青藏高原热、动力作用在亚洲季风系统中扮演重要角色,高原的热、动力强迫异常对东亚大气环流及天气气候的影响一直是热点科学问题。高原地表广泛分布着季节性冻土和多年冻土,其季节变化影响着高原地-气间的能量和水分交换。地表非绝热加热与陆面过程相关,冻融过程作为高原陆面过程中最突出的特征之一,必然影响着高原的地表非绝热加热变化,会引起高原热力强迫异常,从而对大气环流及天气气候产生影响。本文首先利用站点观测资料,分析了冻融过程中土壤水热传输特征,结合模式数值试验,定量分析了冻融过程引起的不同时期的土壤温、湿度的变化特征。在此基础上,对再分析资料在冻融过程中的地表非绝热加热偏差特征进行了分析,对比分析了在冻融过程中不同时期的地表非绝热加热的变化特征,定量分析了冻融过程引起的地表非绝热加热异常变化,探讨了融冻期地表非绝热加热异常对东亚大气环流的可能影响。接着分析了高原融冻期的土壤湿度与降水耦合关系的变化特征,重点探讨了冻融过程对高原土壤湿度与降水相互作用的影响。此外,进一步分析了从前秋到春季,土壤经历冻结—融化过程中土壤湿度异常的跨季节持续性,探讨了高原土壤湿度跨季节持续性异常对中国东部夏季降水的影响及其机理。最后,分析了与冻融过程相关的高原热力强迫异常对周围大气环流影响的动力机制。主要研究内容和结论如下:1、揭示了冻融过程的“水分存储”效应,定义的水分存储指数在土壤浅层可达0.95,区域平均的深层土壤的水分存储指数要比浅层更大。当土壤没有冻融过程时,土壤水分以液态形式存在,会加大地表蒸发,导致融化后的土壤湿度减少约10%,其量级与春季高原土壤湿度的年际异常相当。冻融过程的水分存储作用大小与冻结前的土壤湿度含量及冻结时的土壤温度呈显著的反相关,当土壤偏湿、土壤温度偏高时,土壤水分更易损失。没有土壤冻融过程可导致土壤温度在冻结期偏低-1.02℃,而在融化后偏高0.91℃,说明了冻融过程对土壤温度的季节变化起了缓冲作用。冻融过程引起的土壤温度异常变化与冻结时的土壤湿度以及土壤冰含量呈显著的正相关。冻融过程通过改变土壤的水热性质(热导、热容、水导等)和引起水分相变中的能量变化,导致了土壤温、湿度的异常变化。在冻融过程中,土壤温度异常变化主要受水分相变能量变化的影响,而土壤热导、热容的变化引起的土壤热量垂直传输异常有助于缓解土壤温度的异常变化。冻融过程对土壤湿度变化的影响,主要与冰含量引起的土壤水导和垂直水通量传输异常变化有关。土壤水分向冻结锋面迁移是深层土壤湿度异常变化的重要因素。2、分析得出了再分析资料对冻融过程中高原地表非绝热加热的描述存在较大偏差,尤其在融冻时期的春季。对比不同再分析资料的偏差特征,ERA-Interim偏差最小(大约5W/m~2),再分析资料在高原西部的地表非绝热加热偏差要比高原东部的大。在土壤冻融过程中,冻结期与非冻结期的地表非绝热加热可相差10W/m~2以上;没有土壤冻融过程导致冻结期的地表感热减小-2.63W/m~2,地表潜热增大2.92W/m~2,而融化后的地表感热增大4.72W/m~2,地表潜热减小-1.07W/m~2。当春季高原地表感、潜热偏差为±5W/m~2时,地表非绝热加热异常显著影响印度、中国东部及中南半岛地区的夏季降水,引起高原季风环流、高原北侧西风急流及下游中国东部地区环流的异常变化。3、揭示了由土壤融冻引起的春季土壤湿度变化与高原夏季降水之间存在明显的耦合关系。耦合关系特征具有较大的空间差异性。在高原中东部地区,春季土壤湿度与夏季降水之间为正耦合关系,而在高原西部二者为负耦合关系。总体上,春季土壤湿度与夏季降水的耦合强度随土壤湿度增加而增大;当海拔高度大于3km,春季土壤湿度与夏季降水的耦合强度随海拔升高而减小。高原东部地区的土壤湿度与降水耦合关系在空间变化上与春季高原地表感热变化一致;而高原西部地区的耦合关系在空间变化上与春季土壤湿度变化一致;降水—土壤湿度耦合关系在空间上的变化与冻融过程引起的春季土壤湿度及地表非绝热加热变化相关。高原春季土壤湿度异常对高原后期夏季降水影响的可能机理是,通过引起地表非绝热加热异常,影响高原周围大气环流,改变高原南侧向高原的水汽输送。4、揭示了高原土壤湿度异常的跨季节持续性特征。前秋和前冬的土壤湿度异常可以通过土壤冻融过程持续到春季,前秋土壤湿度异常通过土壤冻结储存,到了春季随着土壤融冻,土壤湿度异常信号释放,引起春季地表非绝热加热异常,并对中国东部夏季降水有显著影响。当春季高原东部地区的土壤湿度增加时,华南和黄河流域降水减少,而长江流域和东北地区降水增多。当高原前秋和前冬的土壤湿度增加时,中国东部夏季降水的异常分布型与春季土壤湿度增加引起的降水异常类似,说明了高原前秋和前冬的土壤湿度异常与春季土壤湿度异常有相似的气候效应,也可以作为中国东部夏季降水跨季节预测的因子。当高原春季土壤湿度增加,高原地表非绝热加热减弱,引起夏季高原北侧大气偏冷异常,增大了高原北侧大气的经向温度梯度,使高原北侧的西风加速,减弱了定常Rossby波列的传播,导致下游地区的大气环流在东北—日本附近为反气旋性异常,低层风场异常影响了水汽输送,从而造成了中国东部地区夏季降水异常。5、深化了与冻融过程相关的高原热力强迫异常对周围大气环流影响的动力机制的认识。通过在斜压通道模式中加入“高原热源”型热力强迫,而没有地形作用的情况下,模式可以再现高原南侧经向温度梯度反向、东风出现,以及高原北侧经向温度梯度加强、西风加速等季风环流特征,说明了高原热力强迫在亚洲夏季风系统中的主导作用,也意味着高原冻融过程通过引起高原热力强迫异常对东亚大气环流产生显著影响。定常热量通量和动量通量输送在高原热力强迫异常引起南、北两侧纬向风变化过程中起正反馈作用。在东风气流发展过程中,定常动量输送先促使东风形成,随后在定量热量和动量输送的共同作用下,东风气流加速;在西风气流发展过程中,定常动量输送主导西风的加速,而定量热量输送的贡献较小。模式结果进一步验证了高原是重要的负涡度源,高原热力异常能够激发出定常Rossby波,通过定常位涡通量输送异常影响下游大气环流。