究高原土壤濕度的年代際、年際變化及其對周邊氣候環(huán)境的影響，替代資料的系統(tǒng)性偏差對定性的結(jié)果沒有太大的影響，而是替代資料與觀測資料的變化趨勢、變率等的相關(guān)性與一致性顯得更重要。另外，由于土壤濕度具有很大的時空變率，替代資料在某一站點(diǎn)與觀測資料相近，并不一定能代表該套資料能夠很好的反映整個高原的土壤濕度變化，為此我們應(yīng)盡可能將多個觀測站點(diǎn)的資料都作為參考，對各種替代資料在多個站點(diǎn)進(jìn)行評估與對比，進(jìn)而尋找出最適合高原的土壤濕度替代資料。

2 青藏高原土壤濕度的變化特征

作為陸面過程的重要參量，土壤濕度參與并影響著氣候系統(tǒng)中很多重要過程（Delworth and Manabe，1988；馬柱國等，2001）。若要清楚高原土壤濕度對局地、周邊乃至東亞的天氣和氣候變化有何影響，首先應(yīng)確定高原土壤濕度有什么樣的時空分布及變化特征，但是由于觀測資料的匱乏，目前能確定的只有部分觀測站點(diǎn)的土壤濕度年際尺度以下的變化特征，而整個高原土壤濕度的年代際變化趨勢、空間分布等特征的研究，只能借助于替代資料，因而結(jié)果仍存在很大的不確定性。

2.1 青藏高原土壤濕度的時間變化特征

前人利用一些觀測資料對高原土壤濕度的日變化進(jìn)行了研究。楊健和馬耀明（2012）利用中國科學(xué)院納木錯站、珠峰站和藏東南站2007年土壤濕度的觀測資料發(fā)現(xiàn)，土壤表層含水量在一天中16時達(dá)到極大值，08時達(dá)到極小值，10 cm以下的土壤含水量基本無變化。萬國寧等（2012）利用GAMETibet期間觀測的高原中部BJ站2001年1月1日—2005年12月31日的逐時土壤濕度資料，發(fā)現(xiàn)4 cm深度的土壤濕度一天內(nèi)的變化過程依次為穩(wěn)定期（07—10時）、積累期（10—17時）和衰減期（17時—次日07時），但4 cm以下的土壤濕度日變化非常微弱。趙龍（2013）利用高原中部土壤濕度觀測網(wǎng)（CTPSMTMN）得出了相同的結(jié)論，表層土壤濕度在白天因消融增大，夜間因凍結(jié)減小。但是趙逸舟等（2007）利用CAMP/Tibet的觀測資料研究發(fā)現(xiàn)藏北高原各層土壤濕度的日變化均不明顯，說明高原土壤濕度的日變化存在一定的空間差異性?？偟膩碚f，在日變化尺度上，高原中部和東部的土壤濕度振幅隨深度的增加而衰減，表層土壤濕度呈正弦曲線，深層幾乎無變化，而藏北高原各層土壤濕度都沒有明顯的變化。

在年變化尺度上，高原中部的土壤濕度表現(xiàn)出明顯的融凍特征：亦即全年土壤濕度可劃分為積累（3—8月）、衰減（8—12月）、相對穩(wěn)定（12—3月）三個階段（萬國寧等，2012；趙龍，2013），從3月開始，凍土逐漸消融，各層土壤顯著增濕，5月開始，受季風(fēng)降水影響，表層土壤濕度繼續(xù)增大，到了8月初，隨著高原雨季的結(jié)束，土壤濕度逐漸減小，10月下旬開始，淺層土壤開始凍結(jié)，各層土壤濕度緩慢減小，直到12月進(jìn)入穩(wěn)定期，一直維持到3月，至此，土壤濕度完成了一年的循環(huán)周期。趙逸舟等（2007）研究發(fā)現(xiàn)藏北地區(qū)的土壤濕度也有明顯的年變化，4月開始土壤濕度急劇增大，7月達(dá)到最大，直到雨季結(jié)束，土壤濕度開始逐漸減小。卓嘎等（2015）利用2009—2010年的中國氣象局研制的多源土壤溫濕度融合分析產(chǎn)品、傅新等（2012）利用Terra MODIS植被指數(shù)和地表溫度構(gòu)建了條件溫度植被干旱指數(shù)都發(fā)現(xiàn)高原土壤濕度具有顯著的年變化特征。楊健和馬耀明（2012）研究發(fā)現(xiàn)，不同的地區(qū)由于下墊面和融凍特征不同，會導(dǎo)致土壤濕度在突變時間早晚、不同深度表現(xiàn)出一些差異，但總體都符合高原土壤融凍的特征。

