中国及其周边地区夏季土壤湿度—降水耦合特征

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土壤湿度通过影响辐射来分配潜热和感热通量,进而影响湿对流、边界层高度以及抬升凝结高度等,从而影响降水的发生。研究土壤湿度对降水的影响,不仅有助于了解陆气间能量和水份交换的过程和改善模式初始场,而且可以提高降水预测的能力。论文首先分析了中国及其周边地区夏季土壤湿度和降水量的时空分布特征。其次,从土壤湿度影响降水的中间环节出发,分陆地段和大气段分段诊断了土壤湿度-降水耦合强度。最后采用中尺度天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF模式),对发生在耦合强区的一次午后强降水过程进行了分析,重点讨论了不同陆面过程方案和土壤湿度对其影响。主要得到以下结果:(1)将中国及其周边地区分为南、北、中三个区域,分析了1981-2008年各区域夏季降水量和土壤湿度的时空分布特征。结果表明:夏季降水量和土壤湿度均呈南部大、中部小、北部居中的特征;自1981年至2008年,中、北部土壤湿度呈下降趋势,南部土壤湿度在28年间持平,而三个区域的降水量均呈下降趋势,这可能与全球变暖有一定的联系。(2)采用土壤湿度-潜热通量耦合指数(ILH)和潜热通量-抬升凝结高度耦合指数(ILCL)量化了中国及其周边地区夏季土壤湿度-降水耦合强度。结果表明:在中国华北平原部分地区、东北平原部分地区以及外蒙古中部,ILH和负ILCL均较大,因此在这些地区,土壤湿度-降水耦合强;在青藏高原中部和印度德干高原,ILH和负ILCL均较小,因此在这些地区,土壤湿度-降水耦合弱;在土壤湿度-降水耦合中,潜热通量起着十分重要的作用,耦合弱的原因可能在于潜热通量小且其空间变化不明显。(3)采用四种不同的陆面过程方案——热量扩散方案、Noah陆面方案、LSM陆面方案以及城市冠层方案,对位于土壤湿度-降水耦合强区(山东聊城)的一次午后强降水过程进行了分析。环流形势分析表明:此次强降水由多种因素所致,高空槽脊将冷空气带入聊城及其周边地区上空,低空急流将暖湿空气输送到较干冷的空气下方,加上午后地面气温较高,近地层空气较暖,形成了对流性不稳定层结。而地表蒸发旺盛,水汽蒸发后近地面形成的相对低压与高空槽相配合,使得暖湿气流辐合上升,导致了此次强降水的发生。数值模拟及敏感性试验结果表明:低空辐合、高空辐散的高低配置是这次强降水发生的主要因素;潜热通量和降水均对土壤湿度敏感,增大(减小)土壤湿度会使潜热通量和降水量增大(减小)。
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