（气象学专业论文）中国春季土壤湿度与东亚夏季风的关系.pdf

中文摘要 本文探讨了中国春季土壤湿度异常和东亚夏季风的关系，并得到一系列有 意义的结论： 首先计算了中国春季1 5 5 个站点土壤湿度与东亚夏季风指数的相关关系。 发现河套和西南地区的春季土壤湿度异常和东亚夏季风之间存在较好的正相关 关系，利用这两个区域的春季土壤湿度定义了一个标准化春季土壤湿度指数 ( s m i ) ，结果发现：s m i 指数和东亚夏季风的强弱相关较好，高( 低) s m l 年 一般和强( 弱) 东亚夏季风相对应。然后选取了高低s m i 指数年各5 年进行合 成分析，检验了高低指数年2 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 流场、5 0 0 h p a 高度场、夏季降水 场等，结果发现，高低指数年间存在着很大的差异，高s m i 指数年，东亚夏季 风偏强，而的s m l 年的东亚夏季风则较弱，这进一步验证了s m i 指数和东亚夏 季风之间的相关关系；同时，s m i 指数存在明显的4 6 年和准2 年的周期振荡， 但其振幅和周期又有明显的周期变化。在对东亚夏季风强度的预报能力上，负 的s m i 对弱东亚夏季风的预报能力要强于正s m i 对强东亚夏季风的预报能力； 最后，用n c a rc a m 3 气候模式模拟了中国春季土壤湿度对东亚夏季风的影 响。结果发现，试验区域范围内春季土壤湿度异常偏湿( 干) 年，东亚夏季风 偏强( 弱) ，验证了东亚夏季风对试验范围内的春季土壤湿度异常是敏感的。试 验区域春季土壤湿度异常偏湿年，同年夏季中国东部大陆土壤湿度偏大，蒸发 偏大，同时海平面气压偏低，水汽的经向输送也加强，中国东部大陆水汽条件 充足，降水偏多；而在试验区域春季异常偏干的年份，同年夏季东部大陆土壤 湿度偏干，蒸发偏小，海平面气压升高，水汽的经向输送也减弱，大陆上水汽 条件不足，降水偏少。 关键词：土壤湿度，东亚夏季风，s m i ，降水 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w ed i s c u s s e dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne a s ta s i as u m m e rm o n s o o n a n ds p r i n gs o i l - m o i s t u r eo v e rc h i n aa n dg o tas e r i e so fi n t e r e s tr e s u l t s u s i n gc o r r e l a t i o na n a l y s i s ，w ef i n de a s ta s i as u m m e rm o n s o o n ( e a s m ) h a sa s t r o n gp o s i t i v ec o r r e l a t i o n 谢t hs p r i n gs o i lm o i s t u r eo v e rs o u t h w e s tc h i n aa n dt h e h e t a or e g i o n as t a n d a r ds o i lm o i s t u r ei n d e x ( s m i ) i sd e f i n e du s i n gt h es o f tm o i s t u r e o ft h e s et w or e g i o n s w jf i n dt h a ts 枷h a sav e r yg o o dp o s i t i v er e l a t i o n s h i pw i t h e a s m ，h i 业s m ia l w a y sm e a n sas t r o n ge a s m w jt h e nd oac o m p o s i t ea n a l y s i st o t e s tt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nh i g ha n dl o ws m iy e a r si n2 0 0 h p aa n d8 5 0 h p aw i n df i e l d 5 0 0 h p aa l t i t u d ef i e l d s ，s u m l n e rp r e c i p i t a t i o n ，e t c r e s u l t ss h o wt h a ti nh i g hs m i y e a r s ，e a s ma r em u c hs t r o n g e rt h a nn o r m a l ，w h i l ei nl o ws m iy e a r s ，e a s ma r e m u c hw e a k e rt h a nn o r m a l ；b e s i d e s ，t h es m ih a so b v i o u s l yq u a s i4 - 6y e a ra n