在年際變化尺度上，萬國寧等（2012）研究發(fā)現(xiàn)高原中部BJ站在8月土壤濕度表現(xiàn)出顯著增加趨勢，但由于觀測年份較短，未去除年代際變化趨勢，因此所得的年際變化存在一定的質(zhì)疑。王靜等（2016）將SSM/I反演的高原土壤濕度年代際變化趨勢去除之后，得到了東、西兩個年際變化大值區(qū)（圖1a），東部和西部的土壤濕度存在不同的年際變化，但這兩個大值區(qū)內(nèi)的土壤濕度由表層（0～10 cm）到中層（10～40 cm）再到深層（40～100 cm）的變化具有很高的一致性，表層土壤濕度的異常信號能夠儲存在更深層次的土壤中，使土壤濕度具有較強(qiáng)的“記憶”功能。

在分析高原土壤濕度的年代際變化趨勢時，前人主要通過各種替代資料來研究，所得結(jié)論也存在分歧。石磊等（2016）利用美國氣候預(yù)測中心（CPC）土壤濕度資料發(fā)現(xiàn)1980—2012年間高原土壤濕度呈顯著增多趨勢。王靜等（2016）利用SSM/I反演的高原土壤濕度也得出了相似的結(jié)論，1988—2008年間春季高原大部分地區(qū)的土壤濕度變化趨勢為正，這可能是因?yàn)楦咴耐寥罎穸仁芊e雪融化和土壤融凍影響較大，而在全球變暖背景下高原明顯增暖（丁一匯等，2006），導(dǎo)致高原的土壤濕度明顯增加。但傅新等（2012）的研究則發(fā)現(xiàn)高原藏北的土壤濕度在2001—2010年間有輕微的減小趨勢，并且與該地區(qū)的氣候暖干化有關(guān)。

總的來說，高原土壤濕度的年際變化和年代際變化具有空間差異性，但是由于觀測資料匱乏，目前已有的研究不多，不同地區(qū)的土壤濕度究竟有何年際及年代際變化特征，仍需繼續(xù)研究。

2.2 青藏高原土壤濕度的空間變化特征

石磊等（2016）利用美國氣候預(yù)測中心（CPC）土壤濕度資料發(fā)現(xiàn)1980—2012年間高原土壤濕度在空間分布上呈自東南向西北遞減的特征。卓嘎等（2015）利用2009—2010年的中國氣象局研制的多源土壤溫濕度融合分析產(chǎn)品，分析發(fā)現(xiàn)高濕度區(qū)域基本位于高原南部。劉強(qiáng)等（2013）利用AMSRE衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采用雙通道土壤水分反演算法得出了整個高原2003—2010年的土壤水分，發(fā)現(xiàn)高原土壤濕度在年平均空間分布上存在外圍大、中部小的特征，隨著夏季的到來，土壤濕度大值區(qū)由東南向西北、由塔里木盆地向東北擴(kuò)展。王靜等（2016）也發(fā)現(xiàn)高原春季土壤濕度在南部邊緣最大，由東南向西北遞減（圖1b）。多位學(xué)者利用不同的替代資料對高原土壤濕度的空間特征進(jìn)行研究，得出了相似的結(jié)論：高濕度區(qū)域基本位于高原南部，土壤濕度大值區(qū)由東南向西北遞減。究其原因，可能與高原南部邊緣的降水較多有關(guān)。夏季風(fēng)帶來豐富的水汽，遇到高原南部的高大山脈阻擋，暖濕空氣抬升、凝結(jié)、形成豐富的降水，使得高原南部土壤偏濕。

