中亞5 月土壤濕度異常對6 月降水的影響

劉文麗， 陳 樟， 趙 勇， 梁雨欣

（成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都 610225）

中亞地處歐亞大陸腹地，是世界上最大的內陸干旱區(qū)，水資源稀缺，生態(tài)環(huán)境脆弱［1］。中亞地區(qū)氣候主要受西風環(huán)流控制，降水集中在冬季和春季，西風環(huán)流的強度和位置直接調控中亞地區(qū)的降水變化［2-3］。已有研究表明，當北大西洋濤動位于負位相時，西風環(huán)流加強，有利于更多的水汽從地中海輸送到中亞地區(qū)，導致中亞降水增多［4-5］。厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）也與中亞降水變化密切聯(lián)系，強厄爾尼諾年，中亞地區(qū)異常上升運動和來自北大西洋和阿拉伯海的水汽輸送導致中亞降水從當年冬季到次年夏季持續(xù)性增多［6-8］。印度洋海溫、絲綢之路遙相關型、南亞高壓和青藏高原夏季風等因子也會顯著影響中亞上空的水汽條件和動力條件的配置，進而導致中亞降水異常［9-12］。

土壤濕度反映地表水文過程，其通過對地表水分和能量平衡的改變，影響區(qū)域天氣和氣候［13］。大量觀測和數(shù)值試驗結果證實土壤濕度對降水變化有著顯著影響［14-15］。潮濕的土壤可以通過增強表面蒸發(fā)，改變地表熱通量及環(huán)流場，從而引起降水變化［16-17］。如北美西部、西亞以及東亞部分地區(qū)，偏高的土壤濕度會引起該區(qū)域降水的加強［18］。近年來不少研究強調了春季土壤濕度對夏季降水變化的影響［19-20］，如歐亞大陸北部晚春土壤濕度異常通過影響陸-氣間的能量傳遞進而影響夏季東亞大氣環(huán)流，是其對東亞降水產生影響的重要方式；中南半島、印度和德國南部的春季土壤濕度異常通過不同的途徑反饋于該區(qū)域和周圍地區(qū)夏季降水［21-24］。

中亞是全球土壤濕度影響降水的主要關鍵區(qū)之一，強烈的蒸發(fā)是干旱區(qū)水汽的重要來源之一，對局地降水的貢獻不容忽視［25-27］。Chen等［8］指出強厄爾尼諾事件發(fā)生后，同期冬季和次年春季的降水正異?？赏ㄟ^加大局地土壤濕度導致次年夏季降水也增多，但土壤濕度影響降水的具體物理過程尚不清楚，土壤濕度是否獨立于ENSO 影響降水也需要進一步探討。本文圍繞中亞春季土壤濕度對后期降水影響的科學問題，首先分析了中亞春季（3—5月）逐月土壤濕度的時空變化特征，然后確定土壤濕度影響局地降水的關鍵月份和關鍵區(qū)域，并且從水汽條件和動力條件2個角度揭示了前期土壤濕度對后期降水影響的關鍵物理過程，最后探討了土壤濕度和ENSO對中亞降水影響的關聯(lián)和獨立性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

中亞包括哈薩克斯坦、吉爾吉斯斯坦、塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦和中國西北部分地區(qū)，地域廣闊且地貌類型豐富多樣，地表以山地和盆地為主，整體呈現(xiàn)東高西低的分布特征（圖1）。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

