（气象学专业论文）淮河流域冬春季土壤温湿异常对夏季降水异常的影响.pdf

摘要 本文旨先利用中国东部19 9 0 2 0 0 0 年旬平均土壤湿度、降水和气温观测资 料，通过对o - 5 0 c m 层次土壤湿度进行旋转主分量分析( r e o f ) ，重点分析了淮河 流域土壤湿度的时空分布特征，并初步研究了与前期、同期和后期不同时段降水 与气温的关系。发现春季以3 0 c m 为界，3 0 c m 以上各层土壤湿度异常的第一旋转 空问模态十分相似，其大值中心主要位于淮河流域，而3 0 c m 以下( 3 0 5 0 c m ) 各层 的第二旋转空间模态与之亦十分类似，因此称该模态为“淮河型”，而夏季和秋 季虽然该模态也很显著但特征不如春季突出。该模态在各层次土壤中具有明显 的持续性特征：均存在4 0 旬左右的显著周期；并与前期和同期降水( 气温) 呈 显著正( 负) 相关关系，与约半年后的降水( 气温) 呈负( 正) 相关关系。初步揭示 了前期土壤湿度与后期降水、气温异常间的准半年相关关系。 由于夏季降水异常与前期土壤温、湿异常状况都有密切的关系，本文进一 步研究了淮河流域前期下垫土壤温、湿度异常对夏季降水异常的影响。提出了 - t o 动力与统计相结合寻找影响降水的因子的方法。通过将大气中的热量、水 汽收支方程与一个简化的两层土壤温度、湿度方程相结合，并依据月尺度大气 环流的演变特征，推导出月降水距平与5 0 0 h p 月平均高度距平场、土壤深浅两 层温、湿度的关系：利用台站观测资料，使用统计反演方法确定方程中各项的 系数和量级，从而找出影响降水的主要土壤温、湿因子；利用统计方法建立这 些因子与淮河流域夏季降水异常之间的简单线性预报方程，并对1 9 9 2 2 0 0 0 年 淮河流域夏季降水趋势进行回报。结果表明对淮河流域夏季降水趋势的预测有 很好的效果，且更加明确了土壤温、湿因子与降水异常之间的动力学联系。 关键词：土壤湿度异常；土壤温度异常；降水异常；时空分布特征 动力与统计相结合 i m p a c t o fh u a ir i v e rb a s i ns o i lt e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t ya b n o r m a l i t y i np r e w i n t e ra n ds p r i n g t i m e o nt h ea n o m a l o u ss u m m e rr a i n f a l l a b s t r a c t w i t hr e o fa n a l y z et e c h n i q u e ，t h em a i n ya n o m a l o u ss p a t j a lf e a t u r e s o fs o i l h u m i d i t y i nt h e0 - 5 0 c ml a y e ro f1 u a ir i v e t b a s i n a n dt h e i r r e l a t i o r st od i f f e r e n tp e r i o d so fp r e c i p i t a t i o na n da irt e m p e r a t u r ea r e s p e c i a l l ya n a l y z e db yu s in g t h eo b s e r v e dd a t ajn e l u d i n gd e k a da v e r a g e d s o i lm o is t u r e ，p r e c i p ir a t i o na n da i rt e m p e r a t u r ed a t ao v e rt h ee a s toc c h i n af r o m1 9 9 0t o2 0 0 0 t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti nt h es p r i n g t i m et h e 3 0 c ml a y e rs o llc a nb et r e a t e da sab o u n d a r y f r o m0 c ml a y e rt o3 0 c ml a y e r ， t h ef i r s tr o t a t e d l o a d i n g v e c t o rf i e l di n e v e r yl a y e r r e f l e c t st h e a n o m a l o u ss o l lh u m i d i t yp a t t e r ni ni l u a ir i v e rh a s i n ，w ec a l lt h ep a t t e r n s t r u c t u r ea s h u mr i v e rp a t t e r n w h i l ef r o m3 0 e ml a y e rt o5 0 c m1 a y e r ， t h es e c o n dr o t a t e