基于不同氣象要素的全球陸地干濕化評(píng)估

程 潔, 田小卉, 黃 禹, 鐘 葉, 李中外, 封國(guó)林, 2, 吳永萍*

(1. 揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225002;2. 國(guó)家氣候中心中國(guó)氣象局氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081)

由于氣候變暖導(dǎo)致全球范圍多處出現(xiàn)了不同程度的干濕變化, 北半球中高緯度地區(qū)出現(xiàn)了不同程度的偏濕情況[1]． 自20世紀(jì)后半期以來(lái),全球干旱化的面積擴(kuò)大了2倍以上[2],且干旱區(qū)的面積還在不斷擴(kuò)大[3]．已有模擬研究表明,隨著大氣層中溫室氣體濃度的增加,導(dǎo)致全球溫度升高, 土壤水分減少, 造成干旱化現(xiàn)象[4], 使生態(tài)不穩(wěn)定,這種情況在中緯度地區(qū)比較明顯[5]．掌握全球的干濕變化規(guī)律并采取合理的措施對(duì)于應(yīng)對(duì)氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義．自IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告提出“干更干, 濕更濕”后,眾多學(xué)者利用不同干濕指標(biāo)開(kāi)展了相關(guān)評(píng)估, 所采用的指標(biāo)主要有: 帕默爾干旱指數(shù)(Palmer drought severity index, PDSI)[6]、降水-蒸發(fā)(precipitation-evaporation, P-E)、地表濕潤(rùn)指數(shù)(surface humid index)、干燥度指數(shù)(aridity index, AI)等[7]．從水分收支角度來(lái)分析, 土壤濕度無(wú)疑是最能客觀反映土壤干旱程度的物理量[8], 陸地表面的其他基本屬性(如感熱、潛熱、溫度、降水等)也會(huì)對(duì)全球陸地的干濕變化產(chǎn)生關(guān)鍵影響．然而,由于土壤濕度是氣象和水文中的非常規(guī)觀測(cè)資料,其直接觀測(cè)資料的稀缺性特點(diǎn)非常顯著,只在少數(shù)地區(qū)有記錄,且時(shí)間序列也很短[9],觀測(cè)資料的匱乏制約了以土壤濕度為核心的陸氣相互作用的研究．

近年來(lái), 再分析土壤濕度數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于相關(guān)的研究中,并在很大程度上推動(dòng)了人們對(duì)土壤濕度與氣候變化相互作用的認(rèn)識(shí)．Papalexiou等[10]認(rèn)為, 土壤含水量與降水或氣溫等的作用是陸氣相互作用中的一個(gè)重要環(huán)節(jié); 趙家臻等[11]認(rèn)為土壤濕度的變化與降水量的變化趨勢(shì)基本一致; Wang等[12]證明前期的降水可在一定程度上表征土壤濕度; 索朗塔杰等[13]指出不同厚度層的土壤濕度均與降水密切相關(guān)．此外, 還有一些研究表明土壤濕度與溫度、蒸發(fā)量之間聯(lián)系緊密, Seneviratne等[14]認(rèn)為在干旱半干旱區(qū), 當(dāng)土壤濕度較低時(shí), 會(huì)引起蒸發(fā)量的減少, 使得感熱通量增加, 從而導(dǎo)致近地表空氣溫度增高, 而溫度的升高又會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致土壤濕度的降低, 這是一個(gè)正反饋過(guò)程．在干濕氣候過(guò)渡區(qū), 土壤濕度對(duì)降水的影響最為強(qiáng)烈[15-16]．就全球陸地而言, 65%的降水來(lái)自于陸地表面的蒸發(fā), 只有35%的降水來(lái)自于海洋的水汽輸送, 這就直觀地說(shuō)明了降水在很大程度上受到陸地表面蒸發(fā)的影響, 而蒸發(fā)量的多少又與土壤濕度息息相關(guān), 所以土壤濕度對(duì)降水和蒸發(fā)等一系列氣候要素都有一定的影響．

