張人禾，劉栗，左志燕

中國氣象科學研究院，北京 100081

中國土壤濕度的變異及其對中國氣候的影響*

張人禾?，劉栗，左志燕

中國氣象科學研究院，北京 100081

土壤濕度是氣候系統(tǒng)中的重要參量，對地球系統(tǒng)中水分、能量以及地球生物化學循環(huán)都有重要影響。本文綜述了關(guān)于土壤濕度對大氣的影響，以及中國區(qū)域土壤濕度及其對中國氣候影響的研究進展，分析了土壤濕度通過影響地表能量和水分平衡，進而影響大氣的變化?，F(xiàn)有研究表明：在中國東部春季，土壤濕度的氣候分布表現(xiàn)為東北、長江中下游為高值區(qū)，華北較干，河套地區(qū)的土壤濕度最低；中國東部中緯度地區(qū)是土壤濕度年際變異最大的區(qū)域，并與東北區(qū)域呈反相變化；土壤濕度整體上呈現(xiàn)變干的趨勢，深層土壤變干較淺層土壤顯著，且東北和南方地區(qū)比中緯度地區(qū)的變干趨勢顯著。中國東部從長江流域到華北的春季土壤濕度偏高時，通過改變春末地表能量平衡可以導致東亞夏季風減弱，造成夏季華南和華北降水減小，長江中下游和東北降水增多。中國北方季風邊緣區(qū)的土壤濕度對局地降水有顯著影響，而土壤濕度對局地溫度有顯著影響的區(qū)域主要位于中國北方。

土壤濕度； 中國氣候； 地表水分平衡； 地表能量平衡

海洋和陸地對氣候具有“記憶”作用，陸地一直以來都認為是重要性僅次于海洋的氣候驅(qū)動因子[1]。土壤濕度作為陸面過程的重要參量，參與并影響著氣候系統(tǒng)中很多重要過程[2-4]，如陸表儲存的水不僅與氣候系統(tǒng)中的能量循環(huán)以及水循環(huán)密切相關(guān)，還影響著陸表與大氣間二氧化碳以及微量氣體的交換[5]。

大氣可以顯著影響土壤濕度，而土壤濕度也可以通過改變地表反照率、土壤熱容量、植被生長狀況以及蒸發(fā)蒸騰來影響地表能量、水分的分配，從而影響大氣的變化[6]。通過影響凈輻射能以及陸-氣之間感熱通量和潛熱通量，土壤濕度對大氣溫度、濕度、邊界層穩(wěn)定性以及大氣環(huán)流和降水等氣象要素都會產(chǎn)生重要影響。這里將從土壤濕度影響大氣的途徑、中國土壤濕度的變異特征以及土壤濕度對中國氣候的影響三個方面，來總結(jié)相關(guān)的研究進展，說明中國氣候變異與土壤濕度之間的聯(lián)系。

1 土壤濕度影響大氣的途徑

土壤濕度通常定義為單位體積土壤中所含水分的體積，用以下公式表示：θ=Vwater/Vsoil，其中Vwater為土壤中所含水分的體積，Vsoil為干土壤的體積。土壤濕度與大氣之間的聯(lián)系主要表現(xiàn)為土壤狀態(tài)與陸表通量的聯(lián)系，以及陸表通量與大氣狀態(tài)的聯(lián)系[7-9]。

土壤濕度可以通過局地和非局地兩種途徑影響大氣。就局地影響而言，一方面土壤濕度的增加使得蒸散(包括植被蒸騰和地表蒸發(fā))增加，導致大氣中水汽增多，從而有利于局地降水增加；另一方面增加的蒸散吸收熱量，也可以導致地表溫度降低，減小大氣的不穩(wěn)定性，造成局地降水減少。因此，土壤濕度對局地降水可以存在相反的影響。土壤濕度除了對大氣產(chǎn)生局地影響外，也可以產(chǎn)生非局地影響。例如：土壤濕度變異造成的季風區(qū)域地表溫度改變，會導致海陸溫差的變化，從而對大尺度季風環(huán)流和降水產(chǎn)生影響[14]。

