卓 嘎，巴桑曲珍，杜 軍

(1.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所拉薩分部， 拉薩 850001；2.西藏高原大氣環(huán)境科學(xué)研究所， 拉薩 850001； 3.西藏高原大氣環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 拉薩 850001；4.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610072； 5.西藏昌都市氣象局， 昌都 854000)

引言

土壤濕度可以影響土壤本身的熱力性質(zhì)、水文過(guò)程和陸面能量分配[1]，導(dǎo)致大氣環(huán)流系統(tǒng)的持續(xù)異常，從而造成區(qū)域氣候異常和重大氣象災(zāi)害[2-3]。氣候變化也在通過(guò)陸-氣相互作用對(duì)土壤濕度的變化特征產(chǎn)生深刻的影響。土壤濕度因素是次季節(jié)到年際尺度氣候預(yù)測(cè)的重要信號(hào)，也是全球中期數(shù)值模式和氣候預(yù)測(cè)模式中重要的氣象要素和初邊界條件，其時(shí)空分布特征及其影響一直受到氣象學(xué)者的廣泛關(guān)注[4-5]。

青藏高原作為全球氣候變化研究的敏感區(qū)[6-7]，其獨(dú)特的高寒環(huán)境已經(jīng)成為影響東亞乃至全球氣候系統(tǒng)的重要因素，高原氣候變化影響著中國(guó)、東亞的災(zāi)害性天氣與氣候變異，并且具有前兆性“強(qiáng)信號(hào)”指示意義，在中國(guó)與亞洲的生態(tài)環(huán)境安全保障中具有不可替代的重要地位。高原主體可至對(duì)流層中部，有寒帶到亞熱帶各種類型的區(qū)域氣候，地表環(huán)境復(fù)雜，是亞洲諸多大河的發(fā)源地，湖泊眾多、冰川、凍土廣布。高原的動(dòng)力強(qiáng)迫和熱力作用直接和間接地影響著亞洲季風(fēng)、全球環(huán)流及氣候變化[8]，準(zhǔn)確掌握連接陸地和大氣之間的土壤水熱狀況，有助于探討青藏高原熱力學(xué)特征變化及其對(duì)東亞乃至全球氣候變化的影響等重大科學(xué)問(wèn)題。

由于在高原進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)時(shí)段的土壤濕度觀測(cè)比較困難，且土壤濕度具有較大的時(shí)空變率，導(dǎo)致在時(shí)空尺度上具有連續(xù)性的土壤濕度觀測(cè)資料非常有限。隨著遙感和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)中國(guó)氣象局、中國(guó)科學(xué)院等部門借助科研項(xiàng)目，在高原上建立了多個(gè)土壤濕度觀測(cè)站點(diǎn)，積累了實(shí)地觀測(cè)、衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品以及陸面模式同化產(chǎn)品等資料，這些寶貴數(shù)據(jù)的分析研究極大地促進(jìn)了青藏高原土壤濕度與區(qū)域氣候變化相互關(guān)系的認(rèn)識(shí)。然而這些非觀測(cè)土壤濕度數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估和準(zhǔn)確度檢驗(yàn)是其有效應(yīng)用的前提，尋找可以較為準(zhǔn)確的描述高原地區(qū)土壤濕度時(shí)空分布特征的替代資料顯得尤為重要。因此，系統(tǒng)全面地掌握高原土壤濕度變化規(guī)律，不僅有助于進(jìn)一步了解青藏高原動(dòng)力和熱力作用對(duì)全球天氣氣候系統(tǒng)、東亞季風(fēng)的顯著影響，還能改進(jìn)區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)高原及其下游地區(qū)降水的預(yù)測(cè)能力。

本文旨在總結(jié)青藏高原土壤濕度觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)、不同來(lái)源土壤濕度替代資料在高原上的適用性、土壤濕度的時(shí)空分布特征及其影響研究，進(jìn)一步加深對(duì)青藏高原土壤濕度的變化特征及其與降水、氣溫等氣候變化因子相互影響的認(rèn)識(shí)，歸納存在的科學(xué)問(wèn)題，為今后高原土壤濕度的研究工作提供參考依據(jù)。

1 青藏高原土壤濕度觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)