總的來說，由于觀測資料的匱乏，高原土壤濕度在多時間尺度上的變化仍存在爭議：在日變化尺度上，高原中部和東部的表層土壤濕度具有明顯的日變化，深層無明顯日變化，而高原北部表層和深層都無顯著日變化；在年變化尺度上，高原的土壤濕度具有由冬到夏顯著增加的特征，與土壤的融凍特征相符，但不同的地區(qū)存在一些變化早晚、深度的不同；目前關(guān)于高原土壤濕度的年際變化和年代際變化均無統(tǒng)一的結(jié)論，但明顯具有顯著的空間差異性；在垂直方向上，土壤濕度的變化表現(xiàn)出從表層到深層的一致性；在空間變化上，多人利用不同的替代資料得出了一致的結(jié)論，即南部邊緣土壤濕度偏大，并由東南向西北遞減。由于替代資料的不同，目前對高原土壤濕度的年際和年代際變化特征仍不清楚，我們只有對各種替代資料進(jìn)行評估對比，在找出最適合高原的土壤濕度替代資料后，才能確定高原土壤濕度的年際和年代際變化特征，進(jìn)而研究其對中國東部夏季降水的影響與物理機(jī)制，為汛期降水提供預(yù)測。

3 青藏高原土壤濕度對中國東部降水的影響

土壤濕度在氣候變化中是僅次于海溫的具有重要作用的“記憶性”因子，其異常可以持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，對長期天氣預(yù)報和短期氣候預(yù)測有重要的指示意義。有研究表明，土壤濕度對陸地上的氣候變化作用甚至超過了海溫（Chahine，1992；李忠賢等，2012），對局地和非局地的降水都有很重要的影響。土壤濕度可以通過影響地表蒸發(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（梁樂寧和陳海山，2010；李潤春等，2017）。

左志燕和張人禾（2007）給出了土壤濕度影響局地降水的物理機(jī)制：一方面土壤濕度偏大，植物蒸騰和地表蒸發(fā)偏大，導(dǎo)致大氣中水汽偏多，有利于局地降水；另一方面，土壤濕度偏大使得地表溫度偏低，減小了大氣的不穩(wěn)定性，局地降水偏少。因此，土壤濕度對局地的降水存在相反的影響（張人禾等，2016）。但本文著重討論青藏高原的土壤濕度對中國東部降水的非局地影響，因此暫不過多地闡述土壤濕度的局地效應(yīng)。青藏高原土壤濕度的變化對我國東部降水造成什么樣的影響，其影響機(jī)制如何，能否為我國東部降水提供預(yù)測依據(jù)，這是本文需要總結(jié)與探討的問題。

由于高原土壤濕度觀測資料的匱乏，前人多通過數(shù)值模式設(shè)計敏感性試驗(yàn)或使用各種替代資料進(jìn)行診斷分析來研究青藏高原土壤濕度對我國東部降水的影響。但是由于模式本身的誤差、模式設(shè)計方面的漏洞、替代資料在高原的適用性等問題的存在，使得高原土壤濕度影響我國東部降水的結(jié)論，仍具有爭議并受到質(zhì)疑。

有些學(xué)者利用數(shù)值模式模擬來研究高原土壤濕度對我國東部夏季降水的影響。Chow et al.（2008）利用區(qū)域氣候模式（RCM）做敏感性試驗(yàn)，通過給定整個高原不同的初始土壤濕度發(fā)現(xiàn)高原春季土壤偏濕，夏季長江流域降水增加，南方降水減少。王瑞等（2009）根據(jù)海氣耦合模式（NCAR CCSM3）模擬的結(jié)果分析表明，若5月高原中層土壤東部和南部偏濕，西部偏干，潛熱通量增加，感熱通量減少，高原表面的加熱作用減弱，環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)性轉(zhuǎn)換偏晚，我國夏季華北和華南多雨，江淮少雨，這與Chow et al.（2008）的結(jié)論恰好相反。沈丹和王磊（2015）利用WRF3.5.1中尺度模式，設(shè)計了整個高原的初始土壤濕度增加50%和減少到10%的敏感性試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：高原土壤偏濕，東北、內(nèi)蒙古東北部以及華東地區(qū)降水偏多，而高原土壤偏干則會導(dǎo)致西北、華北、華中以及西南除四川西部以外的地區(qū)降水減小。但是數(shù)值模式模擬的結(jié)果在很大程度上依賴于模式本身的性能，還需增加與觀測事實(shí)是否符合的對比分析；另外，以往的數(shù)值試驗(yàn)都過于理想化，將高原看作一個整體，忽略了土壤濕度在空間分布上的差異引起的不同的氣候效應(yīng)。