dl o a d i n gv e c t o rf i e l di ne v e r yl a y e risa l s oq u i t e s i m i l a rt o h u mr i v e rp a t t e r n i nt h es u r r m l e ra n da u t u m nt h e h u a i r i v e rp a t t e r n i ss t i i lr e m a r k a b l eb u tt h ef e a t u r ei s1 e s sp r o m i n e n t t h a nt h a ti nt h es p r i n g t i m e w ea l s of i n ds o i lm o is t u r ea n o m a l yo ft h i s p a t t e r ni ne v e r yl a y e rh a sn o t a b l ed u r a t i o na n dap r o m i n e n tp e r i o do f n e a r l yf o r t yd e k a d s f u r t h e r m o r ep o s i t i v e ( n e g a t i v e ) c o r r e l a t i o nb e t w e e n s o i lm o i s t u r ea n dp r e c i p i t a t i o n ( a i rt e m p e r a t u r e ) d u r i n gp r o p h a s ea n d t h es a m ep e r i o dc a l lb ef o u n d a n dn e g a t i v e ( p o s i t i v e ) c o r r e l a t i o nb e t w e e n s o i lm o i s t u r ea n dt h ep r e c i p i t a t i o n ( a i rt e m p e r a t u r e ) o fn e a r l yh a l fa y e a r 1 a t e rc a na l s ob en o t e d s i n c et h es u m m e rr a i n f a l la b n o r m a l i t yh a sc i o s e l yr e l a t i o n s h i 口w i t h b o t ht h es o i lm o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r ea b n o r m a l i t y w es t u d yt h ei m p a c t o fp r e w i n t e r t i m ea n ds p r i n g t i m es o i lm o i s t u r ea n dt e m p e r a t u r eo nt h e s u m m e rr a i n f a l lo v e rh u a ir i v e rb a s i n i nt h is p a p e r w ep r e s e n t a b l e n d i n gm e t h o do fd y n a m j c a la n ds t a t i s t i c a ia p p r o a c h e st oc h o o s et h e 4 a t t z i b u t i n gf a c t o r sl h a tm a ye f f e c tt h ep r e c i p i t a t i o n t h ea p p z o a e h e s e s t a b l i s har e f a t i o n s h i pb e t w e e nm o n t h l yp 1 1 e e i p i t a t i o na b n o r m a l i t ya n d m o n t h l yc i y c u f a t i o n ，s o i lm o i s t u r ea n dt e m p e r a t u z e0 1 2t h es h a i l o wa n d d e e pl a y e r s t h er e l a t i o n s h i pi st h ep i e c i p i t a t i o nd i a g n o s t i ee q u a t i o n a n di t sc o e f f i c i e n t sa n dd i m e n s i o n sa r ed e t e r m i n e db yu s i n gt h eo b s e r v e d d a t ao fh u a ir i v e rb a s i n t h e nw es e l e c tt h em a i ns o l lm o i s t u r