由于青藏高原相對(duì)惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的地形條件，高原土壤濕度的地面觀測(cè)從20世紀(jì)末才開始進(jìn)行，并且大部分觀測(cè)站點(diǎn)分布于高原中東部，王靜等[9]對(duì)常用的青藏高原土壤濕度觀測(cè)資料做了較好地歸納。李得勤等[10]總結(jié)了土壤濕度的觀測(cè)手段包括單點(diǎn)觀測(cè)、航空遙感以及衛(wèi)星遙感，認(rèn)為不同觀測(cè)資料開展尺度轉(zhuǎn)換的方法研究非常必要。

目前在青藏高原上建立的主要土壤濕度觀測(cè)站網(wǎng)(圖1)包括：(1)中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院那曲高寒氣候環(huán)境觀測(cè)研究站建立的8個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，主要開展高寒草甸和高寒草地區(qū)域的土壤體積含水量觀測(cè)，區(qū)域平均海拔4685m。(2)青藏高原土壤溫濕度觀測(cè)站網(wǎng)[11](Tibet-Obs)，45個(gè)站點(diǎn)分布在寒冷干旱區(qū)的阿里觀測(cè)站網(wǎng)、寒冷半干旱區(qū)的那曲觀測(cè)站網(wǎng)和寒冷濕潤(rùn)區(qū)的瑪曲觀測(cè)站網(wǎng)，能反映不同氣候及不同下墊面青藏高原的土壤含水量。(3)青藏高原中部多尺度土壤溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)[12](CTP-SMTMN)，56個(gè)站點(diǎn)全部分布在青藏高原中部，區(qū)域平均海拔4650m，地勢(shì)相對(duì)平坦，生物量低，土壤水分變化范圍大，為典型的凍融區(qū)。并在西藏亞?wèn)|縣帕里鎮(zhèn)建立了25個(gè)土壤濕度觀測(cè)站點(diǎn)。(4)依托第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目“青藏高原衛(wèi)星反演產(chǎn)品校驗(yàn)外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)與產(chǎn)品改進(jìn)與資料同化研究”，國(guó)家衛(wèi)星氣象中心分別在西藏那曲地區(qū)聶榮縣、阿里地區(qū)建立了33個(gè)和17個(gè)土壤溫濕度的自動(dòng)觀測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)衛(wèi)星像元尺度的自動(dòng)站組網(wǎng)[13]建設(shè)。(5)依托第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)[14]，在西藏建立了46個(gè)觀測(cè)土壤容重、體積含水量的土壤濕度觀測(cè)站點(diǎn)。(6)青海省建立的76個(gè)土壤水分觀測(cè)站點(diǎn)，涵蓋了不同海拔高度和下墊面狀況。

從目前觀測(cè)站網(wǎng)建設(shè)上來(lái)看，觀測(cè)站點(diǎn)主要局限于交通相對(duì)方便的高原中東部地區(qū)，并且觀測(cè)站點(diǎn)分布稀疏、下墊面不均勻、時(shí)間序列有限，高原北部大片荒漠區(qū)域以及高原東南部橫斷山脈流域，土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)依然十分欠缺。因此，對(duì)高原上已有土壤濕度不同分辨率觀測(cè)資料的升尺度和降尺度方法的研究，進(jìn)而為預(yù)報(bào)模式提供初始場(chǎng)，達(dá)到改善預(yù)報(bào)水平的目的，或通過(guò)同化手段改進(jìn)對(duì)陸面過(guò)程的模擬，再分析資料等土壤濕度替代資料的使用在今后較長(zhǎng)時(shí)間里仍然是十分重要的科學(xué)研究方向。

2 青藏高原土壤濕度替代資料適用性研究

鑒于土壤濕度空間差異性較大，在青藏高原建立數(shù)量足夠多、時(shí)間序列足夠長(zhǎng)的土壤濕度地面觀測(cè)站難度較大。因此，在高原土壤濕度研究過(guò)程中除了使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)外，陸面模式同化產(chǎn)品、再分析資料以及衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品等各種替代資料在高原土壤濕度研究中得到了廣泛的應(yīng)用。

