研究揭示青藏高原东西部土壤湿度—降水耦合呈反向变化
2022-04-21
青藏高原陆-气相互作用是理解高原气候效应的基础，也是青藏高原气候学研究的热点。土壤湿度作为陆面过程的重要和活跃的物理参量，其异常“信号”可以持续长达数月，从而改变地表能量的平衡，影响地表非绝热加热中感、潜热的分配，进而对大气环流及后期天气气候产生显著影响。作为陆-气相互作用的度量，土壤湿度与降水之间的耦合形态和时空分布是普遍关心的问题。
青藏高原地表物理属性的显著空间异质性决定了陆面过程的差异性。尤其是高原积雪和冻土在空间上的差异决定了高原地区的陆气相互作用的差异，加之高原地区的降水的空间差异性，必然会导致陆-气之间的能量、物质交换的差异，这种差异是否会激发或引起大气在空间上的次级环流，并进一步影响高原地区加热的传输和扩散，这是需要深入研究的问题。
针对上述问题，利用多套（GLDAS、ERA-Interim、NCEP-Ⅱ和MERRA2）土壤湿度资料和GPCC降水资料，通过计算土壤湿度—降水耦合指数，揭示了青藏高原春季土壤湿度和夏季降水耦合（SSM-SP-C）的空间分布特征，并利用CMIP5的13个气候模式（GCMs）进行了验证。结果揭示出，青藏高原春季土壤湿度的变化和接下来的夏季降水之间的耦合SSM-SP-C存在呈东、西相反的形态。在高原中-东部，春季土壤湿度和夏季降水呈正耦合，而西部则呈负耦合（图1）。春季地表感热对高原中-东部SSM-SP-C强度有显著负贡献，而对高原西部SSM-SP-C呈正贡献；土壤湿度的变化对高原东部和西部SSM-SP-C的贡献相反（图2）。土壤湿度与同时降水呈现正耦合，从春季到夏季耦合强度增大，但耦合强度的空间差异显著。
CMIP5的13个GCMs集合平均结果低估了高原东部地区春季土壤湿度和夏季降水的正耦合强度，再现高原西部地区的春季土壤湿度和夏季降水负耦合关系的能力较差。GCMs对高原夏季降水模拟的湿偏差与耦合指数的偏差之间存在显著相关（图3），意味着GCM对春季土壤湿度和夏季降水耦合关系模拟不准是GCMs对高原夏季降水模拟出现湿偏差的原因之一。
本研究强调了青藏高原这一高寒地区土壤湿度—降水耦合对后期天气气候影响的重要性，提出通过考察GCM中SSM-SP-C的环节改进模式的降水模拟偏差的途径。
图1 青藏高原春季土壤湿度和夏季降水耦合指数k分布
图2 青藏高原不同地区耦合指数k与土壤湿度和地表感热变化的关系
图3 青藏高原夏季降水均方根误差与耦合指数k偏差的关系
研究结果以题为“East–West Reverse Coupling Between Spring Soil Moisture and Summer Precipitation and Its Possible Responsibility for Wet Bias in GCMs Over Tibetan Plateau”发表在Journal of Geophysical Research: Atmosphere上。该工作受到国家自然科学基金重大研究计划“青藏高原地-气耦合系统变化及其全球气候效应”重点项目（91837205）、面上项目（42175064）、国家重点研究发展计划项目（2020YFA0608404）、甘肃省重大研究计划项目（20ZD7FA005）的共同资助。
Citation：Yang, K., & Wang, C. (2022). East–west reverse coupling between spring soil moisture and summer precipitation and its possible responsibility for wet bias in GCMs over Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,127, e2021JD036286. https://doi.org/10.1029/2021JD036286
Copyright © 甘肃省气候资源及防灾减灾重点实验室 All rights reserved. 联系地址：甘肃省兰州市天水南路222号 邮编：730000
研究揭示青藏高原东西部土壤湿度—降水耦合呈反向变化
2022-04-21
青藏高原陆-气相互作用是理解高原气候效应的基础，也是青藏高原气候学研究的热点。土壤湿度作为陆面过程的重要和活跃的物理参量，其异常“信号”可以持续长达数月，从而改变地表能量的平衡，影响地表非绝热加热中感、潜热的分配，进而对大气环流及后期天气气候产生显著影响。作为陆-气相互作用的度量，土壤湿度与降水之间的耦合形态和时空分布是普遍关心的问题。
青藏高原地表物理属性的显著空间异质性决定了陆面过程的差异性。尤其是高原积雪和冻土在空间上的差异决定了高原地区的陆气相互作用的差异，加之高原地区的降水的空间差异性，必然会导致陆-气之间的能量、物质交换的差异，这种差异是否会激发或引起大气在空间上的次级环流，并进一步影响高原地区加热的传输和扩散，这是需要深入研究的问题。
针对上述问题，利用多套（GLDAS、ERA-Interim、NCEP-Ⅱ和MERRA2）土壤湿度资料和GPCC降水资料，通过计算土壤湿度—降水耦合指数，揭示了青藏高原春季土壤湿度和夏季降水耦合（SSM-SP-C）的空间分布特征，并利用CMIP5的13个气候模式（GCMs）进行了验证。结果揭示出，青藏高原春季土壤湿度的变化和接下来的夏季降水之间的耦合SSM-SP-C存在呈东、西相反的形态。在高原中-东部，春季土壤湿度和夏季降水呈正耦合，而西部则呈负耦合（图1）。春季地表感热对高原中-东部SSM-SP-C强度有显著负贡献，而对高原西部SSM-SP-C呈正贡献；土壤湿度的变化对高原东部和西部SSM-SP-C的贡献相反（图2）。土壤湿度与同时降水呈现正耦合，从春季到夏季耦合强度增大，但耦合强度的空间差异显著。
CMIP5的13个GCMs集合平均结果低估了高原东部地区春季土壤湿度和夏季降水的正耦合强度，再现高原西部地区的春季土壤湿度和夏季降水负耦合关系的能力较差。GCMs对高原夏季降水模拟的湿偏差与耦合指数的偏差之间存在显著相关（图3），意味着GCM对春季土壤湿度和夏季降水耦合关系模拟不准是GCMs对高原夏季降水模拟出现湿偏差的原因之一。
本研究强调了青藏高原这一高寒地区土壤湿度—降水耦合对后期天气气候影响的重要性，提出通过考察GCM中SSM-SP-C的环节改进模式的降水模拟偏差的途径。
图1 青藏高原春季土壤湿度和夏季降水耦合指数k分布
图2 青藏高原不同地区耦合指数k与土壤湿度和地表感热变化的关系
图3 青藏高原夏季降水均方根误差与耦合指数k偏差的关系
研究结果以题为“East–West Reverse Coupling Between Spring Soil Moisture and Summer Precipitation and Its Possible Responsibility for Wet Bias in GCMs Over Tibetan Plateau”发表在Journal of Geophysical Research: Atmosphere上。该工作受到国家自然科学基金重大研究计划“青藏高原地-气耦合系统变化及其全球气候效应”重点项目（91837205）、面上项目（42175064）、国家重点研究发展计划项目（2020YFA0608404）、甘肃省重大研究计划项目（20ZD7FA005）的共同资助。
Citation：Yang, K., & Wang, C. (2022). East–west reverse coupling between spring soil moisture and summer precipitation and its possible responsibility for wet bias in GCMs over Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research: Atmospheres,127, e2021JD036286. https://doi.org/10.1029/2021JD036286
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