還有一些學(xué)者利用已有的多種替代資料進(jìn)行診斷分析研究。李登宣和王澄海（2016）利用GLDASNOAH土壤濕度資料分析了青藏高原地區(qū)春季土壤濕度異常和中國東部地區(qū)夏季降水之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)青藏高原不同地區(qū)、不同深度的土壤濕度與中國東部夏季降水的相關(guān)特征不同：高原東北部和西北部表層（0～10 cm）土壤濕度與中國華北、東北地區(qū)的夏季降水為正相關(guān)，而與華南地區(qū)為負(fù)相關(guān)；高原中部及南部表層土壤濕度與華北地區(qū)夏季的降水有較強(qiáng)負(fù)相關(guān)；高原北部及東部深層（10～200 cm）土壤濕度與華北、東北地區(qū)的夏季降水為負(fù)相關(guān)，而與華南地區(qū)夏季降水為正相關(guān)；高原中東部深層土壤濕度與長江中下游和華南大部分地區(qū)夏季降水呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。卓嘎等（2017）采用美國氣候預(yù)測中心1961—2014年逐月土壤濕度資料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)青藏高原春季土壤濕度與長江中下游降水量基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。但是在這些研究中，替代資料是否適用于整個高原，是無法忽略和急需解決的問題。

王靜等（2016）利用收集到的多套觀測資料作為參考，分別對各種替代資料在高原的適用性進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星遙感資料SSM/I與觀測資料有較高的相關(guān)性，因此選取該套資料作為高原土壤濕度的替代資料進(jìn)行研究。春季高原土壤濕度存在東、西兩個年際變率大值區(qū)（圖1a），這兩個區(qū)域的土壤濕度從表層到深層的變化具有很好的一致性和從春到夏的持續(xù)性，因此春季高原土壤濕度的異常信號可以持續(xù)到夏季。而高原東、西兩個年際變率大值區(qū)的土壤濕度與我國長江流域夏季降水的相關(guān)正好相反（圖2a和圖2b），這可能與高原土壤濕度東、西“偶極型”分布引起的高原東部潛熱加熱和西部感熱加熱的東、西“偶極型”加熱有關(guān)：當(dāng)高原存在正的“偶極型”（東正西負(fù)）加熱時，能夠在對流層中高層激發(fā)出一個遙相關(guān)波列，使得東北冷渦加強(qiáng)，南亞高壓加強(qiáng)東伸，西太副高西伸加強(qiáng)，低空南方暖濕氣流與北方干冷氣流在長江流域匯合，進(jìn)而產(chǎn)生持續(xù)的強(qiáng)降水和洪澇災(zāi)害。圖3為高原土壤東部偏濕、西部偏干所激發(fā)出的遙相關(guān)波列。

從前人僅有的研究結(jié)果已可看出，青藏高原土壤濕度對我國東部降水確有重要影響，但研究結(jié)果由于所用資料、模式等的不同而存在分歧，其不同地區(qū)的土壤濕度對中國東部降水會有什么樣的不同影響？不同地區(qū)的土壤濕度影響中國東部降水的物理機(jī)制又有何不同？這些科學(xué)問題仍需我們繼續(xù)研究。

4 總結(jié)與討論

青藏高原地區(qū)的土壤濕度受融雪和解凍的共同影響，它不僅增加下墊面的熱慣性，同時也通過改變反照率和進(jìn)入大氣的感（潛）熱通量影響大氣環(huán)流和降水，形成強(qiáng)烈的地氣耦合，進(jìn)而使得這一地區(qū)的土壤濕度在氣候變化中的作用僅次于海溫。它是一個可以儲存陸面干濕變化信號的重要因子，將其作為前兆信號來預(yù)測中國東部夏季降水具有一定的優(yōu)越性。本文對近幾十年關(guān)于青藏高原土壤濕度的替代資料適用性、土壤濕度變化特征及其對中國東部夏季降水的影響研究進(jìn)行了回顧與總結(jié)，得出了以下結(jié)論：

1）資料對比表明現(xiàn)有的各種替代資料對高原的土壤濕度存在明顯的高估或低估現(xiàn)象。評估指標(biāo)和插值方法不同，對各套土壤濕度產(chǎn)品適用性的對比結(jié)論亦不同。目前資料對比評估時比較看重替代資料與觀測資料的偏差，實(shí)際上，它們在變率和趨勢上的相關(guān)性則更為重要。當(dāng)然盡可能多地獲得觀測資料進(jìn)而去比較替代資料的適用性是最好的選擇?，F(xiàn)有的土壤濕度產(chǎn)品中，SSM/I和風(fēng)云3B資料與觀測資料的相關(guān)性和一致性較好。進(jìn)一步的評估與比較研究是必須的。