2.1 陸面模式同化產(chǎn)品

Chen等[15]認(rèn)為GLDAS(Global Land Data Assimilation)中4個(gè)陸面模式(CLM、MOS、 NOAH、VIC)均低估了青藏高原表層土壤濕度，但CLM和NOAH模式資料對(duì)10～40cm土壤層濕度代表性較好，且NOAH模式資料在高原中部的那曲地區(qū)適用性較好[16]，陸面模式低估地表土壤水分的主要原因可能是青藏高原的土壤分層現(xiàn)象[17]。CLDAS土壤濕度資料的精度總體上高于GLDAS資料[18]，且CLDAS-V1.0融合產(chǎn)品質(zhì)量在高原地區(qū)由東南向西北方向遞減。王靜等[19]對(duì)GLDAS中4個(gè)模式產(chǎn)品、ERA-Interim、NCEP1、NCEP2以及SSM/I Retrievals進(jìn)行評(píng)估，認(rèn)為衛(wèi)星資料SSM/I Retrievals適用于青藏高原大范圍地區(qū)，是研究高原土壤濕度多年變化特征較好的替代資料。Meng等[20]的研究顯示出土壤濕度空間分布特征與降水具有一定程度的不一致性。陸面模式產(chǎn)品受到植被、土壤質(zhì)地等下墊面條件的影響，融合產(chǎn)品數(shù)值高于觀測(cè)數(shù)據(jù)，在高原不同區(qū)域的適用性不盡一致。總之，GLDAS-NOAH優(yōu)于其他陸面模式，而CLDAS融合產(chǎn)品精度高于GLDAS模式產(chǎn)品。

2.2 再分析資料

崔文瑞等[21]認(rèn)為ERA-40和NCEP R-1產(chǎn)品均可反映黑河流域土壤“南濕北干”的特點(diǎn)。Su等[22]認(rèn)為ECMWF得出的土壤濕度在季風(fēng)期均高于那曲和瑪曲的土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)。劉川等[23]對(duì)比了再分析資料(ERA-Interim和CFSR)和陸面模式資料(ERA/land、MERRA/land、GLDAS的4個(gè)模式)的土壤濕度產(chǎn)品，認(rèn)為CLM與觀測(cè)值最接近，其次是NOAH或ERA-Interim。丁旭等[24]對(duì)8套土壤濕度再分析產(chǎn)品(ERA-Interim、CFSR、CFSv2、JRA-55、GLDAS中的4個(gè)模式)進(jìn)行對(duì)比分析，指出非凍結(jié)期NOAH和CLM產(chǎn)品能夠較好的反映土壤濕度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程特征；MOS、VIC、ERA-interim和CFSv2產(chǎn)品在一定程度上能夠展現(xiàn)部分地區(qū)土壤濕度的變化趨勢(shì)，而JRA-55產(chǎn)品無(wú)法描繪各地區(qū)土壤濕度的變化。

總體來(lái)說(shuō)，多數(shù)再分析資料與觀測(cè)數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性。再分析資料與觀測(cè)數(shù)據(jù)的誤差來(lái)自于模式中的參數(shù)化方案和參數(shù)值選取，以及驅(qū)動(dòng)陸面模式的強(qiáng)迫資料和初始條件的不確定性，還和數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率、土壤濕度的不同層次和季節(jié)性差異，以及草甸、草原與荒漠等不同下墊面條件存在密切聯(lián)系，尤其是在凍結(jié)期再分析資料不能準(zhǔn)確刻畫和再現(xiàn)土壤濕度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

2.3 衛(wèi)星遙感反演產(chǎn)品

Su等[11]認(rèn)為AMSR-E和ASCAT-L2在高原寒冷地區(qū)的使用表現(xiàn)出很大的不確定性。兩者均高估了寒冷半干旱的那曲地區(qū)季風(fēng)期的土壤濕度，但能很好地描述寒冷濕潤(rùn)的瑪曲季風(fēng)濕期的土壤濕度，卻分別高估和低估了冬季土壤濕度。席家駒等[25]也認(rèn)為AMSR-E土壤濕度在數(shù)值上與觀測(cè)值存在較大誤差，但能夠較好地描述高原觀測(cè)網(wǎng)中的土壤濕度空間分布特征。研究[26]表明，基于AMSR-E資料改進(jìn)后的SCA模型能較好地反演那曲、瑪曲地區(qū)的土壤濕度。反演算法的改進(jìn)[27]使得AMSR-E土壤濕度產(chǎn)品更加接近實(shí)測(cè)值。

Wang等[28]認(rèn)為FY-3B反演資料在時(shí)間變化上優(yōu)于ERA-Interim產(chǎn)品和TRMM反演的土壤濕度。孫添等[29]則指出該資料在那曲地區(qū)絕對(duì)量偏差較大，時(shí)間變化優(yōu)于再分析資料和水文模擬資料，認(rèn)為基于陸地參數(shù)反演模型(LPRM)反演的土壤濕度數(shù)據(jù)在青藏高原南部和東部地區(qū)較為可信。