Yu 等［28］評估了多套土壤濕度產品在中亞地區(qū)的適用性，指出歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium Range Weather Forecasts，ECMWF）提供的ERA5 土壤濕度資料同中亞土壤濕度實際觀測資料最為接近，可用于描述中亞土壤濕度的變化。因此，本文利用ERA5 提供的1980—2019年月平均表層（0～7 cm）土壤體積水含量進行土壤濕度分析。同時，采用了ERA5 提供的1980—2019年月平均大氣再分析數(shù)據(jù)，包括地表氣溫、蒸發(fā)量、水汽含量、可降水量、感熱通量、潛熱通量、邊界層厚度和對流有效位能等［29-30］。除土壤濕度、蒸發(fā)量、地表溫度、感熱通量和潛熱通量的水平分辨率為0.1°×0.1°外，其余變量的水平分辨率為0.25°×0.25°。1980—2019 年月平均降水數(shù)據(jù)源自全球降水氣候中心（Global Precipitation Climatology Centre，GPCC），空間分辨率為0.5°×0.5°［31］。1979—2019年Ni?o 3.4指數(shù)來自氣候預測中心（Climate Prediction Center，CPC）。

1.3 研究方法

研究采用Pearson 系數(shù)確定了中亞春季土壤濕度與夏季降水的逐月超前滯后相關性，采用合成、回歸和T檢驗法分析了土壤濕度影響降水變化的物理過程，最后使用偏相關系數(shù)揭示了ENSO 和土壤濕度對降水的獨立影響。其中，偏相關分析是指在多要素構成的系統(tǒng)中，當研究某一個要素對另一個要素的影響或相關程度時，排除其他要素的影響，單獨研究2個要素之間相關關系的方法，得到的相關系數(shù)稱為偏相關系數(shù)。若有3個變量x1、x2、x3，排除x3的影響，x1和x2之間的偏相關系數(shù)（r12(3)）可表達為：

式中：r12為變量x1和x2的相關系數(shù)；r23為變量x2和x3的相關系數(shù)；r13為變量x1和x3的相關系數(shù)。

2 結果與分析

2.1 中亞春季土壤濕度的逐月變化特征

1980—2019年中亞3月土壤濕度表現(xiàn)為北部和中部高、西南和東南低的空間分布特征（圖2a）。土壤濕度極小值位于中國西北部地區(qū)，低于0.1 m3·m-3；極大值位于哈薩克斯坦北部。這可能與土地覆蓋類型有關，哈薩克斯坦北部遍布廣闊的農田，而土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和中國西北地區(qū)的土地大多裸露［28］。4月中亞地區(qū)土壤濕度氣候態(tài)的空間分布與3月相似，但哈薩克斯坦南部、中亞西南部等地的土壤濕度比3 月有所降低（圖2b）。相較于4 月，哈薩克斯坦全區(qū)5 月土壤濕度進一步降低，吉爾吉斯坦、塔吉克斯坦為土壤濕度的大值中心（圖2c）。綜上，中亞春季逐月土壤濕度氣候態(tài)的空間差異和季節(jié)內差異均較大，中亞北部和中部為土壤濕度的大值區(qū)，中亞西南和東南部為土壤濕度的低值區(qū)；中亞北部土壤濕度從3月到5月逐月降低。

圖2 1980—2019年3—5月中亞土壤濕度氣候態(tài)和標準差的空間分布Fig.2 Spatial distribution climate state and standard deviation of soil moisture in Central Asia in March-May of 1980—2019

中亞3—5 月土壤濕度的年際變化也存在明顯的空間差異和季節(jié)內差異?？傮w來看，春季內，中國西北區(qū)域始終為中亞土壤濕度年際變化最小的區(qū)域（圖2d～f）。雖然3—4 月中亞西南部土壤濕度氣候態(tài)較?。▓D2a～b），但該區(qū)域為土壤濕度標準差的大值區(qū)，年際變化明顯，并且3 月數(shù)值高于4 月（圖2d～e）。中亞西南部土壤濕度標準差在5月進一步降低，中亞北部標準差增大，中亞中部成為5月土壤濕度變化大值區(qū)（圖2f）。