ea n d t e m p e r a t u r ea t t r ib u t i n gf a c t o t sb yt h ed i m e n s i o n a la n a l y s i st oe s t a b l is h a f o r e c a s t i n ge q u a t i o no fs u r n i l e rp r e c i p i t a l i o no v e rh u a ir i v e rb a s i nw i t h t h es t a t i s t i ca p p r o a c h t h er e s u 】t si n d i c a t et h a tt h o s es o i lf a c t o r s w h i c ha r es e l e c t e db yt h eb e n d i n gm e t h o do fd y n a m i c a la n ds t a t i s t i c a l a p p r o a c h e s ，a r eu s e f u lf o rf o r e c a s t i n gm o n t h l ys u m m e rp r e c i p i t a t i o na n d c a ne x p r e s s yd i s c o v e rt h e i rd y n a m i c a l r e l a t i o n s h i p s k e y w o r d s ：s o i lh u m i d i t ya n o m a l y ：s o i l t e m p e r a t u r ea n o m a y ： p r e c i p i t a t i o na n o m a l y ：s p a t i a l t e m p o r a lf e a t u r e s d y n a m i c a la p p r o a c h ：s t a t i s t i ca p p r o a c h 5 第一章引言 1 1 研究的意义 地球表面由水、冰、雪和陆地等组成，不同的f 垫面均通过提供和改变输 入大气的感热、潜热和辐射能量而影响气候变化。其中陆地约占地球表面的1 3 e 作为气候系统的一部分其作用更为复杂，这种复杂性表现在植被的类型、地表 覆盖状况、地形变化和土壤质地、结构和物理、化学属性等的不同可引起上述 各输送量的较大差异，最终导致不同的气候变化。土壤水分的变化更增加了陆 面和大气相互作用的复杂性，首先土壤水能改变土壤表面的反照率，土壤表面 反射率取决于土壤的物理成分、化学成分和湿润程度等。研究发现 1 反劓率随 土壤湿度的增加而减少，一般湿土反射率比干土小6 1 8 ，因而会显著改变辐射 平衡。其次是改变土壤的热容量 2 ，土壤热容量是指土壤进行热交换过程时传 热量与土壤温度变化之比，一般可区分为比热容和容积热容。单位质量的土壤 温度升高l o c 时所需要的热量称为土壤比热容。而单位体积的土壤温度升高l o c 时所需要的热量称为土壤容积热容。土壤容积热容量与土壤孔隙度及湿度有关。 因为水的热容量比矿物质的热容量大得多，孔隙度越大，土壤吸水性也越，因 此土壤容积热容量随土壤湿度和孔隙度的增大而增大。构成土壤的成分非单一 物质，土壤容积热容量应该是它的各个组成部分( 如矿物质和有机质等固体物 质、水和空气) 的热容量的加权平均值。土壤水分可以是液态或气态，并且在 土壤中移动时可以改变自己的物态，因而产生热量的吸收和释放，这样当水在 土壤中上下移动时就携带热量一道运动。同时土壤水可改变地表植被的生长状 况。以上变化可引起地表能量收支的变化，最终导致气候的改变，其物理图像 如下图所示，从图中可以清楚地看出土壤水对气候变化影响的研究有重要意义。 然而纵观土壤湿度的研究历史和现状可以发现，缺乏长期、大范围的土壤 湿度和相应的地表过程资料是严重妨碍研究其与气候变化关系的根本原因。资 料的缺乏使我们无法了解土壤自身的特点，无法研究其与气候变化的关系，也 无法产生大气环流模式所需土壤湿度的初始场，更无法有效的检验陆面模式的 结果，这也是目前陆面过程方面的研究相对比较薄弱的根本原因。因此本文研 究的目的就是利用的中国土壤湿度观测资料，着重分析土壤湿度和短期气候异 常之间的关系，并对此加以应用以提高我们预测夏季降水趋势的能力。 图1 土壤湿度影响气候变化的物理图像 1 2 研究进展 1 、2 1 国内外主要数值试验研究 由于观测资料的缺乏，目前大多数关于土壤湿度气候效应的研究仅限于数值 模拟试验。 n a m i a s 3 最早发现土壤湿度的季节牲异常对大气的季节变化的重要作用。 他认为 4 降水较少时土壤较干，消耗与土壤水分蒸发的热量较少，而地表向大 气的感热输送增强，使得高层大气反气旋加强，因而降水少的形势得以维持， 土壤湿时的情形与之相反。 而自1 9 7 0 年代非洲发生大早以来，与土壤湿度等主要地表参量对气候变化 的一系列研究得以展开。