Zeng等[30]對(duì)比分析了衛(wèi)星遙感土壤水分產(chǎn)品(NASA、LPRM、JAXA、AMSR2、SMOS、ASCAT和ECV)和再分析數(shù)據(jù)(ERA)與那曲、瑪曲觀測(cè)的土壤濕度，認(rèn)為所有產(chǎn)品均可以捕獲土壤濕度變化動(dòng)態(tài)，且ECV和ERA的表現(xiàn)優(yōu)于其他產(chǎn)品。范科科等[31]認(rèn)為多套數(shù)據(jù)(ECV、ERA-Interim、MERRA、Noah)可以很好地反映土壤水空間變化特征，遙感反演和同化數(shù)據(jù)對(duì)不同區(qū)域凍結(jié)期、融化期土壤含水量的估算效果不盡一致。趙逸舟等[32]利用TRMM衛(wèi)星資料能夠較好地反演青藏高原中部地區(qū)的土壤濕度。何媛等[33]對(duì)比了ASAR傳感器數(shù)據(jù)與站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，估算了高原東北部瑪曲地區(qū)的土壤濕度，認(rèn)為遙感估算的土壤水分值偏大，且具有明顯的空間異質(zhì)性。由此可見，衛(wèi)星遙感土壤水分產(chǎn)品與觀測(cè)值之間的偏差，不僅來(lái)源于衛(wèi)星混合像元帶來(lái)的誤差以及反演模型的差異，而且來(lái)自對(duì)高原地形及植被覆蓋狀況定性的經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏定量衡量指標(biāo)和參數(shù)，需要采用更多觀測(cè)資料與衛(wèi)星遙感產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

3 青藏高原土壤濕度的時(shí)空分布特征

由于青藏高原土壤濕度觀測(cè)資料的覆蓋面有限，以往僅有部分基于觀測(cè)數(shù)據(jù)開展的土壤濕度特征的分析研究。而針對(duì)高原整體土壤濕度的時(shí)空分布規(guī)律、變化趨勢(shì)等的分析，大多數(shù)研究還是借助替代資料，其研究結(jié)果在某種程度上無(wú)法得到觀測(cè)資料的有效驗(yàn)證。

3.1 時(shí)間分布特征

趙逸舟等[34]利用CAMP/Tibet的觀測(cè)資料指出，藏北高原各層土壤濕度日變化不明顯，存在一定的空間差異性。Yang等[35]認(rèn)為高原土壤濕度在日凍融的循環(huán)期內(nèi)日振幅較大，白天土壤濕度高，夜間土壤濕度低。萬(wàn)國(guó)寧等[36]利用GAME/Tibet期間觀測(cè)的高原中部BJ站的土壤濕度資料，發(fā)現(xiàn)4cm土壤濕度的日變化顯著，20～210cm的日變化微弱，日振幅隨著深度的增加逐漸衰減，但210cm又出現(xiàn)增加趨勢(shì)。楊健等[37]認(rèn)為納木錯(cuò)站、珠峰站和藏東南站土壤表層含水量在16時(shí)(08時(shí))達(dá)到極大(極小)值，10cm以下的土壤含水量基本無(wú)變化。張娟等[38]認(rèn)為玉樹地區(qū)巴塘高寒草甸土壤濕度分別在18時(shí)和10時(shí)達(dá)到最大和最低值。權(quán)晨[39]認(rèn)為高原腹地三江源區(qū)隆寶高寒濕地的土壤含水率較穩(wěn)定，除表層(5cm)有一定波動(dòng)之外，其他各層沒有明顯的日變化。第三次青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)的土壤濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)表明[13-14]，那曲春季10cm以上土壤濕度日變化明顯，08～10時(shí)最低，19～20時(shí)最高；夏季土壤濕度日變化較為平緩，秋季2cm深度土壤濕度日變化明顯。韓炳宏等[40]認(rèn)為青海南部高寒草地的表層0～10cm的土壤含水量波動(dòng)幅度較大，深層土壤的波動(dòng)幅度較小。由此可見，不同區(qū)域、不同層次的土壤濕度日變化規(guī)律不一致，土壤表層日振幅較顯著。