現(xiàn)有的研究對(duì)于干旱的分析大多是關(guān)于某一區(qū)域干濕變化的長(zhǎng)期趨勢(shì),而缺乏從全球視野認(rèn)識(shí)干旱化,且對(duì)土壤濕度與溫度、降水以及其他氣象要素的反饋過(guò)程研究較少．本文旨在以土壤濕度為核心,探討降水和溫度的驅(qū)動(dòng)機(jī)制,加深人們對(duì)區(qū)域干旱化的認(rèn)識(shí)．

1 資料和方法

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集是由美國(guó)氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(national centers for environmental prediction, NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(national center for atmospheric research, NCAR)聯(lián)合組織制作的全球大氣再分析資料, 該數(shù)據(jù)由各種來(lái)源的資料(陸面天氣觀測(cè)、飛機(jī)觀測(cè)、衛(wèi)星探測(cè)、無(wú)線(xiàn)電探空等)經(jīng)過(guò)同化處理獲得．其中, NCEP-R1包含了1949年至今的數(shù)據(jù), NCEP-R2數(shù)據(jù)是修正了NCEP-R1再分析數(shù)據(jù)集中人為誤差獲得的1979年至今的再分析數(shù)據(jù)集, 并在土壤濕度等方面有較好的改進(jìn)．本文中所使用的數(shù)據(jù)為1979—2018年NCEP-R2再分析數(shù)據(jù)集月平均土壤濕度、日平均降水速率、月平均潛在蒸發(fā)量、地表2 m處的月平均溫度、月平均潛熱通量以及月平均感熱通量．NCEP-R2再分析資料為高斯格點(diǎn)資料, 全球共有192×94個(gè)格點(diǎn)．土壤濕度又被稱(chēng)為土壤含水量, 它的表征方式有質(zhì)量比和體積比兩種, 在本文中采取土壤濕度體積比的概念, 即單位體積土壤中水分所占的體積, 單位為cm3·cm-3, 相關(guān)的研究方法采用線(xiàn)性回歸分析和雙側(cè)t檢驗(yàn)．

2 結(jié)果與討論

2.1 全球地表土壤濕度變化特征

圖1為1979—2018年全球陸地區(qū)域土壤濕度的多年平均值和土壤濕度趨勢(shì)分析．圖1(a)結(jié)果表明, 在全球陸地范圍內(nèi), 多年平均的土壤濕度較小值(即干旱半干旱區(qū))主要位于非洲北部的撒哈拉沙漠、美國(guó)西部、亞洲西南部、中國(guó)西北部及澳大利亞的大部分地區(qū),由此可以看出干旱半干旱區(qū)大部分分布在北半球中緯度; 土壤濕度大值區(qū)(即濕潤(rùn)區(qū))出現(xiàn)在赤道附近和北半球的中高緯．在北緯30°附近, 大部分為土壤濕度較小值區(qū)域, 但受地形影響, 我國(guó)的四川盆地和長(zhǎng)江中下游地區(qū)都處于濕潤(rùn)區(qū)范圍．我國(guó)北緯30°附近出現(xiàn)土壤濕度高值中心的可能原因?yàn)? 四川盆地和長(zhǎng)江中下游地區(qū)位于我國(guó)青藏高原的東部, 海拔較低且周?chē)当姸? 易得到海洋及孟加拉灣水汽輸送, 加之盆地抬升作用及高原槽等影響,使該區(qū)域降水發(fā)生的頻率增大,導(dǎo)致該區(qū)域的土壤濕度較高．

圖1 全球陸地區(qū)域1979—2018年土壤濕度的多年平均值(a), 以及土壤濕度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)(b)(圖中小點(diǎn)代表通過(guò)95%信度檢驗(yàn)的區(qū)域)Fig.1 Annual mean value of soil moisture over global land regions from 1979 to 2018 (a) and variation trend of soil moisture with time(b) (Dots represent areas that passed the 95% confidence level)