由1980—2019 年中亞3—5 月逐月土壤濕度的線性趨勢（圖3）可見，3月哈薩克斯坦北部土壤濕度呈顯著增長趨勢；中亞西南部包括哈薩克斯坦南部以及烏茲別克斯坦等地的土壤濕度呈顯著變干趨勢。中國西北地區(qū)和塔吉克斯坦-吉爾吉斯坦分別表現(xiàn)為變干和變濕趨勢，但未通過顯著性檢驗（圖3a）。4月和5月土壤濕度趨勢變化的空間分布較為類似，主要表現(xiàn)為哈薩克斯坦土壤濕度顯著降低，其他區(qū)域趨勢變化較弱（圖3b～c）?？傊?，中亞春季土壤濕度的趨勢變化表現(xiàn)出明顯的空間差異和季節(jié)內差異，中亞北部土壤濕度在3 月呈顯著增加趨勢，而4—5 月則呈顯著減少趨勢；中亞西南部3 月土壤濕度顯著減少；中國西北地區(qū)的減少趨勢較弱，未通過顯著性檢驗。

圖3 1980—2019年3—5月中亞土壤濕度的趨勢分布Fig.3 Trend distribution of soil moisture in Central Asia in March-May of 1980—2019

2.2 春季土壤濕度與夏季降水的逐月超前滯后相關

土壤濕度和局地降水之間的關系復雜，兩者可相互影響。一方面更多的降水可能導致土壤變濕，另一方面濕潤的土壤也可以通過改變蒸發(fā)導致降水的增多［8］。本文主要考察土壤濕度對降水的影響，因此更關注前期土壤濕度對后期降水的影響。考慮中亞夏季（6—8月）逐月的降水變化與超前3個月的土壤濕度之間的局地相關，例如6 月降水分別與前期3 月、4 月、5 月土壤濕度的相關。由圖4 可知，6月降水與前期5月土壤濕度異常在中亞中部地區(qū)呈顯著正相關（圖4c），與前期3—4月土壤濕度的相關性較弱（圖4a～b）。7—8 月的降水與前3 個月土壤濕度的相關性普遍較弱且分布零散（圖4d～f和圖4g～i）。利用歐洲航天局氣候變化倡議發(fā)布的多源衛(wèi)星融合土壤水分產品（ESA CCI_SM）、美國國家航空航天局NASA發(fā)布的全球高分辨率陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（FLDAS）和美國全球陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（GLDAS）等土壤濕度產品重復上述分析（圖略），所得結果與圖4一致。由于中亞夏季逐月降水和前期土壤濕度之間的局地關系存在明顯的季節(jié)內差異，把整個季節(jié)進行平均來研究降水和土壤濕度兩者關系的方法具有一定的局限性，因此本文考慮降水-土壤濕度逐月相關更合理。中亞中部5 月土壤濕度與后期6月局地降水關系密切，根據(jù)圖4c的結果，選擇關鍵區(qū)（39～49°N、62～73°E）作為后續(xù)重點研究區(qū)域。

圖4 1980—2019年夏季降水與前期局地土壤濕度之間的超前滯后相關Fig.4 Lead-lag correlation coefficients between the summer precipitation and the preceding soil moisture during 1980—2019

將標準化的關鍵區(qū)區(qū)域平均的土壤濕度時間序列和降水時間序列分別定義為土壤濕度指數(shù)和降水指數(shù)，用以表征關鍵區(qū)土壤濕度異常和降水量異常的年際變化情況。土壤濕度指數(shù)和降水指數(shù)都具有明顯的年際變化，且兩者變化較為一致（圖5a）。5月土壤濕度指數(shù)和6月降水指數(shù)之間的相關系數(shù)為0.70，通過99%信度檢驗，說明本文定義的土壤濕度指數(shù)和降水指數(shù)可用于中亞中部關鍵區(qū)土壤濕度-降水兩者關系的研究?；? 月土壤濕度指數(shù)，以1個標準差為標準，挑選出中亞中部關鍵區(qū)5 月土壤濕度異常高值年共6 a，異常低值年共5 a（表1）。對挑選出的5 月土壤濕度異常年隨后6 月降水異常進行合成（圖5b），所得結果的空間分布與圖4c類似，表現(xiàn)為土壤濕度偏高時，關鍵區(qū)6月降水偏多（圖5b）。以上結果再次揭示出，中亞中部地區(qū)5月土壤濕度與后期6月局地降水的密切相關。