在全年變化尺度上，認(rèn)為藏北高原具有顯著月變化，即4月土壤濕度開始急劇增大，7月達(dá)到最大，隨著高原雨季結(jié)束，土壤濕度逐漸減小[34]。高原中部的土壤濕度表現(xiàn)出明顯的融凍特征[36]：即全年土壤濕度可劃分為積累(3～8月)、衰減(8～12月)、相對(duì)穩(wěn)定(12～3月)三個(gè)階段。巴塘高寒草甸[38]土壤濕度從2月開始上升，至10月達(dá)到最大值，而后下降至1月的最小值。李博等[13]、趙平等[14]認(rèn)為夏秋季節(jié)土壤濕度隨深度增加而減小，并分別在7月上、中旬和9月出現(xiàn)兩個(gè)峰值，10月以后進(jìn)入土壤濕度衰減期。不同層次的土壤含水量均表現(xiàn)出夏秋季節(jié)多而冬春少的變化規(guī)律[40]。卓嘎等[41]認(rèn)為土壤濕度呈現(xiàn)“單峰”型變化，在夏半年土壤濕度量值比較大，冬半年量值較小。根據(jù)地表水分收支方程可知，降水增多有利于土壤濕度的增加，10月以后，雨季結(jié)束，土壤濕度迅速下降，反映了土壤濕度的季節(jié)變化以及降水對(duì)土壤濕度的影響。楊梅學(xué)等[42]通過(guò)使用GAME-Tibet資料，分析了藏北高原兩個(gè)站(D110和安多)土壤濕度在不同時(shí)間尺度和空間場(chǎng)上的變化特征，認(rèn)為凍結(jié)過(guò)程有利于土壤維持其水分，且土壤濕度在季節(jié)轉(zhuǎn)換中具有一定作用[43]。王澄海[44]通過(guò)分析藏北高原沱沱河觀測(cè)站的土壤濕度和降水變化，認(rèn)為土壤濕度在凍融條件下與高原干濕季轉(zhuǎn)換和濕季降水存在聯(lián)系。

由于高原地區(qū)長(zhǎng)序列的土壤濕度資料欠缺，對(duì)土壤濕度年際變化及年代際研究相對(duì)較少。王靜等[45]利用SSM/I反演的高原土壤濕度指出，1988～2008年春季高原大部分地區(qū)的土壤濕度變化趨勢(shì)為正。采用美國(guó)氣候預(yù)測(cè)中心逐月土壤濕度資料，也得出了近50年來(lái)青藏高原大部土壤濕度呈增加趨勢(shì)的結(jié)論，不同季節(jié)土壤濕度的時(shí)間演變與年土壤濕度整體變化趨勢(shì)比較一致，只是土壤濕度極值大小和出現(xiàn)年份存在著差異。夏季土壤濕度增加最為顯著，其次是秋季，這可能與近年來(lái)青藏高原大部分區(qū)域降水量逐漸增加存在著密切關(guān)系[41,46]，并且土壤濕度從20世紀(jì)60年代至90年代呈略微減少趨勢(shì)，21世紀(jì)00年代開始，土壤濕度呈顯著增加趨勢(shì)(圖2)。

3.2 空間分布特征

從青藏高原土壤濕度的空間分布和垂直結(jié)構(gòu)來(lái)看，高原土壤濕度在年平均空間分布上存在外圍大、中部小的特征，隨著夏季的到來(lái)，土壤濕度大值區(qū)由東南向西北、塔里木盆地向東北擴(kuò)展[47]。有研究[48]指出，青藏高原土壤濕度呈從東南向西北逐漸減少的分布特征，土壤濕度的地理分布特征較好地反映了每個(gè)區(qū)域氣候帶、海拔高度和下墊面植被類型特征。不同層次土壤濕度分布[49]表明，青藏高原土壤濕度垂直層次呈現(xiàn)出淺層和深層低、中間層高的特點(diǎn)，從淺層到深層土壤濕度的變化幅度逐漸減小。納木錯(cuò)站、珠峰站和藏東南站雖然存在下墊面特征、土壤凍結(jié)消融及其物理性質(zhì)的差異，但是均表現(xiàn)為在某一深度有高含水層，土壤消融(凍結(jié))使土壤濕度迅速增大(減小)[37]。高寒草甸土壤濕度的垂直結(jié)構(gòu)為由上到下依次遞減，即隨著土壤深度的增加，土壤濕度降低，不同土層的差值依次逐漸減小[38]。高寒濕地土壤濕度在凍結(jié)期自上而下逐漸降低，融化期自上而下逐漸增加。隨著深度加深，土壤含水率凍結(jié)期(融化期)逐漸增加(減少)，且深層比淺層的變化時(shí)間明顯滯后[39]。孫夏等[50]基于1950～2009年GLDAS Noah2.0逐月平均土壤濕度資料，分析了夏季青藏高原不同層次土壤濕度時(shí)空分布變化特征，認(rèn)為高原中部地區(qū)中層、深層土壤濕度均有一個(gè)極值中心，高原中東部具有“上濕下干”、中部偏西具有“下濕上干”的垂直分布特征。