2）青藏高原土壤濕度具有多時間尺度變化特征和空間非均勻性。土壤濕度具有顯著的日變化、年變化、年際和多年趨勢變化特征：在年變化上，具有顯著的融凍特征，即3—8月土壤濕度累積增加，8—12月土壤濕度逐漸減小，直到12月進(jìn)入穩(wěn)定期，一直維持到3月，至此完成了一年的循環(huán)周期；年代際變化趨勢和年際變化特征在不同的地區(qū)表現(xiàn)出不一樣的現(xiàn)象，SSM/I表明高原主體的春季土壤濕度的多年趨勢呈現(xiàn)為增加的特征，這與全球變暖背景下高原的增暖趨勢一致；年際變率存在東、西兩個高值區(qū)，與其相關(guān)存在一個潛熱、感熱通量異常區(qū)，進(jìn)而通過遙相關(guān)波列影響我國東部的氣候和降水。土壤濕度在垂直方向上具有一致性，在空間分布上呈現(xiàn)為南部邊緣最大、由東南向西北遞減的特征。當(dāng)然由于替代資料的適用性問題，所得結(jié)論尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3）高原土壤濕度對氣候除了局地影響外還具有非局地的影響，特別是對我國降水亦有重要影響。但現(xiàn)有的研究結(jié)論是有分歧和爭議的。究其原因主要有兩方面：一是所采用的資料不同，分歧是自然的；其二是相關(guān)的數(shù)值試驗(yàn)研究中，試驗(yàn)方案過于理想化，未能考慮土壤濕度的非均勻性，未能恰當(dāng)描述土壤濕度對感熱和潛熱通量分配的調(diào)控作用等?？傊?，無論是診斷研究還是數(shù)值試驗(yàn)，都必須搞清高原地區(qū)的土壤濕度為什么能“記憶”地氣系統(tǒng)的前期信號，它又如何改變進(jìn)入大氣的感熱和潛熱通量，進(jìn)而影響局地和非局地的天氣氣候，這是進(jìn)行跨季節(jié)預(yù)測所關(guān)注的科學(xué)問題，也是將來需要解決的問題。

致謝：感謝黑河計劃數(shù)據(jù)管理中心和青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的觀測資料，以及南京信息工程大學(xué)王國杰教授為我們提供的青藏高原土壤濕度衛(wèi)星資料SSM/I。

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The soil moisture over the Tibetan Plateau（TP），collectively affected by the snow cover and permafrost，has a long memory of wet and dry of land surface processes.Therefore，the soil moisture over TP，as an important factor of climate change，could be used to forecast the precipitation pattern in East China.However，because of rare observation stations over TP，the soil moisture observation in long time series is very deficient over TP.It leads to most of recent studies were based on reanalysis data，modeling data and satellite remote sensing data（named substitute data）.Moreover，their findings were uncertain and different from the others.Therefore，in this study，studies about the applicability of various kinds of substitute data are summarized firstly，then characteristic of the soil moisture over TP as well as its climate effect are discussed.1） Comparison shows that current substitute data of soil moisture has significant over or under valuation over TP.Different conclusion could be drew according to various evaluation indicators and interpolation methods.Comparatively speaking，soil moisture products of SSM/I and FY 3B are in good correlation with observations.2） Soil moisture over TP has significant variations in multitime timescale and remarkable spatial inhomogeneity in decadal trend pattern and interannual characteristic.There is significant ascending trend in spring soil moisture over TP based on SSM/I，in agreement with remarkable warming over TP.Two large interannual variation centers exit in east and west TP，whose related latent heat flux and sensible heating flux could motivate teleconnection wave train to affect precipitation anomaly in Yangtze River.3） Previous studies is different with each other about the effect of soil moisture over TP on precipitation over East China.One of the possible reason is that their substitute data is various with different applicability.Another reason may be the spatial inhomogeneity ignored in modeling design.Related issues need further research.

Tibetan Plateau；soil moisture；data assessment；temporal and spatial characteristics；precipitation in Eastern China

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20170806001

（責(zé)任編輯：張福穎）