dq u a s i2 y e a ro s c i l l a t i o n s n e g 砒i v es m ih a ss t r o n gp r e d i c t i o na b i l i t yt h a np o s i t i v es m i i na d d i t i o n w eu s en c a rc a m 3t os i m u l a t e 也ec o r r e l a t i o nb e t w e e ne a s m a n ds p r i n gs o i l - m o i s t u r eo v e rc h i n a r e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h es p r i n gs o i l - m o i s t u r e i ne x p e r i m e n ta r e ai sw e t t e rt h a nn o r m a l ，t h ee a s mi sm u c hs t r o n g e r ，a n dw h e nt h e s p r i n gs o i l - m o i s t u r ei ne x p e r i m e n ta r e ai sd r i e rt h a nn o r m a l ，t h ee a s mi sm u c h w e a k e r ，t h i ss h o w st h a t i nm o d e lc l i m a t ee a s mi s v e r y s e n s i t i v et o s p r i n g s o i l m o i s t u r ei ne x p e r i m e n ta r e a ，a n da l s ov a l i d a t e so l l rd i a g n o s t i cr e s u l t s i nw e t t e r y e a r s ，s o i l m o i s t u r eo v e rt h ec o n t i n e n to fc a s tc h i n ai sa l s om u c hw e t t e r ，t h el a n d e v a p o r a t i o ni sm u c hs t r o n g e r ，s e al e v e lp r e s s u r ei sm u c hl o w e r ，m e r i d i o n a lw a t e r t r a n s p o r ti sm u c hs 拓o n g e r ，t h e s er e s u l ta na b u n d a n c ev a p o rc o n d i t i o ni ne a s tp a r to f c h i n a , a n dm u c hm o r ep r e c i ；) i t a t i o ni ns u m m e r ，i nd r i e ry e a r s ，t h i n g sa r ej u s t o p p o s i t e k e yw o r d s ：s o i l - m o i s t u r e ，e a s ta s i as u m m e rm o n s o o n ，s m i ，p r e c i p i t a t i o n 第一章前言 1 1 选题目的和意义 东亚地区由于所处的特殊地理位置，是全球最典型的季风气候区之一，即东亚季风区， 季风的各种特征在这一地区表现得最为明显。传统上季风定义为大范围地区得盛行风向随 季节的变化而改变。r a m a g e “1 给出了明确的季风定义：1 ) 1 月和7 月中有一个月的平均合 成风超过3 m s 2 ) 在5 。经纬度矩形内，这两个月中每个月气旋与反气旋的交替出现至多 每两年一次。w e b s t e r 。3 给出了一个更具普遍性意义的季风定义：冬夏风向的季节性反转和 干、湿的季节交替。 由于东亚地区强烈的海陆热力差异，对流层底部形成的四个大气活动中心构成东亚季 风的主要成员，夏季为南亚热低压和太平洋高压，冬季为阿留申低压和蒙古高压，四个大 气活动中心的季节变化明显，所形成的风系转换显著。在东亚冬、夏季风影响下，东亚地 区冬季盛行偏北风、偏西风，夏季盛行偏南风。偏东风。冬季天气千冷，夏季湿热，雨量 主要集中在夏季。在对流层中部，东亚西风带平均槽脊在冬季、夏季呈相反位相。进一步 的研究发现，东亚季风是由与越赤道气流有关的热带季风和与副热带高压有关的副热带季 风两个季风子系统组成的”。 近年来，随着气象观测资料的增加，人们对季风的认识也在逐步加深，通过对季风形 成问题进行综合分析和深入研究，发现季风不仅是大气低层的局部现象，而且是整个大气 环流中的大范围现象，是太阳辐射的季节变化、海陆热力差异、青藏高原的热力和动力作 用及南北半球相互作用的综台影响下形成的。 我国地处东亚季风区，是世界上最严重的气候脆弱区之一。我国洪涝灾害大多数出现 在夏季，并与东亚夏季风的活动有密切关系，严重的洪涝灾害多是由于东亚夏季风活动异 常所造成的。