此外，多數(shù)研究[51-53]利用微波遙感和陸面模式模擬方法，估算了青藏高原區(qū)域土壤濕度。Yang等[54]、Qin等[54]等認(rèn)為使用雙通道微波陸面同化系統(tǒng)能較好地反映青藏高原和半干旱地區(qū)近地面層土壤濕度區(qū)域狀況。Su Z等[11]指出衛(wèi)星資料能較好地反映干旱區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)的土壤濕度變化，但是，在半干旱區(qū)與實(shí)際情況存在一定偏差。拉巴等[56]、陳濤等[57]應(yīng)用MODIS衛(wèi)星遙感產(chǎn)品和那曲地區(qū)聶榮縣實(shí)測(cè)土壤濕度資料，建立了藏北地區(qū)土壤含水量遙感反演模型，認(rèn)為基于單窗方法的三次多項(xiàng)式模型能較好地反演研究區(qū)的土壤水分(圖3)。

綜上所述，高濕度區(qū)域基本位于青藏高原南部，土壤濕度大值區(qū)由東南向西北遞減，這可能與高原南部邊緣的降水較多有關(guān)[9]。夏季風(fēng)帶來(lái)豐富的水汽，遇到高原南部的山脈阻擋，暖濕空氣抬升、凝結(jié)、形成豐富的降水，使得高原南部土壤偏濕。高原土壤濕度的年際變化、趨勢(shì)變化和垂直結(jié)構(gòu)均具有空間差異性。由于觀測(cè)資料匱乏，高原不同區(qū)域的土壤濕度究竟有何年際變化及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，仍需加強(qiáng)實(shí)地野外觀測(cè)和替代資料的對(duì)比分析研究。

4 青藏高原土壤濕度對(duì)降水的影響及其響應(yīng)

眾所周知，土壤濕度在氣候變化中是僅次于甚至超過(guò)海溫的具有重要作用的“記憶性”因子[58]，其異?？梢猿掷m(xù)數(shù)周甚至數(shù)月，對(duì)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)有重要的指示意義。Namias[59]最早發(fā)現(xiàn)土壤水分的季節(jié)性異常對(duì)大氣環(huán)流季節(jié)性變化有非常重要的作用。Walker等[60]認(rèn)為非洲干土壤可使未來(lái)氣溫升高、降水減少，出現(xiàn)沙漠化，濕土壤可使氣溫降低，降水持續(xù)。Yeh等[61]通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)證實(shí)了土壤濕度異常能夠?qū)ξ磥?lái)的氣候產(chǎn)生一定的影響，即增加土壤含水量將使降水增加，而使氣溫降低。Jeremy等[62]認(rèn)為土壤濕度和降水的互回饋?zhàn)饔脤?duì)夏季降水、干旱和洪澇的維持都有重大作用。馬柱國(guó)等[63]分析了不同區(qū)域土壤濕度變化趨勢(shì)和年際變化，指出土壤濕度與降水呈正相關(guān)，與氣溫呈負(fù)相關(guān)，且不同深度、不同區(qū)域存在著顯著差異。左志燕等[64]認(rèn)為ERA-40資料能很好的再現(xiàn)中國(guó)東部(100°E以東)春季土壤濕度的時(shí)空變化特征，指出春季土壤濕度通過(guò)影響東亞夏季風(fēng)的強(qiáng)度進(jìn)而對(duì)夏季降水產(chǎn)生影響[65]。中國(guó)東部和長(zhǎng)江中下游地區(qū)前期土壤濕度與夏季降水變化存在較好的相關(guān)[66]，如果我國(guó)西南地區(qū)東部土壤出現(xiàn)異常偏干(濕)，則夏季長(zhǎng)江流域降水偏多(少)、東南沿海地區(qū)降水偏少(多)[67]。土壤濕度的正異?？墒购笃诋惓^(qū)域內(nèi)降水加大，地面空氣增濕降溫，區(qū)域土壤濕度異常對(duì)短期氣候的影響可傳播和持續(xù)幾個(gè)月[68-69]。Zhu[70]對(duì)我國(guó)東北地區(qū)夏季降水進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，考慮了歐亞大陸西北部的土壤濕度，表明土壤濕度作為表征下墊面熱力異常的陸面參數(shù)，具有一定的持續(xù)性，對(duì)后期降水預(yù)測(cè)具有重要指示意義。馬柱國(guó)等[71]歸納了土壤濕度和陸面過(guò)程及其與氣候變化相互聯(lián)系的物理機(jī)制(圖4)，認(rèn)為土壤濕度能改變地表反照率、土壤熱容量、地表蒸發(fā)和植被生長(zhǎng)狀況，最終導(dǎo)致地表能量、水分的再分配，進(jìn)而影響氣候變化。