圖1(b)顯示1979—2018年全球陸地土壤干濕化的變化趨勢(shì)存在區(qū)域差異．其中, 北美洲大部分地區(qū)都呈現(xiàn)土壤濕度變濕趨勢(shì), 只在西北和西南有零星地區(qū)呈現(xiàn)變干趨勢(shì), 且有部分變干區(qū)域未通過(guò)顯著性檢驗(yàn); 南美地區(qū)土壤濕度呈現(xiàn)東部變干而西部變濕的空間分布; 在非洲, 變干區(qū)域分布在北非的撒哈拉沙漠和東非大裂谷地區(qū); 歐洲的大部分地區(qū)沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn), 呈現(xiàn)出微弱的西變干東變濕傾向; 西亞的阿拉伯半島、伊朗高原以及東亞大面積地區(qū)呈現(xiàn)出土壤濕度變干的分布; 澳大利亞呈現(xiàn)出西變濕東變干的空間分布格局．

2.2 全球陸地區(qū)域潛在蒸發(fā)量的時(shí)空演化

潛在蒸發(fā)量是指充分濕潤(rùn)的下墊面蒸發(fā)到空中的水量．它不僅能夠全面反眏地區(qū)的蒸發(fā)能力, 也與土壤濕度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性．圖2為1979—2018年全球陸地區(qū)域潛在蒸發(fā)量的多年平均值以及變化趨勢(shì)分析．圖2(a)結(jié)果顯示, 全球陸地區(qū)域年平均潛在蒸發(fā)量的空間分布差異很大, 但總體分布與土壤濕度的分布相關(guān)性較好,即土壤濕度小的區(qū)域潛在蒸發(fā)量較大．潛在蒸發(fā)量最大的區(qū)域位于北非的幾個(gè)沙漠附近, 這些區(qū)域潛在蒸發(fā)量大,可能與赤道附近強(qiáng)烈的太陽(yáng)輻射以及不易存儲(chǔ)水分的沙質(zhì)地表有關(guān)．從赤道到高緯度地區(qū),潛在蒸發(fā)量隨著緯度的增加而減小, 最小值位于北半球的高緯附近, 年均潛在蒸發(fā)量不足100 mm．我國(guó)陸地年均潛在蒸發(fā)量呈現(xiàn)從東南向西北減小的分布特征, 東南沿海地區(qū)的多年平均潛在蒸發(fā)量可達(dá)500 mm, 這與地勢(shì)平坦和水分濕潤(rùn)的因素有關(guān);而西部地區(qū)地形復(fù)雜, 且身居內(nèi)陸,外部水汽不易到達(dá), 蒸發(fā)量小, 最小值位于青藏高原附近．

從圖2(b)潛在蒸發(fā)量的多年時(shí)空變化趨勢(shì)來(lái)看,潛在蒸發(fā)量變化與土壤濕度的變化較為吻合．南美洲東部、北非撒哈拉沙漠、東非大裂谷和亞洲中部的潛在蒸發(fā)量變化趨勢(shì)都呈現(xiàn)增大的空間分布,而阿拉伯半島南部和澳大利亞?wèn)|部沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),呈現(xiàn)微弱的增大傾向．

2.3 全球陸地區(qū)域感熱通量的時(shí)空演化

就全球而言,無(wú)論陸地還是海洋,其表面溫度和大氣邊界層的溫度并不相等,因此在地表和大氣間能產(chǎn)生湍流熱交換．在地-氣系統(tǒng)能量傳輸?shù)倪^(guò)程中,當(dāng)?shù)乇頊囟雀哂诖髿膺吔鐚訙囟葧r(shí),就會(huì)出現(xiàn)由地表向大氣的感熱輸送;反之,感熱輸送的方向?qū)⑾喾矗瑫r(shí),干旱區(qū)域降水少,地表反照率高,因此對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收少,感熱在能量傳輸過(guò)程中也更大．