东亚夏季风的进退、强弱及其年际变化对中国洪涝灾害有着极大的影响。我 国由于自然灾害所造成的经济损失约占当年国民生产总值的3 一6 。因此，如何准确预报 东亚夏季风的强弱，从而预报我国汛期的降水，有着极其重要的意义。 陆地约占地球表面的三分之一，是气候系统重要而最为复杂的组成部分，发生于陆面 的各种过程对气候、环境均具有显著的影响：一方面，各种陆面过程受全球气候变化及区 域气候分布特征的制约，另一方面，作为大气运动的下边界条件，陆面通过交换水汽和能 量等特定的方式与大气发生复杂的相互作用，从而对区域乃至全球气候产生重大影响。陆 面与大气之间进行的各种时空尺度的相互作用并进行动量、能量、物质( 冰汽及c 0 2 等) 、 及辐射的交换对于大气环流及气候状况有极大的影响，有时在某些局部、某个时段内还起 着关键性决定作用。这种交换的通量强度既与下垫面本身物理化学性质及其动态变化的状 况有关，也与变化的大气状况及太阳辐射的强度有关。近年来，人类活动、土地利用方式 的改变等已干预了人类生态环境，森林锐减、地沙漠化、荒漠化、干旱持续、全球变暖 以及水资源缺乏等一系列重大的全球环境问题和气候异常己引起了世界各国政府及科学界 空前的重视，成为科学前沿的重大课题。 近年来，关于陆面过程对气候影响的研究有很多，然而，由于陆面观测资料的缺乏和 陆面过程的复杂性，陆面过程的研究一直落后于诸如海气相互作用的研究。2 0 世纪8 0 年 代中后期，水文一大气试点试验( h a p e x ) 、全球能量和水循环试验( g e w e x ) 、国际卫星一陆 面一云研究计划( i s l s c p ) 、国际地圈一生物圈研究计划( i g b p ) 等一系列大型陆厩外场观测 试验和研究计划的实施，为陆气相互作用的发展提供了条件，使陆气相互作用的研究有了 新的突破，人们对陆气相互作用也有了新的认识，从而也为研究陆面过程对气候影响的研 究提供了新的广阔空间。 土壤湿度作为陆面过程研究中的重要参量，对气候变化起着非常重要的作用，它通过 改变地表向大气输送的感热、潜熟和长波辐射通量而影响气候变化，它的变化同样会影响 土壤本身的热力性质和水文过程，便地表的各种参数发生变化，从而迸一步影响气候变化。 马柱国等”1 将土壤湿度及陆面过程与气候变化之间的关系总结为图1 1 所示。 从图中可以清楚地看出_ - - - 者的相互关系。土壤湿度对气候豹影响表现在它能改变地袁 的反照率( 通过改变土壤的颜色) 、土壤的热容量、地表的蒸发和植被的生长状况，以上影响 2 的结果最终导致地表能量、水分的再分配，从而产生对气候的影响，因此，研究二者的关系 对研究气候变化和区域环境变化有十分重耍的意义。 1 2 国内外研究进展 n a s i a s 7 1 最早发现，土壤湿度的季节性异常对大气的季节变化有重要作用；m a n a b e 的早期研究对陆面水文过程和气候的关系进行了探讨。作为陆面水文过程研究的重要方面， 有关土壤湿度的研究近期也受到气候和水文学家的重视，h e n d e r s o n - s e l l e r s “对土壤湿度 的研究予以特别强调。据统计，在陆面上，6 5 的降水来自于陆地地表蒸发，3 5 来自于海 洋的水汽输送“”，这说明陆面降水很大程度上来自于陆面的蒸发，而蒸发的大小又和土壤 湿度密切相关。不难看出，土壤湿度对陆地降水有重要影响。世界上主要的g c m 都做过土 壤湿度异常对气候影响的数值实验。s h u k l aj 和m i n t zy 1 利用数值试验对干、湿土壤做 了对比试验，结果发现，在大部分陆地( 除主要季风区外，因为主要季风区受季风环流的 影响) ，干土壤比湿土壤7 月份的降水少4 0 一50 9 6 ，这也说明了陆地蒸发是陆地降水的重 要来源。w a l k e r 等“”的敏感性试验指出：干壤可使未来气温升高、降水减少，湿土壤可 使气温降低降水持续；y e h 等“用( g f d l ) 的g c m 研究了灌溉后土壤对气候的影响，结果指 出：增加土壤含水量将使降水增加，而使气温降低；x u ey 等“”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下的两个对比试验，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，对气温也有重要影响。类似的工作 还有许多，王万秋“”利用i ”( i n s t i t u t eo fa t m o s p h e r i cp h y s i c s ) 大气环流模式( g c m ) 研究了土壤湿度异常对后期气候变化的影响，结果发现：土壤湿度的正异常可使降水加大， 地面空气增湿降温，海平面气压升高，在2 0 天以后，这种影响逐渐减小，另外，这种影响 还可向异常区以外的地区传播，使得异常区以外区域的降水、温湿、海平面气压、散度等 发生变化。吴国雄等“”利用l a s g 所发展的全球海洋一大气一陆面系统气候模式( i a p l a s g g o a l s ) 进行的一组试验表明：在没有陆面模式耦合的试验中，7 月份的陆面水分蒸发太大， 降水太多，欧洲、非洲及东亚季风区大于2 m m d 1 1 的区域联成一片，加拿大和北美西岸的 干早区消逝，在有陆面模式藕合的试验中，上述问题得到克服，雨区分布与实况接近。