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土壤湿度维系着陆地上的生命,是陆地植物生长的基本条件。对于地球科学领域,它还有着其他重要作用:土壤湿度不仅是联系地表和大气间水和能量交换的重要纽带,而且也控制着降雨过程中地表径流及渗透的分配比例。本文以中国西北西部为研究区,利用先进微波扫描辐射计(AMSR-E)亮温数据估算土壤湿度,并研究土壤湿度变化及其对气候变化的响应,主要内容和结论如下:
第一:利用2002-2008年暖季(4-10月)AMSR-E的6.9GHz通道亮温数据,基于一阶辐射传输方程,发展了一个适用于干旱区的土壤湿度估算模型,以此重建了中国西北西部地表土壤湿度序列。其中,借助于土壤湿度与微波极化指数(MPDI)之间的特殊关系,对地表粗糙度进行了参数化,此参数化过程是建立本文土壤湿度估算模型的关键。经验证,重建的土壤湿度序列接近于实际情况,并能运用于其他科学研究。
第二:利用AMSR-E亮温数据和一次典型降水天气过程的降水观测数据,发展了一个降水估计模型。首先,用逐步判别分析方法判别降雨像元。然后,用降水散射指数估算降水率。结果表明:降水散射指数大于3.0K时,降水率与散射指数之间存在线性关系。经验证,估算的降水率与观测值较接近,均方根误差为2.1mm/h,估算效果较好。最终结果表明,估算土壤湿度与降水在时空分布上可以相互印证。
第三:分析了中国西北西部7个农业实验站1981-2001年土壤湿度观测资料,结果表明:进入上世纪90年代,多数站点的土壤明显干化,个别站还存在突变现象。进一步研究表明,西北西部土壤湿度与局地降水、蒸发、相对湿度等气侯因子相关不明显,而与气温有着显著的负相关,这主要是由于土壤湿度与气温之间存在负反馈过程。
第四:利用逐月土壤湿度产品资料,分析了研究区土壤湿度变化及其对气候变化的响应。由于AMSR-E产品时间序列相对较短、部分时空不连续,选取1948-2007年NOAA气候预测中心(CPC)制作的0-10cm土壤湿度产品作为AMSR-E资料的补充和延伸。结果表明:整个中国西北西部土壤湿度呈增加趋势,气候趋势倾向率为0.16%/10a,并有2-7、11、21年周期震荡。其中,北疆、天山一带及南疆西部地区的土壤湿度为明显增加趋势(>0.2%10a)。REOF分析结果表明,研究区土壤湿度变化分为5种典型格局,其中中西部格局(MW)代表了中国西北西部土壤湿度变化的典型格局,与全区月平均土壤湿度序列的相关系数高达0.462。土壤湿度变化与区域气候存在明显的响应:无论是前期的气温还是降水对后期的土壤湿度都有明显影响,但土壤湿度对后期的气温和降水影响却小得多。研究还发现,土壤的干湿变化与ENSO(厄尔尼诺-南方涛动,ElNino-Southern Oscillation)有着密切的联系,典型的ENSO暖(冷)事件对应研究区湿润(干旱)状况,SSTA与滞后11月的土壤湿度变化有着高度的相关性。北疆、东疆和塔克拉玛干沙漠中部一带为SSTA的敏感区,其中,艾比湖、古尔班通古特沙漠以及东疆哈密一带为高度敏感区。土壤湿度对ENSO的响应主要源自于降水对ENSO的响应。