作为气候系统中的关键物理量,土壤湿度通过影响地表反照率、土壤热参量以及蒸发和蒸腾来改变陆-气之间的水分和能量平衡,从而对边界层结构、云和降水等过程产生影响。土壤湿度变化,特别是土壤干旱,对高温热浪、沙尘爆发以及植被类型和生产力变化有重要作用。因此研究全球土壤湿度变化及其与气候系统的相互作用具有重要意义。在本文中,首先我们从气候区角度入手,研究了不同空间尺度的土壤湿度的变化特征;其次利用数学方法和陆面模式敏感性试验等手段定量化地计算了气温和降水对土壤湿度变化,特别是对土壤干旱化的贡献;最后分析了模式结构和初始条件差异对土壤湿度模拟结果不确定性的影响。本文的主要结论如下:(1)通过与中国地区土壤湿度观测资料比较验证发现,GLDAS(全球陆面数据同化系统)数据能够较好地反映中国地区土壤湿度的时空分布和变化特征。在此基础上,利用GLDAS数据分析全球,中国和黄土高原半干旱区1948–2010年土壤湿度的变化特征。结果表明,全球土壤湿度整体以减小为主,其中干旱化最严重的地区为北非和东亚地区,两个地区对全球干旱化的贡献高达60%以上。从气候区角度分析发现,干旱强度最严重的气候区为干湿过渡区,过渡区的强化土壤干旱首先从较湿润的过渡区开始,并于1980年左右向较干的过渡区扩展。此外,过渡区也是干旱化面积最大的区域,有超过60%的区域发生了干旱化。中国地区土壤湿度总体也表现为减小趋势,比全球平均干旱化现象严重,干旱化最严重的区域为中国东北和华北地区。近60年来黄土高原半干旱区不同深度土壤湿度的长期变化均呈减小趋势,且年际波动明显。(2)利用数学方法和陆面模式定量化研究了气温和降水对土壤湿度的影响和相对贡献。结果表明,降水和气温对土壤湿度的变化有显著影响,但是两者的作用并不相同。对全球平均而言,降水主要影响土壤湿度的年际和年代际变化,而气温主要造成土壤湿度的长期变化。回归分析和陆面模式敏感性试验表明,干湿过渡区的强化干旱主要是由增温作用造成的。在中国地区,土壤湿度减小主要由降水减小所驱动,并被气温升高所放大,中国地区升温作用大概将土壤干旱化放大了1倍左右。随着土壤湿度减小,土壤湿度和气温之间的正反馈作用可能会导致进一步的暖干化。CMIP5(第五次耦合模式比较计划)的RCP(典型浓度路径)4.5和RCP8.5两种情景下,21世纪全球和中国土壤湿度表现为持续显著的干旱化特征。黄土高原地区不同深度的土壤湿度和气温呈负相关关系,并随着土壤加深,两者的相关性加强;土壤湿度和降水则呈正相关关系,相关关系最大出现在表层土壤。(3)利用CMIP5气候模式和CESM(通用地球系统模式)输出产品,研究了历史模拟(1920–2005)和未来情景(2006–2080)下的土壤湿度不确定性。结果表明,尽管土壤湿度多模式集合平均的气候态和平均值的空间分布与GLDAS数据较为一致,但是模式单个成员之间的差异非常明显。模式结构和初始条件产生的不确定性的空间分布和数量级都比较相似,表现为较干旱的区域不确定性大,而较湿润的区域不确定性小。此外,模式结构产生的不确定性的长期变化趋势在1980年之前快速减小,之后增加,但是初始条件产生的不确定性在1920–2080年整个时间段内都为增加趋势。分析发现,初始条件和模式结构会导致土壤湿度变化趋势不同,以及所有时间尺度上的不确定性。尽管存在较大的不确定性,RCP4.5和RCP8.5情景下,几乎所有的土壤湿度模拟值都表现为减小趋势,减小最严重的区域为地中海地区、南美洲的东北部和西南地区、非洲南部以及美国西南部地区。