土壤干濕狀態(tài)與陸表通量的聯(lián)系可以用土壤濕度和蒸散的相關(guān)來表征，土壤濕度無論是影響溫度還是降水，蒸散在其中都起到了重要作用[5,10]。就全球平均而言，降水中有60%來自于蒸散回饋[11]，蒸散消耗了一半以上陸面吸收的太陽能[12]。因此，蒸散不僅在陸面水循環(huán)中扮演了重要角色，還對全球能量平衡起著重要作用。在認識土壤濕度對大氣的影響過程中，研究土壤濕度與蒸散的關(guān)系是重要的一環(huán)。Koster等[13]總結(jié)了3種土壤濕度與蒸發(fā)的關(guān)系：當土壤濕度低于枯萎點(wilting point)時，蒸發(fā)為0；當土壤濕度很高，超過某一個閾值時，蒸發(fā)與土壤濕度無關(guān)；當土壤濕度處于枯萎點和該閾值之間時，蒸發(fā)隨著土壤濕度的增加而增加。Dirmeyer[7]則指出土壤濕度與蒸散的關(guān)系會隨著時間和空間的變化而變化。例如：在中國區(qū)域，土壤濕度與蒸散在中國的北方地區(qū)呈顯著的正相關(guān)，這與Koster等[51]給出的土壤濕度與降水的“熱點”耦合區(qū)相符，說明該區(qū)域蒸散在土壤濕度與降水關(guān)系中的重要性；同時，Dirmeyer[7]的研究表明土壤濕度與蒸散在中國華南地區(qū)呈顯著負相關(guān)，說明此地區(qū)的土壤濕度受地表通量的驅(qū)動，即土壤濕度對大氣的反饋作用很弱。

土壤濕度與降水關(guān)系的復雜性不僅在于土壤濕度與蒸散關(guān)系的復雜性，還在于蒸散與降水的關(guān)系也是很難確定的一環(huán)[5]。因此，盡管過去很多研究對土壤濕度和降水的耦合進行了探究，但對土壤濕度和降水關(guān)系的確定仍然存在較多問題。比如在數(shù)值模式中，目前大多數(shù)模式都是把土壤濕度-蒸散和土壤濕度-降水兩種關(guān)系分開處理，即土壤濕度一方面與蒸散為正相關(guān)，另一方面與降水也呈正相關(guān)，并且大多數(shù)模式不能描述土壤濕度對降水的負反饋作用[52-54]。因此，土壤濕度與降水間的關(guān)系(尤其是負相關(guān)關(guān)系)及其反饋機制是土壤氣候?qū)W中一個重要問題。

2 中國土壤濕度對氣候的影響和變異特征

許多研究利用有限的觀測資料對中國土壤濕度的時空特征進行了分析。馬柱國等[15]指出在中緯度區(qū)域，土壤濕度存在3～4年的周期變化。林朝暉等[16]通過分析土壤濕度的垂直廓線，指出60 cm可作為土壤含水量變化的轉(zhuǎn)折點，在60 cm以上土壤水分受蒸發(fā)影響比較顯著，而在此之下的土壤保持在較濕的狀態(tài)，且深層各層土壤含水量相對較為接近。郭維棟等[17]指出北方的土壤在20世紀60年代到70年代末呈現(xiàn)出顯著濕期，90年代以后為顯著干期。孫丞虎等[18]發(fā)現(xiàn)春季表層到中層土壤濕度的大值中心位于淮河流域，這種模態(tài)在春季比其他季節(jié)更加顯著。

土壤濕度觀測資料的匱乏嚴重限制了土壤氣候?qū)W的發(fā)展，很多科學家利用再分析資料替代觀測資料進行土壤濕度的相關(guān)研究。Liu等[19]分別利用觀測資料和再分析資料對比分析了中國東部土壤濕度的氣候特征。如圖1(a)所示，春季的土壤濕度在東北北部、長江中下游為高值區(qū)(超過了0.2)，華北較干，河套地區(qū)的土壤濕度則低于0.1。ERAInterim再分析資料(圖1(b))呈現(xiàn)了土壤濕度從西北往東南遞增的趨勢，但對觀測資料中河套地區(qū)的干中心描述不好。左志燕和張人禾[20]利用ERA-40資料研究了100°E以東中國春季土壤濕度的EOF第一模態(tài)空間分布，觀測資料(圖1(c))和ERA-40(圖1(d))資料都表明中國東部中緯度地區(qū)是土壤濕度變異最大的區(qū)域，且與東北區(qū)域呈反位相變化。