c h a r n e y 5 开创性的提出了一种“地球物理一生物反馈 机制”，部分地解释了大沙漠边缘地区的干旱重发现象，并用g i s s 模式证实了 他的假设，由于土壤水分使得植被减少从而导致的反射率变化使s a h e l 沙漠干燥 气候南移，是该地区降水减少的主要原因。 s h u k l a 和m i n t z ”1 利用g l a s ( 戈达德空间飞行中心大气科学实验室) 的g c m 对两个极端情况进行了模拟试验，在假定全球陆地土壤湿度完全干燥和湿润两 种不同条件下，研究了土壤湿度对后期气候的影响。发现，干二l 情况下，除个 别地区外，全部大陆上几乎日降水量都小于2 r a n ，而湿土情况下，大陆上的= 1 降 水量都大于2 m m 。同降水分布相对应，地面温度也有很明显差别，干土情况下地 面温度高，而湿土情况下地面温度低。进步分析发现，赤道附近及东亚沿海 离水源较近地区，土壤的干、湿状况对降水影响差别不大，而在远离水源的大 陆内地，干燥土壤产生的降水明显较少，由此也可以看到大气环流的作用以及 划不同土壤湿度异常地区的影响不同。 y e h 等”1 的试验中更能说明大气环流在不同地区土壤湿度异常影响中的不同 作用，他们分别假定在15 0 s1 5 。n 、0 。一3 0 。n 、3 0 。n - 6 0 。n 三个纬度带内陆地的 士壤湿度达到饱和( 相当于初始时刻都有灌溉的情况) ，利用简化的g f i ) l 大气 环流模式所做的模拟表明，这种大面积的土壤湿度改变对大气环流和气候所产 生的影响都明显超多2 个月以上。不同试验的结果差异也是显著的，3 0 0 n 一6 0 0 n 土壤湿度改变的影响时间最长，约5 个月：1 5 0 s - 1 5 。n 纬带土壤湿度改变的影响 时间最短，约2 个月。就各纬带土壤湿度的改变所造成的降水来看，以3 0 0 n6 0 0 n 最强，极值达4 删n d ，而0 。_ 3 0 0n 最弱只有0 5 m m d 。与之相应不同地区气温也 有不同。可见不同纬度带的土壤湿度对后期降水和气温影响的时间尺度不同， 它们不仅对相应地区的大气状态有极大的影响，而且影响到了全球范围的大气 环流和气候。 上述试验中存在的主要问题是，土壤湿度并不随时间变化，也就是没有包含 降水、蒸发等主要影响因素与土壤湿度的相互作用，实际上降水、蒸发的变化 相应也会引起土壤湿度的变化。 在考虑土壤湿度存在相互作用的情况下，r o w n t r e e 和b o l t o n 8 ，利用英国 气象局的大气环流模式对欧洲有限区域湿度异常也进行过数值试验。试验中分 别假定初始时刻大部分欧洲地区土壤湿度为零( 干土) 和1 5 c m ( 湿土) ，前者比 控制试验( 湿度5 c m ) 干，而后者比控制试验湿。其结果的一个极为突出的现象 是不仅在土壤湿度异常的区域内有明显的降水变化，而且异常区域以外的地区 也出现了相当大的降水变化。同样，其他要素场( 例如湿度、气压等) 也在相 当大的空间范围出现了变化。因此，局域区域的土壤湿度异常也对大气环流和 气候变化有重要影响。 s e l i e r s 9 在研究中曾给出一幅概念图，阐明反照率、粗糙度、土壤湿度 等物理量变化后可能造成的大尺度影响。如土壤湿度降低( 增大) 一潜热减少 ( 增加) ，感热增加( 减少) ，土壤温度升高( 降低) ，净辐射减少( 增加) 一云 量、降水、对流等减少( 增加) 一导致土壤湿度降低( 增加) 。另一方面云量、 降水、对流等减少( 增加) 一净辐射增加( 减少) 由会影响降水等因素，这些 相互作用中正、负反馈同时并存，较为复杂。 实际一h 陆面过程对气候影响中不能单一考虑地面反照率、土壤湿度、温度的 影响作用，这些影响作用中还存着地面反照率、上壤温度、土壤湿度问的相互 作用。实际上我们知道地面反照率同土壤湿度间有较强的负反馈，上壤湿度和 一i 壤温度间也有负反馈，丽地面反照率同土壤温度间有弱的正反馈。大气环流 和气候变化就受几种反馈机制的共同作用，使得陆面状况对气候的影响问题变 得相当复杂，特别是地面状况中还需要包括植被的情况。对于这些问题，不少 学者做了大量的研究工作。 王万秋 1 0 利用i a p 的气候模式进行了关于土壤温度异常和土壤温度异常的 敏感性试验研究，异常区域均取在中国范围内。其中关于土壤温度异常的影响， 进行了初始异常和固定异常两种试验，而对土壤湿度异常的影响着进行了初始 异常的试验。其结果表明，土壤温度的初始异常一天后基本消失，而固定的土 壤温度异常和土壤湿度的初始异常对短期( 一个月左右) 气候有明显影响。土 壤温度的影响主要在异常区内以及南部相邻区域，而土壤湿度异常对大气环流 结构的影响可以长波波列形式向外传播，使异常区外的降水、气温等产生变化。 朱乾根等 1 1 利用o s u 两层大气环流模式来考察土壤湿度和地表反射率变化 对中国北方的影响。在( 3 0 0 n - 6 0 0 n ，9 0 0 e 一1 2 0 。e ) 的区域上进行了3 个试验， 发现对中国北方东部季腻区和西部非季风区土壤湿度减少：海产生不同的效果， 土壤干燥时，西部非季风区蒸散小。低层干燥增温，有热低压发生，有远离水 汽源，降水显著减少；而东部季风区受热低压影响，潮湿的西南气流和东南气 流辐合加强，低压发展，降水显著增加。