欧亚陆地表层热含量的异常变化特征及其与东亚夏季风降水的可能联系

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欧亚大陆地表特征复杂,不同区域的下垫面特征差异明显,使用单一的陆面因子很难客观地表征陆面热力状况。本文利用通用陆面模式CLM4.0(Community Land Model version 4.0)离线模拟的土壤温度、土壤湿度(液态水和冰)资料和IGBP(International Geosphere-Biosphere Programme)提供的土壤质地数据集,推导并计算出土壤焓来表征地表热含量;其次,分析了欧亚土壤焓的时空变化特征及其与土壤温度、土壤湿度之间的异同,比较了土壤焓对土壤温度、土壤湿度的敏感性;再次,从长期趋势、异常持续性和降水预测等角度证明了土壤焓在陆气相互作用研究中的重要性;最后,揭示了欧亚大陆春季土壤焓与我国夏季降水的联系及其物理过程。主要结论如下:(1)土壤焓综合考虑了土壤温度、土壤液态水、土壤固态水和土壤干物质(包括土壤有机质、沙土、粘土)的变化,从能量的角度描述欧亚陆面热力状况,基本特征如下:欧亚大陆土壤焓具有随纬度减小的特征,冬季,由于土壤温度低于0°C和土壤固态水的存在,中高纬度地区土壤焓普遍小于0;土壤焓的长期趋势以增加为主,在距地表大约60 cm处增加最明显;欧洲东部地区土壤焓的年际变化较为突出,夏季是年际变化最弱的季节;欧亚大陆土壤焓沿45胖°N有南北反相的年际变化特征;土壤焓在冬半年的持续性好于夏半年,深层土壤的持续时间平均能达到9个月,并且土壤干物质焓和液态水焓异常持续性的季节差异具有随纬度变化的特征。(2)土壤焓与土壤湿度、土壤温度的密切程度存在显著差异,在气候态的空间分布上与土壤温度较为相似,在年际变化强度的空间分布上与土壤湿度颇为一致,在线性趋势方面又都与两者存在明显的差异,而异常持续性主要介于两者之间。此外,当土壤温度小于0°C或土壤中有固态水存在时,土壤湿度对土壤焓是负贡献,相反地,土壤湿度越大土壤焓越大;土壤温度对土壤焓的贡献全年为正。土壤焓对中高纬度土壤固态水的变化十分敏感,对土壤温度的敏感区集中在非洲北部、阿拉伯半岛等中低纬地区。随着深度的增加,土壤温度的变化对土壤焓越来越重要。(3)冬季,欧洲东部地区土壤焓的显著增加反映出能量以潜热形式在土壤中不断累积的现象,而土壤湿度和土壤温度未能描述出该陆面热力异常状态,并且通过土壤焓的增长能够描述出蒙古高原东部地区土壤固态水减少、印度河平原地区土壤增暖、非洲中部地区土壤湿度和土壤温度共同增加的不同现象。其次,较土壤湿度和土壤温度而言,中国东部地区冬春季节土壤焓表现出连续的、较长的记忆力。此外,在黄淮地区和华南地区,土壤焓与降水相关的持续性较土壤温度和土壤湿度都有所改善,具有突显下垫面热力异常强迫区域气候的能力,有助于提高我国夏季降水的预测水平。(4)乌拉尔山东、西两侧的中亚地区、东欧平原分别是春季欧亚大陆土壤焓影响我国东部夏季降水的陆面热力关键区。5月,土壤焓在两个关键区间“跷跷板”式的异常,通过改变地面向上长波辐射和潜热,影响地表、对流层中低层的气温,进而引起两个关键区上空位势高度异常的协同变化;6月,东北地区受异常高压控制,南侧形成的异常东风有利于西风急流的减弱北抬,使得副高位置偏北;7月,东北地区的异常高压维持并得到发展,而副热带异常低压随之北移至华南地区上空,相应地,受异常反气旋控制的江淮以北地区少雨,而受异常气旋控制的华南地区多雨,反之亦然。
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