表1 1980—2019年中亞中部關鍵區(qū)5月土壤濕度異常高低年Tab.1 Abnormal years of soil moisture based on the normalized soil moisture index in May of 1980—2019

圖5 1980—2019年中亞關鍵區(qū)5月土壤濕度指數(shù)、6月降水指數(shù)標準化序列和5月土壤濕度高值年減去低值年合成的6月降水量Fig.5 Normalized time series of the soil moisture index in May and precipitation index in June and the precipitation in June synthesized by subtracting the low value year from the high value year of soil moisture in May during 1980—2019

2.3 土壤濕度異常影響降水變化的物理過程

5 月土壤濕度異常如何影響后期6 月的降水變化？前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤濕度具有較好的記憶性［32］，因此本文考慮5 月土壤濕度異常是否可以持續(xù)到6月，通過改變6 月大氣條件導致降水異常。圖6 給出了5月土壤濕度異常年合成的隨后6月土壤濕度差值。從圖中可以看出，5月土壤濕度偏濕時，中亞中部6 月土壤濕度仍然呈現(xiàn)大范圍顯著正異常（圖6），說明中亞中部土壤濕度異常可以從5月持續(xù)至6月。計算得到關鍵區(qū)5月土壤濕度指數(shù)與6月土壤濕度指數(shù)的相關系數(shù)高達0.85，通過了99%的顯著性檢驗，印證了土壤濕度異?？梢詮?月持續(xù)到6月。

圖6 1980—2019年5月土壤濕度高值年減去低值年合成的6月土壤濕度Fig.6 Soil moisture in June synthesized by subtracting the low value year from the high value year of soil moisture in May during 1980—2019

土壤濕度的異常可以通過改變蒸發(fā)量影響局地降水。由5月土壤濕度異常年合成的6月蒸發(fā)量差值圖（圖7a）可以看出，5月土壤濕度偏濕年，因土壤濕度正異?？沙掷m(xù)到6月（圖6），導致中亞中部地區(qū)6月局地蒸發(fā)量增加（圖7a）。強烈的蒸發(fā)為局地降水提供了重要的水汽來源，關鍵區(qū)6 月空氣中的水汽含量（圖7b）和大氣可降水量（圖7c）均增加，有利于當?shù)? 月降水增多。5 月土壤濕度指數(shù)回歸的6 月蒸發(fā)量（圖7d）、水汽含量（圖7e）和大氣可降水量（圖7f）異常情況與上述合成結果相符，表現(xiàn)為5月土壤濕度指數(shù)偏大時，關鍵區(qū)6月蒸發(fā)量、水汽含量和可降水量均為正異常。

圖7 1980—2019年5月土壤濕度高值年減去低值年合成的6月大氣異常場和5月土壤濕度指數(shù)回歸結果Fig.7 Atmospheric anomaly field in June synthesized by subtracting the low soil moisture year from the high soil moisture year in May and the regression results of soil moisture index in May during 1980—2019

土壤濕度異常也能夠通過改變陸-氣之間的能量收支影響降水異常。圖8 給出了土壤濕度異常年隨后6 月的潛熱通量、地表溫度、感熱通量、邊界層高度以及對流有效位能的異常合成圖。當5 月土壤濕度異常偏濕時，6 月關鍵區(qū)蒸發(fā)加大使得地表向大氣輸送的潛熱通量增加（圖8a）；蒸發(fā)需要吸收更多的地面熱量，地表溫度降低（圖8b），地表向上釋放的感熱通量減少（圖8c）。上述熱量異常導致波恩比（即感熱通量和潛熱通量之比）減小。小的波恩比預示著建立相對窄的邊界層（圖8d），低層大氣的濕熵偏高［33］。同時，邊界層的變薄有利于對流不穩(wěn)定能量的釋放，增加了對流活動的潛能（圖8e），導致局地降水出現(xiàn)正異常。He 等［34］的研究也指出土壤濕度增加可以加強對流有效位能，有利于局地對流上升。利用土壤濕度指數(shù)回歸上述變量，所得結果與合成結果類似（圖8a～e、圖8f～j）。