為了說明土壤濕度再分析資料在中國區(qū)域的適用性，Liu等[19]對比分析了春季觀測資料與多種再分析資料(包括MERRA、ERA、JRA、CFSR、NCEP等)在中國東部區(qū)域的差異。圖2為春季中國東部中緯度地區(qū)(108°E以東，30°N～40°N)再分析資料與觀測資料中土壤濕度、降水及蒸發(fā)的均方根誤差(RMSE)。可看出ERA土壤濕度在量值上最接近觀測值，而CFSR、NCEP、JRA資料中的量值則依次次之，MERRA土壤濕度量值與觀測相差最大。在降水方面，除NCEP外，其余4套再分析資料中降水的RMSE值都很接近，說明其降水量與觀測值的差異都較小。在蒸發(fā)方面，ERA資料的優(yōu)勢比較明顯，其他再分析資料的RMSE值是ERA的20倍左右。圖2表明ERA土壤濕度與觀測最相近的原因主要是其蒸發(fā)與觀測值的差異最小。

圖1 (a)(b)為春季平均土壤濕度的空間分布；(c)(d)為春季土壤濕度EOF第一模態(tài)(單位：m3·m-3)((a)(c)為觀測資料，(b)(d)為ERA-interim再分析資料，時間：1993—2008年)[19]

圖2 再分析資料與觀測資料在東部中緯度區(qū)域關(guān)于土壤濕度(單位：10-1m3·m-3)、降水(單位：mm/d)、蒸發(fā)(單位：10-2m·kg·s-1·kg-1)的均方根誤差(RMSE)

左志燕[21]分析了中國東部土壤濕度的長期變化趨勢，圖3給出了春季中國東部南方區(qū)(100°E～110°E，30°N以南)、中部區(qū)(105°E～120°E，30°N～40°N)和東北區(qū)(115°E以東，40°N以北)的土壤濕度隨時間的變化。由圖3(a)可見，南方四層土壤濕度的年際變化特征基本一樣，從1976年以后存在一個較明顯的變干趨勢，表明20世紀80年代以前南方地區(qū)土壤偏濕，之后土壤偏干。該結(jié)果與馬柱國[22]利用土壤濕度觀測資料分析的結(jié)果一樣。中部地區(qū)(圖3(b))整體變化趨勢基本一致。與南方土壤濕度不同的是，中部地區(qū)的土壤濕度并沒有一個明顯的變化趨勢。東北地區(qū)(圖3(c))淺層和深層土壤從20世紀80年代以后都普遍偏干，但深層和淺層土壤濕度年際變化特征差異性較大。利用 M-K 方法對各區(qū)土壤干化趨勢顯著性的檢驗結(jié)果表明：南方的土壤從深層到淺層都有一個明顯的變干趨勢，且1980年以后的變干趨勢顯著；在中部地區(qū)，淺層變化趨勢不顯著，但深層土壤1988年以后有顯著的變干趨勢；東北土壤呈現(xiàn)出淺層變化不明顯，深層變干的趨勢，尤其是在1978—1996年時間段，深層的土壤顯著變干?？傊?，就整個東部地區(qū)而言，深層土壤比淺層土壤變干趨勢明顯，且東北和南方較中部地區(qū)變干趨勢顯著。

圖3 (a)(b)(c)分別為中國東部南方、中部、東北標準化土壤濕度的時間變化序列[21]

3 土壤濕度對中國氣候的影響

土壤濕度對氣候的影響來自于其本身的“記憶性”。一般來說，土壤濕度異?？梢猿掷m(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的時間，并對短期氣候預(yù)測有重要指示作用[23-29]。以下將從降水和溫度兩個方面說明土壤濕度在中國氣候變異中的作用。

3.1 土壤濕度對降水的影響

土壤濕度與降水的關(guān)系很早就得到了科學家的關(guān)注，這方面的研究最早可以回溯到20世紀上半葉[30]。20世紀下半葉，科學家們開始嘗試利用數(shù)值模式進行敏感性試驗，探究土壤濕度在區(qū)域和全球氣候中的作用[31-33]，研究重點集中在水汽循環(huán)方面(如蒸發(fā)對局地降水的貢獻[34-35])，同時利用氣候模式來追蹤水汽的方法也逐漸完善[36-41]。近些年來，關(guān)于土壤濕度與降水關(guān)系的研究更側(cè)重間接的影響，如關(guān)注土壤濕度對邊界層穩(wěn)定性以及降水形成的影響，而不僅僅是土壤濕度的改變直接帶來的水汽變化[42-46]。