圖3(a)為全球陸地表面與低層大氣間感熱輸送年平均通量的地理分布圖．由圖3(a)可見(jiàn), 在大陸表面感熱通量平均輸送是由低緯向高緯遞減,但在干旱和潮濕的地區(qū),感熱輸送相差很大．就全年平均而言,陸地表面向大氣輸送熱量的大值區(qū)主要位于非洲南部的沙漠和索馬里半島,年平均通量可達(dá)40～60 W·m-2, 其余大值區(qū)位于亞洲西部的伊朗高原和印度半島、美國(guó)西部、南美洲的安第斯山脈、博爾博雷馬高原以及澳大利亞地區(qū)．我國(guó)地區(qū)感熱通量的年平均輸送呈現(xiàn)北高南低的分布特征．塔里木盆地和內(nèi)蒙古高原為高值區(qū),年平均感熱通量約為40～60 W·m-2, 這可能與這些地區(qū)干燥、多日照等因素有關(guān)．隨著向高緯度推進(jìn),感熱通量隨著地表凈輻射的減少而減少, 并出現(xiàn)由低層大氣向地球表面輸送感熱通量的情況．

圖3 全球陸地1979—2018年感熱輸送通量多年均值空間分布(a) 及其隨時(shí)間變化趨勢(shì)的空間分布 (b)Fig.3 The spatial distribution of annual average sensible heat transport flux over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖3(b)為感熱通量的多年時(shí)空變化趨勢(shì)．結(jié)果表明, 南美洲東部和東非大裂谷的感熱輸送年平均通量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),北非的撒哈拉沙漠大面積呈現(xiàn)減少趨勢(shì),西亞的阿拉伯半島、中亞以及澳大利亞?wèn)|部地區(qū)大部分沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),呈現(xiàn)微弱的增大趨勢(shì)．

2.4 全球陸地區(qū)域潛熱通量的時(shí)空演化

陸氣間水的相變所吸收或釋放的熱量稱(chēng)為潛熱通量, 圖4(a)為地表與低層大氣間潛熱輸送年平均輸送通量的地理分布．由圖4(a)可以看出, 地表的潛熱輸送受到氣候狀況的制約,在主要的干旱半干旱區(qū), 如非洲北部、美國(guó)西部和亞歐大陸的東部, 潛熱輸送通量小,年平均輸送通量約為40 W·m-2, 這是受到了土壤水分供應(yīng)不足的影響．在濕潤(rùn)地區(qū), 潛熱通量的分布在赤道附近達(dá)到最大, 非洲中部和南美洲達(dá)到120 W·m-2, 并逐漸向高緯度遞減至不足20 W·m-2．因此, 潮濕地區(qū)潛熱通量的分布受到地表凈輻射的制約．潛熱通量和感熱通量是地表向大氣輸送熱量的主要途徑, 而感熱輸送年平均通量的最大值約為潛熱通量的一半甚至更小, 故在陸-氣系統(tǒng)的能量交換過(guò)程中, 潛熱輸送占據(jù)主要地位, 而感熱通量的影響較?。?/p>

圖4 全球陸地1979—2018年潛熱輸送通量多年均值空間分布(a)及其隨時(shí)間變化趨勢(shì)的空間分布(b)Fig.4 The spatial distribution of annual average latent heat transport flux over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖4(b)為潛熱通量的多年時(shí)空變化趨勢(shì)．結(jié)果表明, 南美洲東部和亞洲中部地表向大氣輸送熱量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),撒哈拉沙漠呈現(xiàn)西部增大而東部減少的空間分布格局,東非大裂谷呈現(xiàn)減小趨勢(shì),阿拉伯半島的南部呈現(xiàn)微弱的增長(zhǎng)趨勢(shì)而北部則趨勢(shì)相反;而澳大利亞?wèn)|部的增長(zhǎng)趨勢(shì)較為微弱,未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)．

2.5 全球陸地區(qū)域降水的時(shí)空演化

大氣中的液態(tài)或固態(tài)水在符合降水條件的區(qū)域從空中降落到地面的現(xiàn)象稱(chēng)為降水．降水是陸地上水資源的唯一來(lái)源, 也是全球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),在很大程度上影響全球的干濕分布,是評(píng)估區(qū)域干濕程度的重要?dú)夂蛞兀?/p>