孙 3 岚等“8 利用含有较真实的陆面过程的o o a t s l h s g 陆气耦台模式发现陆面蒸散显著地影响 夏季季风区降水地分布尤其是夏季亚洲地区陆面蒸散对维持正常的印度西南气流，增加 亚洲大陆尤其是我国东部地区地降水具有十分重要地作用，同时，亚洲季风的降水还受到 北黄陆面蒸散变化的影响，反之亦然。g e r a l dk m e e h l “”通过标准0 0 如与c c 反照率试验 和c o a l 比较得出，对伴随有较大降水的较强平均! i e 洲夏季风有贡献的耍素，通常包括( 1 ) 较大的蒸发，( 2 ) 较高地袁气温，( 3 ) 较低的s l p ，( 4 ) 较大的土壤湿度，( 5 ) 较少的雪覆盖， ( 8 ) 与近地层较暖气温有关的季风期较小的感热通量( 以爱季风期前模式中该地区没有雪覆 盖) ，( 7 ) 来自较暖较湿地面的较大的潜熟通量，( 8 ) 地面吸收较多的净太阳辐射( 在很大程 度上由于减少地面反照率或雪被盖) ，( 9 ) 减少净长波辐射( 主要是由于降水增多，云覆盖的 增多) 。因此，来自地面反照率( 特别是c c 版本中的陆面反照率) 的外部条件与内部土壤 湿度正反馈有关( 即，加强季风降水的水分源) 。 日于土壤湿度资料的匮乏，目前对于土壤温度与季风关系的研究主要还是集中在数值 模拟方面，而在资料分析方面的工作还相对较少，v i n n i k o v 等。”1 对土壤坦度搭料进行了 详尽的分析认为，土壤湿度的变化可分成白噪音过程和红噪音过程两部分白噪音过程主耍 对应由地形、植被类型、土壤类型和观测误差所引起的时空变化，时间变化的红噪音过程与 理硷”符合得很好；空间变化的红嗓音过程反映了爿平均降水场的性质，红噪音的时间尺度 为3 个月，空间尺度为5 0 0 t m ，李国平等蹦初步分析了大尺度降雨异常对地面过程的影响，结 果表明，降水异常增多可惶地面温度和地面气温明显降低土壤湿度和地面潜热蒸发增大， 地面反照率降低；刘永强的研究指出。气候异常的持续性与土壤水分状况的异常有关，这 两个工作均说明了土壤煜度和气候变化存在强烈奇勺相互作用；马柱国等叫的研究指出，在中 国区域，土壤湿度有显著的时空结构，且与气候变化关系密切； 正是由于土壤具有将近3 个月的记忆能力，因此前期土壤湿度异常能够持续影响到后期 的壤湿度，从而对后期气候变率产生较大的影响，本文试目通过研究春季壤湿度和夏 季东亚夏季风的关系，为东亚夏季风的预报提供一种参考依据。 13 论文主要内容 本文的正文部分主要分为三个部分，第一部分主要是诊断分析部分；第二部分则简要 介绍和验证t n c a rc o m m u n i t y a t m o s p h e r i cm o d e l ( v e r s i o n3 0 ) 以及其中耦合的陆面模 式n c a rc o m m u n i t yl a n dm o d e l ( v e r s i o n2 ) ；最后一部分则通过一个敏感性试验模拟了春季 试验区域范围内土壤湿度异常变化对东亚夏季风的影响。通过分析，我们探讨了中国春季 土壤湿度异常和东亚夏季风的关系，并得到一系列有意义的结论： 1 ) 计算了中国春季1 5 5 个站点土壤湿度与东亚夏季风指数的相关关系。发现河套和西 南地区的春季土壤湿度异常和东亚夏季风之间存在较好的正相关关系，利用这两个区域的 春季土壤湿度定义了一个标准化春季土壤湿度指数( s m i ) ，结果发现：s m i 和东亚夏季风 的强弱相关较好； 2 ) 选取了高低s m i 指数年各5 年进行合成分析，检验了高低指数年2 0 0 h p a 和8 5 0 h p a 流场、5 0 0 h p a 高度场、夏季降水场等，结果发现，高低指数年闻存在着很大的差异，高s m i 指数年，东亚夏季风偏强，而的s m l 年的东亚夏季风则较弱，这进一步验证了s m i 指数和 东皿夏季风之间的相关关系； 3 ) s m i 指数存在明显的4 6 年和准2 年的周期振荡，但其振幅和周期又有明显的周 期变化。在对东亚夏季风强度的预报能力上，负的s m a 对弱东亚夏季风的预报能力要强于 正s m i 对强东亚夏季风的预报能力； 4 ) 研究表明，c a m 3 气候模式较其先前版本有了一定的改进，对东亚气候具有一定的 模拟能力，但是在强度上还是有所差异，主要表现为对高度场的模拟偏强，对降水的模拟 结果也不是很理想： 5 ) 模拟了中国春季土壤湿度对东亚夏季风的影响，结果发现，试验区域范围内春季土 壤湿度异常偏湿( 干) 年，东亚夏季风偏强( 弱) ，验证了东亚夏季风对试验范围内的春季 壤湿度异常是敏感的； 6 ) 试验区域春季土壤湿度异常偏漫年，同年夏季中国东部大陆土壤湿度偏大，蒸发偏 大，同时海平面气压偏低，水汽的经向输送也加强，中国东部大陆水汽条件充足，降水偏 多；而在试验区域春季异常偏干的年份，同年夏季东部大陆壤湿度偏干，蒸发偏小，海 平面气压升高，水汽的经向输送也减弱，大陆上水汽条件不足，降水偏少。 