20世紀90年代以后，中國科學家對中國區(qū)域土壤濕度與降水的關(guān)系進行了研究。馬柱國等[15]指出中國東部各厚度層的土壤濕度與降水呈正相關(guān)關(guān)系。張秀芝等[47]發(fā)現(xiàn)濕期與干期的土壤濕度差與降水差有很好的對應(yīng)關(guān)系。Yeh等[33]利用數(shù)值模擬指出了土壤濕度在短期氣候變化中的作用。郭維棟等[48]通過將一個土壤濕度反演模型引入IAP跨季度氣候預(yù)測系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)前期土壤濕度異常對后期降水有顯著影響。Wu和Zhang[49]指出，土壤濕度反饋對中國北部的干旱和洪澇起重要作用，而對中國南方的降水異常影響較小。Li等[50]在數(shù)值模式中加入土壤濕度的年際變化后，模式對東亞中高緯地區(qū)夏季降水有更好的模擬能力。

除了土壤濕度與降水的局地關(guān)系外，近些年來土壤濕度對降水的非局地作用也得到了很大關(guān)注。一些研究表明土壤濕度可以通過改變地表能量平衡來影響大氣環(huán)流，從而進一步影響降水[55-58]。張人禾和左志燕[56]通過資料診斷，發(fā)現(xiàn)當春季從長江中下游到華北的土壤濕度偏濕時，夏季東北和長江流域降水偏多，華北和南方降水偏少(圖4)，此結(jié)論在數(shù)值模擬中也得到了驗證[59]。張人禾和左志燕[56]給出了這種土壤濕度非局地影響的物理過程：春季從長江中下游到華北區(qū)域的土壤濕度偏高，引起的局地能量平衡改變，導致該區(qū)域春末(5月)表面溫度降低，從而使東亞夏季風減弱。與弱東亞夏季風相對應(yīng)，華南和華北降水減少，長江中下游降水增加。同時，東北上空出現(xiàn)異常氣旋，使此處降水增加。

圖4 春季土壤濕度(左)與夏季降水(右)的SVD第一模態(tài)空間分布[56](陰影區(qū)為超過0.1顯著性水平的區(qū)域)

3.2 土壤濕度對溫度的影響

土壤濕度與溫度的關(guān)系近些年才被引進氣候模式中[60-63]。土壤濕度導致的溫度變化能顯著影響近地面氣候，并且與極端高溫和熱浪事件密切相關(guān)[63-71]。中國東部土壤濕度對溫度變化有重要影響[61]。Seneviratne等[72]指出：中國北方地區(qū)為強的土壤濕度-溫度耦合區(qū)，即溫度隨著土壤濕度的增加而減小；在中國的南方地區(qū)則不存在土壤濕度-溫度的反饋，此地區(qū)的土壤濕度受溫度的影響，即土壤濕度隨著溫度的升高而增加。馬柱國等[15]指出中國東部各層土壤濕度與氣溫呈負相關(guān)關(guān)系。游性恬[73]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當春季亞洲中緯帶地面偏濕時，其后2～4個月中高緯帶對流層內(nèi)溫度降低。李巧萍等[74]發(fā)現(xiàn)春季長江中下游的土壤濕度正異?？梢詫е聟^(qū)域內(nèi)地表氣溫降低。Zhang等[75]利用WRF模式模擬了土壤濕度對溫度的影響，結(jié)果表明中國東北到華中地區(qū)是土壤濕度-溫度耦合強度較高的地方。

土壤濕度影響地表溫度的能力可以分解為土壤濕度影響蒸發(fā)的能力以及蒸發(fā)影響地表溫度的能力。Wu和Zhang[10]通過對比土壤濕度-蒸發(fā)以及蒸發(fā)-溫度的關(guān)系圖，指出中國北方地區(qū)為土壤濕度-溫度的顯著負相關(guān)區(qū)，這也與Seneviratne等[72]的結(jié)論一致。

4 總結(jié)和討論

本文綜述了土壤濕度及其對大氣的影響，進一步分析了中國土壤濕度變異及其對中國氣候的影響。一般來說，土壤濕度異常可以持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的時間，這種特性使土壤濕度能“記憶”大氣的異常并不斷反饋大氣，土壤濕度對氣候的影響來自于其本身的“記憶性”，是與海溫同樣重要的氣候“記憶因子”。