无论季风区还是非季风区对地表反射 率升高的响应是相同的，均会造成地表土壤接收的净辐射下降，感热和潜热减 少，地面冷却，下沉运动增加，降水减少。研究还表明，在短期变化中，土壤 湿度变化对大气的影响更敏感，但反射率变化对大气的影响比土壤湿度变化对 大气影响的时间尺度更长。 刘永强等 1 2 1 3 通过一个地、气系统能量和水分平衡方程模式，对土壤湿 度和植被影响短期气候异常持续性的基本特征和物理过程进行了理沦分析。研 究得出，与土壤热力状况影响相比，土壤湿度在短期气候变化中起着更重要的 作用。气候异常的持续性与地、气之间水分及能量交换的能力有关；土壤湿度 或植被覆盖度越大，则地、气水分和热量交换的速度越快，从而地、气系统扰 动衰减的速度也越快，在较干的气候环境中，地、气系统自身调节能力较弱， 因而地、气系统自身调节能力较弱，因而扰动容易维持。 x u ey 1 4 用一个耦合植被过程的气候模式对撒哈拉沙漠进行了不同地表条 件r 的对比试验，结果表明，表面条件的变化对气候变化有重要的反馈作用， 它不仅影响降水和云量，对气温电有重要的影响。 类似e 述工作的研究还有很多 1 52 0 等。这些数值试验研究工作均告诉我 们土壤湿度的重要作用，这实质上包含着两方面的过程，一方面土壤湿度的异 常对后期的气候变化有重要影响，另一方面，气候变化同样会引起地表状况的 发生变化，这些变化反过来会影响地表向大气的各种通量输送，最终再影响气 候变化，这其实反映了大气和陆面的相互作用，包含着各种复杂的反馈机制。 1 2 2 国内外主要观测资料分析研究 迄今为止，由于缺乏长时间、大范围的土壤湿度观测资料，与数值模拟试 验相比，资料的诊断分析显得非常薄弱。有关土壤湿度与短期气候变化关系的 研究受到极大限制，但这方面的研究也取得了一定的进展。 v i n n i k o v 等 2 1 2 2 利用俄罗斯v a l d a i 流域的土壤、水文、地表覆盖状况 和表面气象观测资料对该流域土壤湿度资料进行了详尽的分析。他认为，土壤 湿度的变化可分为白噪音过程和红噪音过程两部分( 白噪音过程表示不含任何 规律的性的纯随机过程，红噪音过程主要是一种周期无限长的随机过程) ，白噪 音列应由地形、植被类型、土壤类型和观测误差引起的时空变化。空间变化的 红噪音过程反映了月平均降水场的性质，红噪音的时f 司尺度为3 个月，空问尺 度为5 0 0 k m 。他的研究工作，是至今研究土壤湿度资料的时间序列最长的工作， 但缺乏对土壤湿度和气候变化相互关系的研究。 j a r e dk e n t i n 2 3 等利用美国伊利诺斯州、爱荷华州以及俄罗斯、蒙古 和中国的土壤湿度观测资料也同样分析了热带外地区土壤湿度变化的时空尺度 特征。他们认为土壤湿度的变化主要分为两部分，一是小尺度特征，主要受土 壤自身、地形、植被和植被根部结构等影响。另一种为大尺度特征，主要受大 气的降水和蒸发特征影响。其中受大气影响的空间尺度为5 0 0 k m ，l m 厚土壤的 时问尺度约为2 个月，而对1 0 c m 的表层土壤而言则不到2 个月。特别对中国由 于不同纬度地区蒸发量不同，厚度l m 的土壤湿度变化的时间尺度可以从南方地 区的1 个月增加到北方地区的2 5 个月左右。 近年来马柱国等 2 4 利用中国1 0 0 0 e 以东地区9 8 站( 1 9 8 1 1 9 9 1 年) 的 旬土壤湿度、降水和气温资料，对不同区域土壤湿度、降水和气温的变化趋势， 年际变率及它们之间的相互关系进行了分析，其结果表明，土壤湿度、降水、 气温都有较明显的变化趋势，土壤中各厚度层土壤湿度和降水的关系呈正相关 关系，与气温呈负相关关系，且可通过0 0 1 的嚣信度检验。无论超前还是滞后， 土壤湿度和气温、降水均有密切关系。这也部分地从观测事实中说明前期土壤 湿度状况的异常可能是造成厉期降水、气温异常的原因之一。 1 2 3 本文拟研究的问题 从当前的研究进展中可以看出，无论是大量的数值模拟研究还是有限而宝 贵的大范围、较长时问序列的观测资料的诊断分析，都从不同的角度表明了土 壤湿度对短期气候变化的影响作用。那么本文针对目前土壤湿度对气候变化影 响作用有关研究中的薄弱环节，特别是针对最为薄弱的观测事实的诊断分析将 进行那些方面的研究呢? 由于冬季大范围土壤湿度资料的缺乏使我们无法全面 开展这方面的研究工作，那么在现有资料状况下春、夏、秋三季土壤湿度异常 时空分布特征如何? 与后期气候有何关系? 并且是否能够综合考虑土壤湿度和 土壤温度的综合影响，找到影响降水的主要土壤温湿因子，从而对后期降水异 常的预测能力有所改善? 鉴于这些问题的提出，本文将首先从观测事实分析分 析的角度讨论中国东部春、夏、秋季土壤湿度异常的主要分布状况及其与短期 气候异常的关系，然后利用动力和统计相结合的方法寻找影响降水的主要土壤 温度和湿度因子，并以此建立一个简单的夏季降水的预报模型，对本文关心的 淮河流域夏季降水进行预报试验。 第二章淮河流域土壤湿度异常特征及其与短期气候异常关系 的初步分析 2 1 资料说明 本章利用资料状况较好的巾国11 4 站1 9 9 02 0 0 0 年的旬平均土壤湿度( 土壤 重量含水百分率) 资料和中同6 2 7 站旬平均降水和气温资料进行分析。