附图 图1 1 土壤湿度影响气候的物理图像 6 第二章春季中国土壤湿度与东亚夏季风的关系 2 1引言 土壤湿度作为陆面过程研究中的重要参量，对气候变化起着非常重要的作用，它通过 改变地表向大气输送的感热、潜热和长波辐射通量而影响气候变化，它的变化同样会影响 土壤本身的热力性质和水文过程，使地表的各种参数发生变化，从而进一步影响气候变化。 n a m i a s ”3 最旱发现，土壤湿度的季节性异常对大气的季节变化有重要作用；m a n a g e ”“的 早期研究对陆面水文过程和气候的关系进行了探讨。作为陆面水文过程研究的重要方面， 有关土壤湿度的研究近期也受到气候和水文学家的重视，h e n d e r s o n - s e l l e r s “对土壤湿度 的研究予以特别强调。孙岚等“”利用含有较真实的陆面过程的g o a l s l a s g 陆气耦合模式发 现陆面蒸散显著地影响夏季季风区降水地分布，尤其是夏季亚洲地区陆面蒸散对维持正常 的印度西南气流，增加亚洲大陆尤其是我国东部地区地降水具有十分重要地作用，同时， 亚洲季风的降水还受到北美陆面蒸散变化的影响，反之亦然。世界上主要的g c m 都做过土壤 湿度异常对气候影响的数值实验，结果表明，干土壤可使未来气温升高、降水减少，湿土 壤可使气温降低降水持续。 由于土壤湿度资料的匮乏，目前对于土壤湿度与季风关系的研究主要还是集中在数值 模拟方面，而在资料分析方面的工作还相对较少，v i n n i k o v 等”“2 “对土壤湿度资料进行了 详尽的分析认为，土壤湿度的变化可分成白噪音过程和红噪音过程两部分，白噪音过程主要 对应由地形、植被类型、土壤类型和观测误差所引起的时空变化，时间变化的红噪音过程与 理论。”符合得很好；空间变化的红噪音过程反映了月平均降水场的性质，红噪音的时间尺度 为3 个月，空间尺度为5 0 0 k m ，李国平等”“初步分析了大尺度降雨异常对地面过程的影响，结 果表明，降水异常增多可使地面温度和地面气温明显降低，土壤湿度和地面潜熟蒸发增大， 地面反照率降低；刘永强。”的研究指出，气候异常的持续性与土壤水分状况的异常有关，这 两个工作均说明了土壤湿度和气候变化存在强烈的相互作用。马柱国等。“的研究指出，在中 国区域，土壤湿度有显著的时空结构，且与气候变化关系密切。 对东亚夏季风的监测和预报是我国汛期预报的重要内容，由于土壤具有3 4 个月的记 忆能力，因此前期土壤湿度异常对后期气候变率有着较大的影响，本文试图通过研究春季 7 土壤湿度和夏季东亚夏季风的关系，为东亚夏季风的预报提供一种参考依据。 2 2 资料和数据 本文采用中国气象局气象信息中心资料室提供的1 9 8 1 - 2 0 0 2 年全国土壤湿度站逐旬资 料，共分1 0 层，分别为o 一1 0 ，1 0 一2 0 ，2 0 3 0 ，3 0 4 0 ，4 0 5 0 ，5 0 6 0 ，6 0 - 7 0 ，7 0 - 8 0 ，8 0 9 0 ， 9 0 一1 0 0 c m ，本文主要采用0 1 0 c m 的表层土壤湿度。全国共2 3 0 个站，从中选取了春季资 料序列较为完整的1 5 5 个站( 图2 1 ) ，站点主要集中在东北、黄河中下游、江淮流域、华 中和西南地区，而在1 0 0 。e 以西，站点十分稀少。降水和地表温度资料是中国气象局提供 的全国7 4 4 个站6 0 0 4 年的月平均资料。格点资料采用n c e p n c a r1 9 4 8 - - 2 0 0 4 年月平均 再分析的高度场、风场资料，海表温度为n o a a 的e r s s t 资料。 2 3中国春季土壤湿度场特征 在中国春季土壤湿度的气候平均图中( 图2 2 ) ，我们可以看到中国春季土壤湿度有两 个湿中心，分别位于贵州湖南地区和东北地区，而在内蒙古中部地区有一个干中心，整个 空间分布呈东南湿，西北干的形势。 比较春季土壤湿度气候平均图和春季降水的气候平均图( 图2 3 ) ，我们发现两者在形 势上十分相似，由此可以看到，土壤湿度的分布很大程度上受降水的影响，大气是土壤湿 度变化的主要外界强追因子，降水场的分布很大程度上决定了土壤湿度场的分布。但是两 者之间也存在着一定的差异，降水场只有一个大中心位于华南地区，丽壤湿度场的除在 南方有一个湿中心外，在降水相对较少的东北地区也有一个湿中心，这可能是由于东北地 区的春季积雪开始融化，产生大量的雪融水，而且当地多为黑粘土，且植被较为茂盛，有 8 着较大的持水能力，所以土壤含水量较高。这说明降水等大气的大尺度强迫因子并不是引 起土壤湿度变化的唯一因素，土壤质地、植被状况、蒸发等中小尺度因子也起若一定的作 用。 2 4 土壤湿度和东亚夏季风的相关 2 4 1春季土壤湿度指数的定义 本文中采用的东亚夏季风指数为孙秀荣等“1 定义的东亚海陆热力差异指数，其具体定 义为： e a s m i = s t a n d a r d ( 4 5 ( t e c - t s s 咖) + 1 5 ( t s c t s c s ) ) 其中：t e c 为东亚季风区( 2 7 - - 3 5 。n ，1 0 5 。e 以东) 范围内的地温，t s s r m r 为副热带西北 太平洋( 1 5 - - 3 0 。n ，1 2 0 一1 5 0 e ) 的海温，两者之差表示东西向热力差异，t 。