圖8 1980—2019年5月土壤濕度高值年減去低值年合成的6月陸-氣能量收支異常和5月土壤濕度指數(shù)回歸結果Fig.8 Land-air energy budget anomalies in June synthesized by subtracting the low soil moisture year from the high soil moisture year in May and the regression results of soil moisture index in May during 1980—2019

綜上，當中亞中部關鍵區(qū)5月土壤濕度偏濕時，土壤濕度異?？沙掷m(xù)到6 月，引起6 月局地蒸發(fā)量正異常。6月蒸發(fā)量增大一方面加大了大氣中水汽含量，為局地降水形成提供了有利的水汽條件；另一方面使得地表向上潛熱通量增加，感熱通量減少，波恩比減小。小的波恩比使得大氣邊界層變薄，低層大氣濕熵增加，對流不穩(wěn)定能量增大，有利于降水天氣的發(fā)生。在以上水汽和動力條件的共同作用下，6月局地降水增多。

3 討論

3.1 ENSO與中亞土壤濕度和降水變化的聯(lián)系

已有研究指出ENSO對土壤濕度有著重要的影響［35］。例如，El Ni?o事件導致非洲南部地區(qū)土壤濕度增加，熱帶部分地區(qū)土壤濕度下降［36］。那么，ENSO是否可以影響中亞5月土壤濕度呢？此外，前人已經(jīng)揭示了ENSO 對中亞降水有顯著影響［6-8］，土壤濕度和ENSO 對中亞降水的關聯(lián)和獨立性又如何呢？由于ENSO 事件存在顯著的季節(jié)鎖相特征，在冬季達到盛期，因此本節(jié)采用冬季Ni?o 3.4 指數(shù)表征ENSO 事件，1980 年冬季指1979 年12 月到1980年2月。

冬季Ni?o 3.4 指數(shù)與同年中亞5 月土壤濕度和6月降水的相關性均較弱（圖略），但與次年中亞5月土壤濕度和6 月降水存在顯著相關（圖9）。由圖9可知，前期冬季Ni?o 3.4指數(shù)與隨后5月土壤濕度在中亞中東部呈顯著正相關，在中亞西部、北部和東南部相關性較弱（圖9a）；與隨后6 月降水在中亞南部地區(qū)呈顯著正相關，其余區(qū)域相關性較弱（圖9b）。上述結果說明，ENSO 事件對隨后中亞5 月的土壤濕度和6 月的降水都有一定影響，但顯著影響區(qū)域有所差異。值得注意的是，冬季Ni?o 3.4 指數(shù)與5月土壤濕度和6月降水在本文所選的中亞中部關鍵區(qū)均表現(xiàn)出一定程度的顯著正相關（圖9）。進一步計算得到冬季Ni?o 3.4 指數(shù)與關鍵區(qū)5 月土壤濕度指數(shù)和6月降水指數(shù)的相關系數(shù)分別為0.33和0.70，均通過95%顯著性檢驗（表2）。因此，前冬ENSO 事件既可以影響中亞關鍵區(qū)隨后5 月的土壤濕度變化，也可以影響隨后6月的降水變化。

表2 冬季Ni?o 3.4指數(shù)與5月土壤濕度和6月降水量的相關和偏相關系數(shù)Tab.2 Correlation and partial correlation coefficients between the winter Ni?o 3.4 index and soil moisture in May and precipitation in June

圖9 1980—2019年冬季Ni?o 3.4指數(shù)與中亞5月土壤濕度和6月降水量相關系數(shù)空間分布Fig.9 Spatial distribution of correlation coefficients of the winter Ni?o 3.4 index with soil moisture in May and precipitation in June in Central Asia during 1980—2019