土壤湿 度资料分柿状况见图2 ，可以看 h 观测站点基本分布在l 吏江以北的东部地区，尤 其以淮河流域到河套一带的测站最为密集，资制较完整。其中土壤重量含水率 定义为：单位重量土壤中的水分含量。土壤湿度垂直方向共1 0 层( o - i o c m 、 1 0 一2 0 c m 、2 0 一3 0 c m 、3 0 4 0 c m 、4 05 0 c m 、5 0 6 0 c m 、6 0 7 0 c m 、7 0 8 0 c m 、8 0 2 9 0 c m 、 9 0 一i 0 0 c m ) 。参照马柱国等 2 4 的研究本文将土壤垂直方向分为3 层：0 - 3 0 c m 为表层，3 0 6 0 c m 为中层，6 0 一1 0 0 0 m 为深层。各站点土壤湿度的观测时m | | 殳 为2 月份一1 1 月份，每月的8 日、1 8f i 、2 8 日进行三次观测。虽然用每月8 、 1 8 、2 8 日三次资料分别来代表该月各旬特征并不十分合理，但考虑到该资料基 本上还能保留一些旬时问尺度信息，因此用该资料进行客观分析还是可信的。 另外，本文对部分缺测资料使用反距离加权空间内插方法 2 5 2 6 进行插补， 该方法计算效率高，具有普适性，当满足一定的数据密度时一般可以达到满意 的精度。 图21 9 9 0 2 0 0 0 年中国土壤湿度资料测站分布状况 鉴于资料的限制，本章只对资料状况较好的中国1 1 4 站1 9 9 0 2 0 0 0 年 0 一1 0 c m 、l o 一2 0 c m 、2 0 3 0 c m 、3 04 0 c m 、4 0 5 0 c m 五个土壤层3 一l o 月春、夏、 秋三季( 4 0 5 0 c m ，5 0 6 0 c m 为4 一l o 月) 的土壤湿度资剃使用旋转主分量分析方 法( 即r e o f 2 7 方法) 进行分析。虽然由于客观原因4 0 5 ( ) c m 和5 0 一o o c m 春季 只有4 、5 月两个月份，但本文计算后发现部分月份的缺失并没有影响到旋转空 n 1 j 模态的分布( 圈略) ，凶此本文依然按03 0 c m3 层为3 - 5 月，4 0 5 0 c m2 层 45 月进行分析。为消除月际差异的影响，资料先进行标准化处理。 2 2 土壤湿度的气候背景场特征 a ) 春季土壤湿度气候场特征 在分析中国东部地区春季土壤湿度异常的分布特征之前，有必要首先了解 土壤湿度的气候背景，认识中国东部不同地区春季土壤总体的干湿状况。为此 本文计算了1 9 9 0 2 0 0 0 年05 0 c m 各土壤层春季多年季节平均土壤湿度的空问分 布。 在本文资料分布状况下，经分析发现，由表层o - l o o m ( 图3 a ) 、1 02 0 c m ( 图 略) 、2 0 3 0 c m ( 图3 b ) 至中层3 04 0 c m ( 璐) 、4 05 0 c m ( 图3 c ) ，中国东部春季土 壤湿度超过2 0 的地区有长江中下游、淮河下游以及东北东部，而河套地区土壤 湿度仅为1 2 左右，5 0 c m 以上各土壤层均呈现“两湿一千”分布：东北、华东 土壤较为潮湿，而华北则较为干燥，尤其河套地区是土壤湿度的干中心。 图3 中国东部春季平均土壤湿度空间分布( 单位：) ( a ：o - l o c m ：b ：2 0 3 0 c m ：c ：4 0 一5 0 c m ) b ) 夏季和秋季土壤湿度气候场特征 同样在本文资料分布状况下发现夏季( 图4 ) 和秋季( 图5 ) 中国东部05 0 c m 各层土壤湿度分布状况与春季也极为相似，即5 0 c m 以上各土壤层也均呈现“两 湿一干”分布：东北、华东土壤较为潮湿，华北较为干燥，特别河套地区是土 壤湿度的干中心。对春、夏、秋三季各层土壤湿度特征的仔细对比后可发现， 春、秋两季各层土壤要比夏季各层土壤略湿，湿润区范围略广。 可见在本文测站分布状况下春、夏、秋三季中国东部o - 5 0 c m 各层土壤湿度 气候场的分布状况呈现出东北、华东土壤较潮湿，华北较干燥的特点 图4 中国东部夏季平均土壤湿度空间分布( 单位：) ( a ：o l o c m ：h ：2 0 3 0 c m ：c ：4 0 5 0 c m ) 图5 中国东部秋季平均十壤湿度空间分布( 单位：) ( a ：0 一l o c m ：b ：2 0 3 0 c m ：c ：4 05 0 c m ) 2 3 土壤湿度异常的空间分布特征 a ) 春季月平均土壤湿度异常的空间分型 为揭示春季我国土壤湿度异常的空间分布特征，本文采用r e o f 方法对 o - 5 0 c m 共5 层的土壤湿度进行分析，结果表明：表层o 一1 0 c m ( 图6 a ) 、i o - 2 0 c m ( 图略) 、2 0 3 0 c m ( 图略) 各层土壤湿度异常的第一旋转空间模态十分相似， 如图3 a 所示其中心旋转载荷向量大于一0 6 的大值区位于长江、黄河之间，而其 它地区均为小值区，且该模态方差贡献均在1 0 以上，由此称其为“淮河型”土 壤湿度异常。而中层3 0 4 0 c m ( 图略) 、4 0 - 5 0 c m ( 图6 b ) 各层的篇一旋转空间 模态则均呈现出中心载荷向量大于0 6 的大值区位于河套地区且呈偶极子 型分布的特征，可称该模态为“河套型”。