为华南地区 ( 2 7 n 以南，1 0 5 e 以东的大陆) 的地温，t s 。为南海( 5 - - 1 8 n ，1 0 5 1 2 0 e ) 海温，两 者之差表示南北向海陆热力差。 高辉等”对不同东亚夏季风指数进行了比较，结果发现，东亚海陆热力差异指数可以 较好的反映中国东部夏季的降水和气温异常，较好的表征了东亚夏季风的强弱变化。 图2 4 是东亚夏季风指数和中国春季土壤湿度场的相关系数分布( 8 1 - - 0 2 年) ，从图 中我们可以看到，东亚夏季风指数和春季土壤湿度场存在着比较显著的相关。正相关区域 主要位于河套地区、西南地区和东北，其中河套和西南地区的最大值分别达到0 7 和0 6 5 ， 通过了9 9 的显著相关信度检验。负相关区域主要位于长江下游和内蒙古东部地区，但相 关性不是很强，只有一个站达到0 6 ，其他各站都的相关系数都不是很大。这说明河套地 区和西南地区的春季土壤湿度对当年东亚夏季风强度有着很大的影响。 为了进一步研究他们之间存在的关系，我们选取了河套地区( 1 1 3 1 0 4 e ，3 4 5 - - 4 2 n ) 共2 1 个站，西南地区( 1 1 1 5 e 以西，2 6 n 以南) 共1 4 个站，将两个区域的土壤湿 度分别进行区域平均，我们发现两个区域之间的春季土壤湿度与东亚夏季风指数之间存在 显著的正相关，相关系数分别达到0 5 2 和0 4 7 ，通过了9 5 的显著性检验。两个区平均值 9 之间的相关系数达到了0 5 6 ，通过了9 9 的显著性检验。 综合以上分析，文中用河套地区春季土壤湿度的区域平均值和西南地区的区域平均值 相加，然后再进行标准化，定义了一个春季土壤湿度指数，在此简称为s m i ，用来表征河 套和西南地区的春季土壤湿度的变化： s m i = s t a n d a r d ( s m 西南+ s m 河套) 该指数与西南地区和河套地区区域平均值的相关系分别达到了0 , 9 3 和o 8 2 ，说明这个 指数的高低变化很好的代表了春季这两个区域的土壤湿度的变化趋势。 图2 5 是1 9 8 1 - 2 0 0 2 年春季土壤湿度指数和同年夏季的东亚夏季风指数。从图中我们 可以看到，春季土壤湿度指数有着明显的年际变化，近2 0 年来，这两个区域的土壤湿度整 体是在趋于变干的。 比较春季壤湿度指数和东亚夏季风指数之间的变化趋势，我们可以发现两者的趋势 非常接近，两者在最近2 0 年中都体现出了整体下降的趋势。两者的 相关系数达到了0 5 7 ，通过的g g 的信度检验。这说明春季河套及西南地区土壤湿度指数 和同年夏季风的强弱之间存在着很大的相关性。 表11 9 8 1 - - 2 0 0 2 年强、正常、弱土壤湿度指数年 s m i 强度年份 s m i 耋1 0 1 9 9 0 ，1 9 8 1 ，1 9 9 1 o 5 三s m i 1 o 1 9 8 2 ，1 9 9 6 ，1 9 9 4 ，1 9 8 6 - 0 5 s m i 0 5 1 9 8 4 ，1 9 8 8 ，1 9 8 5 ，1 9 9 7 1 0 s m i 三- 0 5 1 9 8 3 ，1 9 8 9 ，1 9 9 2 ，2 0 0 2 s m i 三一1 0 1 9 9 8 ，1 9 9 9 ，1 9 9 3 ，1 9 8 7 ，2 0 0 1 ，1 9 9 5 ，2 0 0 0 为了便于识别春季土壤湿度指数异常年的特征，我们将春季土壤湿度指数的强弱进行 1 0 如下定义：s m i 兰0 5 为强土壤温度指数年，- 0 5 0 5 为正常土壤湿度指数年，s m i 堇- 0 5 为弱土壤湿度指数年结果如表1 所示。 2 4 2 春季土壤湿度与夏季风场的关系 为了检验强弱s m l 年东亚夏季风的差异，我们选取了最干的5 年( 0 0 ，9 5 ，0 1 ，8 7 ， 9 3 ) 和最湿的5 年( 9 0 ，8 1 ，9 1 ，8 2 ，9 6 ) ( 以下合成年份相同) ，进行合成分析。 图2 6 是强弱s m i 指数年合成的8 5 0 h p 积巨平流场，从图中可以看到，在强s m l 年( 图 2 6 a ) ，西北太平洋上为异常反气旋控制，而且有两个反气旋中心，分别位于4 7 。n ，1 7 8 e 和我国东海地区，中国东部、东北、朝鲜及日本北部地区都处在低空的偏南或西南距平气 流控制之下，南风分量向北延伸到5 0 n 。在热带地区，是偏西或偏西南距平气流，越赤道 气流偏强，这支强劲的偏差西风越过中南半岛，进入中国西南地区，并向北推进，加强季 风环流。因此，中国大陆1 0 0 。n 以东地区都处于距平东南、偏南或西南夏季风气流的控制之 下。这表明，在强s m l 年，夏季风环流明显偏强偏北。而在弱s m l 年( 图2 6 b ) ，西北太平 洋 图2 ，6 强弱s m i 指数年8 5 0 h p a ；t m 2 0 0 h p a 风场合成 ( a 、强s m 年8 5 0 h p a 风场合成，b 、弱s m l 年8 5 0 h p a 风场合成， c 、强s m l 年2 0 0 h p 8 风场合成，d 、弱s m l 年2 0 0 h p a , 5 【, 场合成) 上为一气旋性偏差环流，热带地区为东风异常，越赤道气流较弱，中国大陆东部地区及朝 鲜、日本北部都处在低空偏北或东北偏差气流的控制之下夏季风环流异常偏弱。 