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本文拟就亚洲大陆及北美大陆两个典型地区,从地表干湿指数和数值模拟的土壤水分过程变量入手,围绕过去半个世纪干湿变化的特征、与大尺度海表面温度(SST)变化和海平面气压(SLP)变化的联系及其区域对比差异进行研究,以期通过典型区域的对比分析认识增暖背景下全球干湿变化的特征和机理。主要结果可归纳如下:
1)两大陆半个世纪的干湿特征及对比分析:在亚洲大陆,干旱化较为严重的区域主要位于中国北方地区、蒙古以及中西伯利亚高原以东地区。北美与亚洲的不同之处是其中部地区以偏湿润为主,其干旱区域主要位于北方地区、太平洋和大西洋沿岸地区以及西南地区。两个大陆极端干旱事件呈现出显著增加的趋势,特别是在20世纪90年代以后,极端干旱事件发生的频率急剧增加,且夏季发生极端干旱事件的机率最大。北美最显著的特点是近半个世纪以湿润化倾向为主,但自1990s开始干旱面积急剧增加。
2)典型地区地表干湿变化与大尺度SST的联系:进一步通过多通道奇异谱分析发现,亚洲和北美的地表干湿变率与海洋SST异常(SSTA)信号之间密切相关。在年际尺度上,ENSO与亚洲干湿变化关系密切,而在年代际尺度上,类ENSO模态(PDO)与北美的干湿变化相关性更好。从相关的空间分布来看,西西伯利亚、青藏高原东西两侧以及中西伯利亚以东地区是亚洲受海洋强迫信号影响最大的区域。北美的中部到东南一带在年际尺度上与SSTA存在较强相关;但在年代际尺度上,美国西部更易受SSTA年代际振荡信号的影响。无论在年际还是年代际尺度上,中国区域南北干湿变化的反位相关系与海温变化密切相关。分析结果还表明,亚洲和北美地表干湿过程的不同时间尺度变率在很大程度上是对SSTA信号的响应,这些现象正是热带以及中高纬度海-气相互作用过程的体现。
3)土壤水分过程的数值模拟研究:亚洲的土壤湿度显示存在明显的干旱化现象,而北美在1960s到1990s期间较为湿润,土壤湿度值较大。夏季是两大陆整层土壤湿度值最低的季节。亚洲降水量以及地表径流以下降趋势为主,而北美与之相反。两大洲干旱区的地表蒸发与降水量的线性关系强于湿润区,而湿润区的地表温度与地表蒸发的线性关系好于干旱区。分析显示,亚洲干旱区的干化主要由降水减少造成,而北美干旱区干化则主要是因蒸发加强。通过利用Multi-taper Spectrum Method(MTM)以及MultitaperFrequency-Domain singular Value Decomposition(MTM-SVD)方法分析发现,亚洲和北美干旱区和湿润区土壤湿度均存在多尺度振荡信号特征。在亚洲和北美干旱区和湿润区,随着土壤深度的增加高频信号逐渐减弱而低频信号逐渐增强。此外,两大洲干旱区的土壤湿度的年际尺度振荡存在明显的信号由上层向下层传递的过程,而湿润区该特征不明显。
4)地表水分过程与SLP的联合分析:通过利用MTM-SVD方法进一步分析地表土壤湿度和SLP联合场发现,亚洲联合场的长期(趋势)变化、准十年振荡、低频和高频ENSO频段的振荡以及准两年的振荡均显著存在于土壤湿度和SLP的变化过程中。其中长期变化过程表明亚洲大陆多数地区呈现出干化趋势,而对应的SLP处于偏高的状态。准十年的振荡显示当亚洲大陆SLP升高,而其西南的SLP降低时将不利于水汽由太平洋进入亚洲大陆,使得亚洲东南地区较为干旱。联合场分析显示出北美地区ENSO信号相对较弱而准十年的信号较其它信号更加显著。准十年的振荡信号表明当赤道以北的东太平洋以及北美西部地区的气压降低,而北美东部的气压上升时,有利于水汽从墨西哥湾进入美国南方地区,使得南方地区较为湿润。上述土壤湿度和SLP的配置关系表明,不同时间尺度土壤湿度变化与不同大气大尺度环流异常相对应。