而且以3 0 c m 土壤层为界，3 0 c m 以下 各层土壤湿度异常的第二旋转空间模态( 如图6 c ) 和3 0 c m 以上各层的第一旋转 空间模态表现也十分类似，这说明在春季我国东部地区的中层土壤中淮河流域 土壤湿度的变化依然十分显著( 见表1 ) 。 由此可见，中国东部地区春季土壤湿度的变化在淮河流域表现最突出，且 该模态的显著性在垂直方向上存在巨大差异，那么造成这种现象的原因是什么 呢? 我们知道淮河流域是中国南北气候的过渡带，该流域气候变率十分显著。 地表层是地气相互作用的交界面，是地气间热通量和水分通量交换的关键n 2 _ 一，陆气相互作用非常活跃，表层土壤湿度的变化在很大程度上受大气变率的 影响。因此，表层二 = 壤湿度异常的第旋转空间模态出现在淮河流域，正是淮 河流域地表层对气候变率最为敏感的反映，然而到了巾层由于所受外界影响比 表层弱，它的主要敏感区就会移向北方干燥地区( 春季土壤湿度气候态中的河 套地区) ，因为相对于南方湿润地区，北方地区二f 燥土壤对湿度变化的反应强于 南方。因而这种从垂直方向上显示出的整个区域变率结构的差异，实质反映了 不同区域土壤对气候大背景的适应和地气相互作用中土壤垂直方向上不同层次 对外界影响与响应不同的特点。 表1 春季0 - 5 0 c mr e o f 各层淮河型分量的方差贡献率 屡次 0 1 0 c m1 0 2 0 c m2 0 3 0 c a3 0 4 0 c m4 0 5 0 c m 方差贡献率1 3 g 1 2 41 1 81 1 01 1 2 ( ) 贡献率排序 11l22 空间型态淮河型淮河型淮河型淮河型淮河型 图6 春季( o 一5 0 c m ) 土壤湿度异常主要旋转空间模态 ( a 0 - 1 0 c m 第一旋转空间模态一淮河型 b 4 0 5 0 c m 第一旋转空间模态一河套型 c 4 0 一5 0 c m 第二旋转空间模态一淮河型) b ) 夏季月平均土壤湿度异常的空间分型 同样对夏季和秋季0 - 5 0 c m 土壤湿度进行r e o f 分析，结果发现：夏季0 - 5 0 c m 土壤中“淮河型”异常模态基本处于前2 5 个显著模态( 图7 ) ，方差贡献率在 5 一9 之间( 表2 ) 。 表2 夏季o - 5 0 c mr e o f 各层淮河型分量的方差贡献率 层次 01 0 c m1 02 0 c m2 0 3 0 c m 3 04 0 c m4 05 0 c m 方差贡献率 8 5 535 j6 2 6 1 ( ) 【贡献率排序 25 45 l空l d q 型态淮河型淮河型 淮河型淮河型淮河型 图7 夏季( 0 5 0 c m ) 土壤湿度异常主要旋转空间模态 ( a o - l o c m 第；旋转空间模态一淮河型 b d 0 5 0 c m 第曩旋转空间模态一淮河型) c ) 秋季月平均土壤湿度异常的空间分型 而秋季o - 5 0 c m 土壤中“淮河型”异常模态则处于前1 4 个显著模态之 中( 表3 ) ，方差贡献率在7 一1 3 之间( 图8 ) 。 由以上分析可以得出春、夏、秋各季o - 5 0 c m 土壤中都存在“淮河型”土壤 湿度异常，但该土壤湿度异常模态在春季特征最为明显。因此可以认为淮河流 域是中国东部土壤湿度异常的关键区之一。 表3 秋季o - 5 0 c mr e o f 各层淮河型分量的方差贡献率 层次 o - 1 0 c m1 0 2 0 c m2 0 3 0 c m3 0 4 0 c m4 0 5 0 c m 方差贡献率 1 228 97 68 61 3 6 ( ) 贡献率排序 13442 空间型态 淮河型淮河型淮河型淮河型淮河型 图8 秋季( o - 5 0 c m ) 土壤湿度异常主要旋转空间模态 ( a o - l o c m 第一旋转空间模态淮河型 b 4 0 5 0 c m 第二旋转空间模态一淮河型) 2 4 淮河流域土壤湿度的垂直分布特征 通过对中国东部地区不同层次、不同季节土壤湿度异常的r e o f 分析基本 可以发现淮河流域土壤湿度异常特征最为显著，那么该区域土壤湿度的垂赢分 布特征如何? 有什么主要的特点呢? 为此计算了淮河型 ( 1 1 0 。e - 1 2 1 。e ，3 0 。n 3 6 。n ) 区域平均1 9 9 0 2 0 0 0 年卜1 2 月从01 0 0 c m 共1 0 层的 月平均土壤湿度。 从图9 a 中首先可以看出从表层的o 一1 0 c m 到深层的9 0l o o c m ，深层土壤一 般较浅层土壤湿润，表明深层土壤能够较好的保持水分。其次自春季至冬季土 壤湿度的垂直廓线普遍向左倾斜，这实质上反映了水分自表层向深层逐渐下渗 的过程。另外，对比不同季节土壤湿度的特点也可发现，该流域秋、冬季节土壤 湿度一般可达2 4 2 5 为土壤最湿的季节，夏季其次，春季土壤最干。那么这种 不同季节土壤湿润程度不同的主要原因是什么呢? 一般影响土壤湿度的气象要素主要为降水和蒸发( 蒸发主要受气温、辐射、 湿度和风速的影响) 为此本文计算了1 9 9 0 2 0 0 0 年该区域的各月平均降水量( 图 9 b ) 和潜在蒸发率( 图9 c ) 的分布状况。