图2 6 c 、d 是强弱s m l 年合成的2 0 0 h p a 距平风场。强s m i 指数年( 图2 6 c ) ，在赤道 地区偏差东风盛行，南亚大陆上空为反气旋偏差环流控制，说明南亚高压较强，其西侧盛 行偏北的偏差气流，越过赤道向南进入南半球，在气候场“”上1 0 5 1 2 5 e 高层偏北越赤道 气流处，有较大的北风分量，澳大利亚上空为反气旋性偏差环流控制，说明澳大利亚冷性 反气旋偏强。表明在强s m i 指数年，南亚高压南侧东风急流偏强，偏北越赤道气流活跃， 高空夏季风明显偏强。而在弱s m i 指数年( 图2 6 d ) ，南亚大陆上空为气旋性偏差环流控 制，在气候场上1 0 5 1 2 5 e 高层偏北越赤道气流处，有南风分量异常，说明偏北越赤道气 流偏弱南皿高压较弱，热带地区整体处于西风距平气流的控制之下，特别是在气候场上南 北两支东风急流的位置上，西风距平很大，澳大利亚上空为气旋性偏差环流控制，澳大利 亚冷性反气旋偏弱，这说明夏季风异常偏弱。 同时我们也考察了强弱s m i 指数年对流层上下高低纬向风场的垂直切变( 图略) ，在强 s m i 指数年，东亚夏季风区的高低层纬向风切变明显偏强，而在弱s m i 指数年则明显偏弱。 这也进一步说明了在强弱s m i 指数年，东亚夏季风存在着明显的强弱变化。从以上分析我 们可以看出，文中定义的春季土壤湿度指数与东亚夏季风强度之间存在着很好的相关关系， 春季土壤湿度指数越大，该年夏季风越强，反之则越弱。 2 4 3 春季土壤湿度与5 0 0 h p a 高度场的关系 图2 7 是强弱s m l 年5 0 0 h p a 夏季高度场的的合成图。在强s m l 年( 图2 7 a ) 中可以 看到，高纬地区沿纬向呈“+ ，一，+ ”的波列形势分布。中高纬度欧亚大陆中部( 3 0 - - 9 0 e ) 地区为正的位势高度距平控制，在蒙古和西伯利亚地区为负的位势高度距平控制， 中心位于贝加尔湖，阿留申群岛上空为正的位势高度距平，中纬地区为正的位势高度距平， 这说明在强s m l 年，欧亚大陆槽减弱，鄂霍次克高压减弱，阿留申低压减弱，使得中高纬 度地区经向环流减弱，使西太平洋副热带高压位置偏北，强度偏弱，西风带北推，有利于 夏季风的向北推进加强，但不利于北方冷空气南下，造成雨带位置偏北，从而使华北地区 降水偏多，而江淮流域和长江中下游地区由于处在单一的夏季风气流控制之下，降水明显 偏少，发生干旱。而在弱的s m l 年( 图2 7 b ) 与之相反，中高纬度地区为“一，+ ，一” 的波列形势分布，欧亚大陆中部为负的位势高度距平控制，蒙古和中西伯利亚地区为正的 位势高度距平控制，阿留申群岛上空为负的位势高度距平，中纬度地区为负的位势高度距 平，这说明在弱s m l 年，欧亚大陆槽加强，鄂霍次克高压加强，阿留申低压加强，使得中 高纬度地区经向环流加强，使西太平洋副热带高压位置偏南，强度偏高，西风带偏南，不 利于夏季风的向北推进加强，但有利于北方冷空气南下，与夏季风气流交汇，造成雨带位 1 2 置偏南，从而使华北地区降水偏少，而江淮流域和长江中下游地区的降水明显偏多，发生 洪涝。以上分析说明，春季土壤湿度指数( 哑i ) 可以较好的识别中国东部季风区夏季降水 异常的环流型。 2 5 春季壤湿度指数和中国夏季降水的关系 从前面的分析中可以发现：强s m l 年，环流形势可能使雨带偏北，使得江淮及长江中 下游地区发生干旱；面在弱s i l 年，环流形势有利于雨带偏南，江淮流域及长江中下游地 区降水偏多。为了进一步验证这个结论，我们考察丁强弱s m l 年降水场的变化特征。 图2 8 a 是s m i 与中国夏季降水的相关图，从图中我们可以看到，长江中下游地区为 图2 8 $ m i 与中国夏季降水场的差系：( a 、s m i 与夏季降水相关，阴影部丹表示 信度达到o 1 以上；b 、强弱s m l 年夏墨降球场差值) 负相关，中心最大值选到一08 ，达到00 1 的信度水平，东北、华北、坷套地区也为正相 关区。这表明在强s m l 年，夏季风强度偏强，夏季风气流向北加强推进，与北方冷空气在 华北、河套地区辐合，使得副热带季风辐合带位置偏北，强度偏弱造成华北、河套地区 降水偏多，而长江中下游地区由于受单一夏季风气流控制。降水较少。而在弱s m 年，夏 季风气流较弱，与北方冷空气在长江中下游地区辐台，使得副热带季风辐合带位置偏南， 强度偏强，造成长江中下游地区降水偏多，而些北、河套等地区受单一偏北气流拄制，降 水较少。 这种异常分布特征在强弱s m l 年夏季降水场的差值图上也十分的明显。瞬6 b 是1 1 个 正蛳1 年和u 个负跚1 年中国夏季降水场的差值圈。从图中我们可以看到，强弱龇1 年夏 季降水场存在这明显的差异，与弱s m l 年相比，强s 1 4 1 年长江中下游地区降水明显偏少， 负中心位于鄂徽赣交界处，中心最大差值达到了一1 2 ( m m 。而华北、河套东部及东北地区的 降水明显偏多，最大差值达到4 0 - - 5 0 1 皿左右。这进一步验证了s i 指数与夏季降水场之间 存在这很好的相关性。 