Chow等[72]使用區(qū)域氣候模式分析表明，青藏高原春季土壤濕度與夏季高原以及長(zhǎng)江流域降水存在明顯的相關(guān)，認(rèn)為春季高原土壤濕度的增加不利于當(dāng)?shù)亟邓脑龆啵炊ㄟ^(guò)土壤的“記憶性”在后期導(dǎo)致同緯度下游長(zhǎng)江流域的降水增加。李秀珍等[73]分析表明，春季感熱加熱異常信號(hào)可能通過(guò)土壤溫度和濕度的“記憶”以及非絕熱加熱局地環(huán)流的正反饋過(guò)程得到維持，并影響我國(guó)東部夏季的氣候。王瑞等[74]指出若春季高原中層土壤偏濕，春末至夏初高原地面蒸發(fā)、潛熱通量增加，高原表面的加熱作用減弱，環(huán)流系統(tǒng)的季節(jié)性轉(zhuǎn)換偏晚，使我國(guó)東部雨帶偏北，華北、華南地區(qū)多雨，江淮地區(qū)降水偏少，這與Chow等[72]的結(jié)論恰好相反。沈丹等[75]認(rèn)為高原濕土壤導(dǎo)致東北、內(nèi)蒙古東北部以及華東地區(qū)降水增多，干土壤導(dǎo)致西北、華北、華中以及西南除四川西部以外的地區(qū)降水減少。張?chǎng)76]、李登宣等[77]的研究指出春季、夏初高原的土壤濕度，尤以春季高原東部土壤濕度對(duì)夏季中國(guó)降水有較明顯的影響，得出與王瑞等[74]相似的結(jié)論。青藏高原春季土壤濕度與長(zhǎng)江中下游的6、7月降水呈負(fù)相關(guān)，春季土壤濕度通過(guò)影響地表溫度作用，進(jìn)而影響到高原熱力特征、大氣環(huán)流和長(zhǎng)江中下游的降水[41]。若春季高原土壤濕度偏濕，長(zhǎng)江中下游地區(qū)初夏降水大范圍減??；反之，若春季高原土壤濕度偏干，長(zhǎng)江中下游地區(qū)降水明顯增多[79]。王靜[79]利用WRF模式分析了高原春季土壤濕度影響長(zhǎng)江流域夏季降水的物理過(guò)程，認(rèn)為初始時(shí)刻高原東部土壤偏濕，西部土壤偏干時(shí)，長(zhǎng)江流域東部降水偏多，西部降水偏少；反之，長(zhǎng)江流域降水偏少。

上述研究揭示了青藏高原春季、夏初土壤濕度變化特征對(duì)中國(guó)東部降水的影響，以及土壤濕度變化對(duì)季節(jié)降水預(yù)測(cè)的潛在指示作用。此外，高原土壤濕度還能夠通過(guò)改變地表潛熱、感熱通量來(lái)影響高原渦強(qiáng)度及其降水，但對(duì)高原渦的中心位置和移動(dòng)路徑影響并不顯著[80]。