从淮河流域月平均降水量图( 图9 b ) 中 可以看出如下特征：淮河流域月平均降水量在夏季达最大，其中全年七月份降 水量最大，而春、秋两季降水量次之，冬季降水量最少。而从淮河流域月平均 蒸发量图( 图9 c ) 中则可以看出：春、夏季节淮河流域的蒸发量最大，其中5 月份的蒸发量达到3 0 0 w m 2 s ，秋季蒸发次之，冬季最弱。这样综合淮河流域月 平均降水量和潜在蒸发率在不同季节的特点可以看出：秋冬季节土壤最湿，主要 是在夏季大量的降水下渗而这些季节的蒸发较弱的原因，而夏季土壤也较湿则 是夏季的大量降水所造成的，春季土壤湿度最干则是由于冬春季节降水量较小， 但此时期的蒸发却为全年最大的原因所造成。 从淮河流域不同深度土壤、不同季节的湿润状况看，淮河流域深层土壤比 表层湿润，秋冬季节土壤最湿润，夏季其次，春季土壤最干。并且通过分析该 流域降水量、潜在蒸发率的特征后可以看出土壤湿度不同季节的分布状况同前 期和同期降水和蒸发的不同配置特征有关。而从土壤湿度的垂直廓线分布状况 上可看出，随着时间演变有水分自表层向深层逐渐渗透的过程。 图9 a 淮河型0t 0 0 c m 月平均土壤湿度垂直分布特征 蚓9 b 淮河型月平均降水量分布特征( m m ) 图9 c淮河型月平均潜在蒸发率分布特征( w m 2s ) 2 5 土壤湿度异常的时间分布特征 曲淮河型土壤湿度异常的持续性分析 下垫面湿度状况的异常，可能会对短期气候异常产生一定的影响，但这种影 响显著与否在很大程度上取决于下垫面异常特征持续时间的长短。那么，作为 全国土壤湿度变率最显著的地区一淮河流域其土壤湿度异常的持续性如何呢? 为此对淮河型( 1 l o 。e - 1 2 1 0 e ，3 0 。n - 3 6 0 n ) 区域平均1 9 9 0 2 0 0 0 年( 0 - 1 0 0 c m ) 1 0 层共2 , 9 6 旬的土壤湿度计算其滞后自相关系数， 从图1 0 中可以看出，从表层到深层壤湿度异常的维持时间逐渐增长， 0 1 0 c m 层次上异常仅可维持5 旬左右，而到9 0 1 0 0 c m 层次则长达3 2 旬，并且 时滞相关系数随土壤深度加深而增大，深层土壤湿度的时滞相关系数明显高于 浅层，反映出l m 以内土壤中深层土壤保留的异常信号比浅层要清晰且持久。实 际上在对地温的研究中，汤懋苍 2 8 曾指出地温振动的周期愈往深层愈氏，短 周期的天气变化只会影响到浅层，周期长的波动才能影n l ；j - n 深层，这样土壤就 成了一个很好的滤波器，不同层次的土壤温度，有可能用来做不同长度的天气 预报。表层土壤湿度受外界高频扰动影响大，其保留的异常信号易受干扰，信 号不易保持，而深层则恰恰相反。因此，土壤由浅入深对异常信号保持能力的 差别还同它所受的外界强迫有很大的关系。既然士壤湿度对异常强信号有着良 好且持久的保持能力，那么作为一种下垫面强迫它就有可能对后期的气候异常 产，i ! 一定的影响。 幽1 0 淮河型土壤i t 度滞后r 1 相关系数 ( 实线为o - 1 0 c m 短线为2 0 3 0 c r a ，点线为4 0 5 0 c t ，点实线为9 0 一i o o c m ， 平行丁：横轴的两条虚线为时滞相关系数超过9 9 显著性检验的临界值r 。= 0 1 3 5 ) b ) 淮河型土壤湿度的周期分析 土壤湿度作为一种主要地表物理参量，在地气相互作用中它与外界大气状 况的变化密切相关。作为对外界各种频率强迫的h 向应，它自身就会有与外界相 适应的频率。从“时域”的角度看土壤湿度的变化可分为白噪音和红噪音过程， v i n n i k o v 等 2 1 2 2 指出，土壤湿度的白噪音过程山地形、植被类型、土壤类 型和观测误差引起，而红噪音过程的时间尺度为3 个月。若从“频域”的角度 来看，淮河流域土壤湿度场有什么特点呢? 为此本文计算了淮河型 ( 1 1 0 。e 1 2 1 。e ，3 0 。n 3 6 。n ) 区域平均o - l o o c m3 9 6 旬不同深度上土壤湿度的功率 谱，分柝不同深度土壤的显著周期。 对于表层o - l o o m ( 图l l a ) 、1 0 2 0 c a ( 图略) 、2 0 3 0 c m ( 图1 1 b ) 土壤湿度而言， 首先在4 8 旬为峰值，且明显超出标准谱，说明表层土壤湿度存在4 8 旬左右的 显著周期振荡。其次，在1 2 旬和2 旬功率谱估计值也达到或超出标准谱，可见 表层壤湿度还存在着1 2 旬和2 旬左右的显著周期。 另外，从中层3 0 4 0 c m ( 图1 l c ) 、4 0 5 0 c m ( 图略) 、5 0 6 0 c m ( 图1 l d ) 到深层 6 0 7 0 c m ( 图略) 、7 0 8 0 c m ( 图路) 、8 0 9 0 c m ( 图1 1 e ) ，一方面土壤湿度依旧显 现4 0 旬左右的显著周期，另一方面8 0 旬左右周期的显著性却从3 0 4 0 c m ( 图1l c ) 开始逐渐增强，到8 0 9 0 c m ( 图1 l e ) 深层变得最显著，成为该层次最显著的谱峰 ( 4 0 8 0 c m 各层图略) ，可见从土壤中层到深层，土壤湿度的振动周期逐渐增长。 值得注意的是，9 0 一l