2 6 春季土壤湿度指数的变化和预报能力 2b 春季土壤湿度指数的变化和预报能力 我们对1 9 8 1 - - 2 0 0 2 年的春季土壤湿度指数( s m i ) 进行了小波分析，来从频率域和时 间域来研究s m i 的波谱振幅随时间变化的特征。 图2 9 是s m i 的小波系数模分布特征，从圈中我们可以看到，s m i 强度存在准2 年和4 6 年的周期振荡，但其振幅和周期具有显著的年际变化，在8 1 - - 8 6 年主要以3 4 年的 周期为主，8 6 9 7 年主要集中在准6 年的周期，但也出现了向低频振荡的转移，出现了弱 的准2 年周期振荡，9 8 年以后又以准6 年周期振荡主，高频振荡向低频转移。从以上特征 中我们可以发现，目前s m i 处于一个周期为准6 年的低频振荡阶段，且位于正负位相的交 替阶段。 为了进一步考察s m i 指数对同年东亚夏季风强度的预报能力，我们统计了1 9 8 1 - - 2 0 0 2 年共2 2 年的s m i 指数和e a s m i 的相互对应关系( 表2 ) 。从袁2 中我们可以看到，在1 1 个 s m i 为正的年份中，e a s m i 为正的年份为5 个( 5 1 1 ) ，而在1 1 个s m i 为负的年份中，e a s m i 为负的年份为1 1 个( 1 l 1 1 ) 。由此可以看到，s m i 和e a s m i 之间有很好的位相对应关系， 负s m i 对弱e a s m i 的预报能力要好于正s m i 对强e a s m i 的预报能力。但是，同时我们也要 看到，在8 1 - - 0 2 年中的5 个e a s m i 为正的年份，其对应的s m i 都是正的。造成$ m i 指数 在预报能力上的差异性的原因可能是由于上世纪7 0 年代以来，东亚夏季风明显减弱，但是 在s m i 的变化上，也有s m i 指数的整体减弱与之对应。 表2 、同年s m i 指数和e a s m i 指数 正s m l 年 岛 同年e a s 舡负s h l 年 岛 同年e a s e l 1 9 9 01 9 10 9 62 0 一1 4 6_ o 1 5 1 9 8 11 8 90 5 91 9 9 5一l _ 3 3_ 0 4 2 1 9 9 11 3 1- 0 6 82 l- i 2 7加7 8 1 9 眈 0 8 l一1 3 2 1 9 8 7一1 2 41 _ 6 5 1 9 0 8 0 o 蠲1 9 9 3 一1 0 8 - i 9 1 9 9 40 6 90 5 11 9 - 0 9 2 一1 5 1 9 8 60 6 l _ 0 1 31 9 9 8_ 0 6 8_ 0 9 1 9 8 40 5 0_ 0 0 72 0 0 2- 0 n3 1 1 9 8 80 4 70 2 11 9 9 2加5 3- 0 4 2 1 9 8 50 3 l0 4 51 9 8 9- 0 1 9一1 4 7 1 9 9 70 2 5_ 0 0 9l 鳃3_ 0 1 5- 1 0 9 预报能力5 1 1预报能力 1 1 1 1 2 7 结论和讨论 1 ) 文中定义的中国春季土壤湿度指数与同年东亚夏季风强度之间存在较好的相关关 系。强s m l 年，东亚季风区低空西南夏季风气流和高层东风气流明显偏强，表明该年夏季 风偏强，而弱s m l 年则相反。所以，可以用s m i 指数来判断该年东亚夏季风的强弱，对于 气候预报具有一定的知道意义。 2 ) s m i 和中国东部季风区夏季降水异常的环流型有着较好的对应关系，可以较合理她 解释夏季降水异常的环流背景。 3 ) 强s m l 年，雨带位置偏北，长江中下游地区降水偏少，华北河套降水偏多，而弱 s m l 年则相反，对长江中下游地区夏季的早涝有较好的预报指示意义。 4 ) s m i 指数存在明显的4 - - 6 年和准2 年的周期振荡，但其振幅和周期又有明显的周 期变化。在对东亚夏季风强度的预报能力上，负的s m t 对弱东亚夏季风的预报能力要强于 正s m i 对强东亚夏季风的预报能力。 综合以上分析，中国春季土壤湿度指数( s m i ) 和东亚夏季风之间存在很好的相关性， 因此对于我国每年的季风预报和降水预报具有一定的指示价值。但春季土壤湿度异常是通 过哪些物理途径影响东亚夏季风的，其具体的物理机制又是什么，这个还有待于进一步的 探讨和研究。 1 5 附图 图2 11 5 5 个土壤湿度站的地理位置 图2 2 中国春季土壤湿度气候平均图( 单位：o 0 1 克2 c 方厘米) c l i m a t i cs p r i n gr a i nf a l lo v e rc h i n a 图2 3 中国春季降水气候平均图( 单位：m m ) 图2 4e a s m i 和中国春季土壤湿度的相关 图2 5 春季土壤湿度指数( s 瑚【) 和东亚夏零风指数( e a s m i ) 相关 图2 6 a 强s m l 年8 5 0 h p a 风场合成( 单位：m s 厂广 图2 6 b 、弱s m l 年8 5 0 h p a 风场合成( 单位：m s ) 1 9 1 一 图2 6 c 、强s m l 年2 0 0 h p a 风场合成( 单位：m s ) 图2 6 d 、弱s m l 年2 0 0 h p a 风场合