圖5(a)是全球降水量的分布圖．從圖5(a)可以看出, 在各緯度帶內(nèi),降水量的分布沒(méi)有明顯的特征,表明降水量的分布具有很強(qiáng)的局地性．例如: 赤道附近有降水量極大值區(qū)位于南美洲北部,也有降水量極小值區(qū)位于中非的索馬里半島; 在中低緯度既有降水量較多的中國(guó)南部沿海地區(qū),也有降水量較少的北非、北美和中亞地區(qū)．綜合全球來(lái)看, 全球降水極少的地區(qū)有位于中低緯度的干旱半干旱區(qū)(如北美西部,從北非到中亞的廣闊地區(qū)), 也有澳大利亞和兩極地區(qū), 日降水量不足2 mm．降水量極大值的區(qū)域分布在南美洲西北部的山脈區(qū)域、中非和一些局部地區(qū)．其中,中南半島南部、加里曼丹島、新幾內(nèi)亞島等區(qū)域降水量可達(dá)10 mm·d-1．

我國(guó)日降水量最大值位于東南沿海地區(qū),降水量可達(dá)6～8 mm·d-1,日降水量呈現(xiàn)從東南向西北遞減的分布,降水量最小值位于西北的沙漠地區(qū),這與西北地形的作用有關(guān)．

圖5 全球陸地1979—2018年日降水量多年均值空間分布(a) 及其隨時(shí)間變化趨勢(shì)的空間分布 (b)Fig.5 The spatial distribution of annual average precipitation over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖5(b)為降水量的多年時(shí)空變化趨勢(shì)圖．從圖5(b)可以看出, 南美洲西部、非洲的熱帶雨林地區(qū)以及澳大利亞的西部降水量呈現(xiàn)增大趨勢(shì); 北美洲降水量呈現(xiàn)東北增大而西南減小的分布;在中國(guó)北部地區(qū),降水量呈現(xiàn)出西北增加而東北略微減小的空間分布格局．

3 結(jié)論

基于1979—2018年NCEP-R2的土壤濕度、潛在蒸發(fā)、感熱通量、潛熱通量以及降水量等再分析資料, 繪制出了全球陸地區(qū)域土壤濕度等5幅空間分布和變化趨勢(shì)圖, 對(duì)全球陸面干濕程度進(jìn)行了全面分析,研究結(jié)果表明:

1) 非洲北部的撒哈拉沙漠地區(qū)、西亞的阿拉伯半島和亞洲中部處于土壤濕度低值區(qū)且有變干的趨勢(shì), 降水量呈現(xiàn)減小趨勢(shì),潛在蒸發(fā)有逐漸增大的傾向, 但感熱輸送年平均通量卻在非洲北部和中亞呈現(xiàn)相反的方向, 這可能與升溫增幅不同有關(guān),潛熱輸送呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);

2) 北美中部和南美洲西部的土壤濕度較高且有變濕的傾向, 與之相對(duì)應(yīng), 降水量呈現(xiàn)增大的趨勢(shì), 潛在蒸發(fā)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì), 感熱輸送年平均通量呈現(xiàn)逐漸減小的傾向, 而潛熱輸送年平均通量在增加;

3) 巴爾卡什湖南部位于土壤濕度高值區(qū)卻有變干的傾向, 降水量呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 潛在蒸發(fā)呈現(xiàn)微弱的增大傾向, 感熱輸送年平均通量呈現(xiàn)一個(gè)小高值中心, 潛熱輸送年平均通量也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì);

4) 中國(guó)北部位于土壤濕度低值區(qū)卻有轉(zhuǎn)濕的傾向,而此時(shí)降水量卻呈現(xiàn)減少的趨勢(shì), 潛在蒸發(fā)呈現(xiàn)增大趨勢(shì),感熱通量與潛熱通量都有增加趨勢(shì)．