由于土壤濕度資料的匱乏，很多研究利用再分析資料替代觀測資料來進行土壤濕度的相關(guān)研究。研究表明：ERA土壤濕度再分析資料與觀測最接近，是較合適的一套替代資料。利用ERA和觀測土壤濕度的研究表明：在氣候平均情況下中國東部春季土壤濕度在東北、長江中下游為高值區(qū)，華北較干，河套地區(qū)的土壤濕度最低；中國東部的中緯度地區(qū)是土壤濕度年際變異最大的區(qū)域，且與東北呈反位相變化。長期趨勢的研究表明：中國東部春季土壤濕度整體上呈現(xiàn)變干的趨勢，深層土壤變干較淺層土壤顯著，且東北和南方地區(qū)比中緯度地區(qū)的變干趨勢顯著。

土壤濕度通過局地和非局地兩種過程對中國氣候產(chǎn)生影響。就局地影響而言，中國季風邊緣區(qū)是土壤濕度對降水有顯著影響的區(qū)域，土壤濕度大時對應(yīng)著降水增多。對于非局地影響，當春季中國東部中緯度地區(qū)的土壤濕度偏高時，夏季華南和華北的降水減小，長江中下游和東北的降水變多。對土壤濕度與溫度關(guān)系的分析表明：在中國的北方地區(qū)土壤濕度對溫度有顯著反饋作用，而南方地區(qū)主要是大氣對土壤濕度的強迫作用。

在土壤濕度對中國氣候的影響方面，還存在許多問題有待于深入研究。雖然許多研究都說明了土壤濕度對中國氣候有重要影響，但現(xiàn)有研究表明中國氣候還受許多其他外強迫因素的影響，如歐亞大陸積雪、北極海冰、海溫，以及與人類活動有關(guān)的溫室氣體和氣溶膠等[76-78]。相對于這些外強迫因素而言，目前還不清楚土壤濕度在多大程度上影響了中國氣候?？紤]到土壤濕度的“記憶性”，現(xiàn)有的研究更多地集中在春季土壤濕度及其對后期夏季中國氣候的影響，土壤濕度對其他季節(jié)氣候的影響也有待于今后開展進一步的研究。另外，土壤濕度會影響氣候，而氣候反過來也會影響土壤濕度，兩者之間存在著相互作用。深入開展土壤濕度與氣候之間相互作用的研究，是認識氣候變異機理方面迫切需要解決的一個關(guān)鍵問題。

(2016年6月12日收稿)■

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(編輯：溫文)

Variations of soil moisture over China and their influences on Chinese climate

ZHANG Renhe, LIU Li, ZUO Zhiyan
Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China

Soil moisture is one of the key factors in climate system, which significantly affects the cycles of water, energy and geobiochemistry in earth system. This paper gives a review on the atmospheric infuences of soil moisture as well as the variations of soil moisture over China and their impacts on Chinese climate, so as to illustrate the soil moisture's infuences on atmosphere through altering the surface energy and water balances. In eastern China, the climatological distribution of spring soil moisture exhibits high values in northeastern China and middle-lower reaches of Yangtze River valley, and low values in northern China with the lowest in He Tao region. The largest interannual variation of spring soil moisture is found over the middle latitudes in eastern China, which is out of phase with that over northeastern China. The soil in eastern China shows drying trend, with deeper layers drying more signifcantly than upper layers and northeastern and southern China than middle latitudes. A wetter than normal spring soil moisture over the region ranging from Yangtze River valley to northern China can weaken the East Asian summer monsoon through altering the surface energy balance in late spring, resulting in less summer rainfall over southern and northern China, more over middle-lower reaches of Yangtze River valley and northeastern China. The local rainfall in monsoon marginal zone over northern China and the air temperature in northern China are infuenced signifcantly by the local soil moisture.

soil moisture, climate over China, surface water balance, surface energy balance

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.05.001

*國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2015CB453203)和國家自然科學基金(41205059、41375092)資助

?通信作者，中國科學院院士，研究方向：熱帶大尺度海氣相互作用、亞洲季風的變異、ENSO與亞洲季風的相互作用等。E-mail: renhe@camscma.cn