反之，土壤濕度也受到氣候變化的深刻影響，并且其變化能直接反映生態(tài)環(huán)境和氣候變化的響應(yīng)。Manabe等[81]利用GFDL模型發(fā)現(xiàn)在大氣CO2濃度增加一倍的狀況下，美洲和歐亞大陸土壤濕度在夏季明顯下降。Zhao等[82]模擬了大氣CO2濃度加倍的條件下東亞地區(qū)的土壤溫度及濕度變化后，認(rèn)為全球變暖會(huì)使得中國(guó)夏干、冬濕。Liu等[83]指出由于土壤蒸散在升溫條件下的增加，將造成中國(guó)峨眉山區(qū)徑流的減少。杜川利等[84]認(rèn)為隨著近年來(lái)氣候逐漸變暖，包括中國(guó)北方(30°N以北)在內(nèi)的東亞北部地區(qū)，夏季土壤濕度有逐漸減少趨勢(shì)。在氣候變暖的過(guò)程中，氣溫升高將增大地表潛在蒸發(fā)量，增多的降水彌補(bǔ)不了損失的水分。土壤濕度與氣溫普遍存在負(fù)相關(guān)，土壤濕度與降水之間總體響應(yīng)不明顯[85]。但是，氣溫迅速升高和降水增加使高原中部、東南部和西部土壤濕度呈現(xiàn)不同的變化，說(shuō)明降水異常不一定會(huì)導(dǎo)致土壤濕度的異常，這在很大程度上取決于降水量的大小[20]。對(duì)全球土壤濕度“記憶性”及其氣候效應(yīng)的分析[86]表明，青藏高原除夏季主要受降水影響外，其他季節(jié)土壤濕度主要受溫度的影響，當(dāng)年夏秋季降水的增加可能會(huì)引起次年春季中深層土壤濕度的增加。高原凍融過(guò)程使得青藏高原大部分地區(qū)的土壤濕度具有較長(zhǎng)的記憶性和時(shí)空差異，在降水量相同的情況下，降水強(qiáng)度大，則傳遞給土壤的濕度異常信號(hào)更明顯更持久。淺層土壤濕度受降水的影響比深層更為明顯，深層土壤濕度對(duì)降水的響應(yīng)在時(shí)間上存在滯后效應(yīng)[87]。Xiao等[88]認(rèn)為春季風(fēng)暴降水能引起青藏高原表層土壤濕度異常持續(xù)20d左右，次表層異常則大概可以持續(xù)2個(gè)月，而更深層次土壤濕度異常則可維持?jǐn)?shù)個(gè)月甚至更久。

5 結(jié)論

青藏高原土壤濕度的時(shí)空分布特征以及高原春季地表非絕熱變化對(duì)降水的反饋?zhàn)饔靡恢笔墙邓l(fā)生機(jī)理的研究熱點(diǎn)之一，至今在影響機(jī)制方面仍沒有形成系統(tǒng)、全面的認(rèn)識(shí)。因此，有必要深入開展青藏高原土壤濕度變化規(guī)律，及其對(duì)高原、下游地區(qū)降水的影響和物理機(jī)制研究，這對(duì)青藏高原及其東部氣候預(yù)測(cè)、影響評(píng)估、防災(zāi)減災(zāi)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

近年來(lái)隨著觀測(cè)技術(shù)的提高和青藏高原大氣科學(xué)試驗(yàn)的開展，高原土壤濕度的觀測(cè)資料在不斷完善，這有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤濕度分布特征、變化趨勢(shì)及其影響。但是，目前高原土壤濕度的觀測(cè)資料仍難以滿足氣候變化研究的需要[89]，主要是因?yàn)椋?1)青藏高原土壤濕度的時(shí)空變率較大，進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)非常困難，導(dǎo)致在時(shí)空尺度上具有連續(xù)性的土壤濕度觀測(cè)資料非常有限。(2)各種替代產(chǎn)品能夠較好地反映高原土壤濕度變化的空間分布特征，但在不同時(shí)間尺度、不同區(qū)域和土壤層次上，與實(shí)測(cè)資料仍存在不同程度的差異。(3)雖然衛(wèi)星遙感技術(shù)在青藏高原得到了廣泛的應(yīng)用，遙感反演產(chǎn)品與實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證方面存在著一定困難和差距。

鑒于青藏高原土壤濕度在氣候預(yù)測(cè)、氣候變化和環(huán)境研究中的重要地位，本文認(rèn)為有關(guān)高原土壤濕度研究應(yīng)著重開展以下幾個(gè)方面的工作：(1)充分發(fā)揮高原地區(qū)已建土壤濕度觀測(cè)站網(wǎng)的作用，加大對(duì)各種較長(zhǎng)序列資料在多個(gè)站點(diǎn)的對(duì)比和評(píng)估分析，探討土壤濕度的時(shí)空分布特征及其與氣候變化相互影響的物理機(jī)制；(2)利用遙感監(jiān)測(cè)反演土壤濕度的優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)遙感反演產(chǎn)品與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，提高反演土壤濕度的精度；(3)進(jìn)一步開展土壤濕度的異常對(duì)高原區(qū)域氣候影響的數(shù)值模擬研究，加強(qiáng)陸面過(guò)程中有關(guān)參數(shù)化、初始化方案的研究和發(fā)展，提高區(qū)域氣候模式對(duì)土壤濕度變化趨勢(shì)和氣候變化的預(yù)測(cè)能力。