3.2 ENSO和中亞土壤濕度對中亞降水影響的關聯(lián)和獨立性

為了揭示出前冬ENSO 和5 月土壤濕度各自對中亞6 月降水的獨立影響，考慮排除5 月土壤濕度（前期冬季Ni?o 3.4）指數(shù)干擾后，前期冬季Ni?o 3.4（5 月土壤濕度）指數(shù)與6 月關鍵區(qū)降水指數(shù)的偏相關系數(shù)。由表2可知，當排除冬季Ni?o 3.4指數(shù)影響后，5月土壤濕度指數(shù)與6月降水指數(shù)的相關系數(shù)為0.67，仍然呈顯著正相關。但當排除5 月土壤濕度影響后，冬季Ni?o 3.4指數(shù)和次年6月降水指數(shù)的相關系數(shù)僅為0.15，未通過顯著性檢驗。這一結果說明，5月土壤濕度異常是ENSO影響次年6月中亞中部地區(qū)降水的重要媒介，但5 月土壤濕度異?？梢元毩⒂贓NSO影響6月局地降水變化。

本文目前僅依賴統(tǒng)計分析和動力診斷等方法揭示了中亞土壤濕度對降水的影響，后期還應通過數(shù)值模式實驗驗證觀測資料所得結果。此外，本文只考慮了土壤濕度和降水的局地相關，中亞夏季降水變化是否還受到其他非局地土壤濕度異常的影響，中亞中部土壤濕度異常是否還影響其他非局地區(qū)域的降水變化，這些問題都有待深入研究。除了土壤濕度，以往研究指出中亞夏季降水還受到熱帶印度洋海溫異常［37］、南亞高壓［11］、東大西洋-西俄羅斯遙相關型［38］、北非副熱帶高壓［39］等因子的影響。各個因子對中亞夏季降水影響的主次和協(xié)同關系也值得進一步研究。

4 結論

（1）1980—2019年中亞春季逐月土壤濕度總體表現(xiàn)為北部和中部高、西南和東南低的空間分布特征，中國西北是中亞土壤濕度極小區(qū)域。塔吉克斯坦、吉爾吉斯坦一帶的土壤濕度季節(jié)內變化較小，其余區(qū)域的土壤濕度從3月到5月逐月降低。中亞西南部3—4月土壤濕度的年際變化劇烈，中國西北土壤濕度年際變化較弱。中亞春季土壤濕度的趨勢變化表現(xiàn)出明顯的空間差異和季節(jié)內差異，其中中亞北部土壤濕度在3 月呈顯著增加趨勢，而4—5月則呈顯著減少趨勢；中亞西南部3 月土壤濕度顯著減少；中國西北地區(qū)的減少趨勢較弱，未通過顯著性檢驗。

（2）中亞6 月降水與前期5 月土壤濕度在中亞中部呈局地顯著正相關，7—8月降水與前期土壤濕度的相關性不顯著。當中亞中部關鍵區(qū)5月土壤濕度偏濕時，土壤濕度異常持續(xù)到6月，導致6月局地蒸發(fā)量增加，大氣可降水量增多；同時，蒸發(fā)量的增加使得地表向上潛熱通量增加，感熱通量減少，波恩比減小。小的波恩比使得大氣邊界層變薄，低層大氣濕熵增加，對流不穩(wěn)定能量增大，有利于降水天氣的發(fā)生。在以上有利的水汽和動力條件共同作用下，6月局地降水增多。

（3）前冬Ni?o 3.4 指數(shù)與隨后5 月中亞中部土壤濕度和6月降水都呈顯著正相關，前冬ENSO事件既可以影響中亞關鍵區(qū)隨后5 月的土壤濕度變化，也可以影響隨后6月的降水變化。偏相關分析進一步指出，5月土壤濕度異常是ENSO影響次年6月中亞中部地區(qū)降水的重要媒介，但5 月土壤濕度異常可以獨立于ENSO影響6月局地降水變化。