全球土壤湿度的记忆性特征及其气候效应

作     者：保鸿燕 

作者单位：兰州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王澄海

授予年度：2017年

学科分类：09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 090301[农学-土壤学] 

主      题：青藏高原 土壤湿度 记忆性 误差分析 数值模拟 

摘      要：土壤湿度的气候效应及其记忆性一直是气候研究的重点和热点。尤其对于青藏高原,其土壤水分相变引起的非绝热加热对局地乃至亚洲的天气,气候和环流的变化有着重要的影响,是一个值得重视的科学问题。本文利用GLDAS全球土壤湿度同化资料通过统计诊断和数值模拟方法,分析了全球土壤湿度记忆性的时空分布特征及其与气候之间的关系。首先检验了GLDAS土壤湿度资料在全球的质量,并以青藏高原为例分析了GLDAS土壤湿度在高原地区的误差及引起误差的主要原因;在此基础上利用GLDAS土壤湿度资料分析了土壤湿度记忆性在全球的时空分布特征;利用降水和气温定义了一个反映大气温湿程度的指数,利用该指数分析了全球地区土壤湿度与局地气候之间的联系;在诊断分析的基础上,在青藏高原上运用数值模拟方法设计了两组敏感性试验,分析了高原春末土壤湿度对后期局地天气过程的影响。得出了以下主要结论:(1)青藏高原地区,GLDAS浅层(0-10cm)土壤湿度在非冻结期(4-10月)变化趋势与观测较为一致,但仍存在数值大小上的偏差,这种偏差主要由GLDAS驱动资料中降水强迫资料的误差引起;在冻结期(11月-翌年3月)GLDAS对土壤冻融过程的模拟与实际差异较大,这主要是由GLDAS模式中冻融参数化方案的缺陷及地表温度的误差引起的。(2)全球尺度上,GLDAS土壤湿度数据与观测数据具有较好的相关性,利用GLDAS土壤湿度数据得到的土壤湿度的记忆性在全球尺度上存在明显的季节变化和空间差异。土壤湿度记忆性时间尺度从20天至110天不等,在湿润地区以及一些高寒地区,土壤湿度记忆性相对较长,在干旱地区浅层土壤湿度记忆性较短,中深层(10-200cm)土壤湿度记忆性较长;北半球土壤湿度的记忆性春季最长,南半球土壤湿度的记忆性夏季最长。(3)土壤湿度的记忆性量化了土壤湿度异常的持续性,体现在土壤湿度既能“记住前期气候的影响,也能持续影响后期的气候。降水和气温作为与土壤湿度变化联系最为密切的气候因子,在不同季节和地区与土壤湿度之间的相互作用不同。夏秋季降水是北半球同期土壤湿度的主要来源;北半球中高纬度及青藏高原地区,由于广泛分布着冻土,春冬季土壤湿度的增加主要依赖于同期气温升高而引起的冻土活动层的融冻及融雪;当年的夏秋季降水通过下渗和冻土活动层的冻结被保存起来,成为来年春季土壤湿度的主要来源,其中中层土壤(10～100 cm)是降水的主要存储层;同理,当年夏秋季气温的升高也会促进次年浅中层(0～100 cm)土壤的融冻,使来年春季土壤水分增加,春季气温的升高也会促进夏季土壤变湿。中低纬度地区及南半球,土壤湿度终年都随同期降水的增加而增加,随同期气温的升高而减小,中深层土壤主要存储前一个季节的气温和降水信息,即随春(夏/秋)季降水(气温)的增加(升高),夏(秋/冬)季中层土壤湿度增大(减小)。(4)春季作为北半球土壤湿度显著增加的时期,局地土壤湿度的增加有利于中低纬度地区后期降水的增多,但与北半球高纬度地区后期降水的关系较差,在季节尺度上中层土壤湿度对后期的降水影响较明显,在日至月尺度上浅层土壤湿度对后期降水的影响更重要;春季土壤湿度与夏季气温在大部分干旱地区呈现反相关关系,在高纬度地区则呈现正相关关系。(5)青藏高原春末土壤湿度的变化主要通过影响高原地区的非绝热加热以及水汽的输送去影响高原地区后期的天气过程。当青藏高原地区春末土壤湿度增大,其地表潜热通量和向上的水汽通量增大,气温降低,地表感热通量减小,引起高原大部分地区500h Pa位势高度升高,高原乃至中国上空200h Pa高空位势高度降低,使高原西北部降水增多,降水持续时间变长;当青藏高原地区春末土壤湿度减小,其土壤含水量减少,地表潜热通量和向上的水汽通量也减小,气温升高,地表感热通量增大,从而使得高原大部分地区500h Pa位势高度降低,在高原乃至中国上空200h Pa高空位势高度升高,使高原东南部降水增多,持续时间变长,西北部降水减少,持续时间变短。