青藏高原土壤冻融过程可为中国东部夏季降水预测提供两个季节以上的“信号”
2019-07-03
跨季节气候预测是一个具有挑战性的科学问题。目前，我国夏季降水的预测主要依赖于海温异常信号（例如：ElNiño/La Niña）。然而由于气候系统的复杂性，一方面，海温对内陆地区降水的影响仍有待于深入研究；另一方面，依靠单一因子的预测能力有限。陆气相互作用是跨季节气候预测的另一主要外源“信号”，土壤湿度作为陆面过程的主要物理量，对大气有着重要的反馈作用，尤其对于降水过程有显著的影响。已有研究结果（例如：Charneyet al., 1977；Conilet al. 2007；Yang& Wang et al., 2016）表明，在中纬度内陆地区，土壤湿度对降水的影响要大于海温的作用。
在春季，大气环流从冬季“型”向夏季“型”转换过程中，存在着所谓的“春季障碍”。在预测实践中，跨季节气候预测虽然常使用一些冬、春季的预测因子，例如：青藏高原和亚欧地区的冬、春积雪，但由于积雪的时空变率较大，积雪反照率的影响过程较快，在预测实践中存在较大的不确定性。
青藏高原的热、动力作用是东亚夏季风的重要成员。高原的热、动力异常对东亚大气环流演变有着显著影响。高原的陆面过程对周边大气环流和下游天气气候的影响是一个重要而又需要深入的科学问题。高原陆面过程中最为显著的特征是分布着冻土和积雪。春季的融雪、融冻过程控制着该地区地表非绝热加热（Wanget al., 2017; Yang & Wang, 2018）。因此，冻融过程极有可能蕴含着中国夏季降水的预测“信号”。然而，如何提取这一预测信号是一个悬而未决的问题。
图1 冻融过程对土壤湿度异常持续性的作用
王澄海教授研究小组最早关注到这一问题，并开展了多年的持续研究和实践（例如：Wanget al., 2003；Wanget al., 2008；尚大成和王澄海，2006；王澄海和崔洋，2011；王澄海和耿立程，2012；李登宣和王澄海，2016）。在这些研究的基础上，利用土壤湿度和台站观测降水资料，分析了青藏高原土壤湿度异常的跨季节持续性及其与中国东部地区夏季降水的联系，并结合地球系统模式（CESM）设计敏感性试验进行验证，分析了可能的物理机制。结果表明，前一年秋季或冬季的土壤湿度异常通过冻融过程的水分存储效应可以持续到春季（图1），并与春季土壤湿度异常有着相似的降水指示信号（图2）。可能的物理机制：前一年秋季的土壤湿度异常通过冻结过程储存在土壤中，随着春季土壤融冻过程异常信号被释放出，引起地表非绝热加热异常，进一步影响高原的热力强迫，通过改变高原两侧大气的斜压性影响西风气流，通过影响中纬度定常Rossby波传播，影响高原下游地区的大气环流，从而导致中国东部夏季降水的异常。该研究结果认为春季土壤湿度异常包含了前两个季节的土壤湿度异常信号，夏季降水的预测信号可以从前秋的土壤湿度异常中提取，从而延长跨季节预测的期限。该研究也说明了土壤冻融过程在陆-气相互作用中的重要性。这一新研究成果近期发表在大气科学领域SCI一区的专业期刊气候动力学ClimateDynamics上（https://doi.org/10.1007/s00382-019-04867-1）。
图2 青藏高原土壤湿度跨季节持续性对中国东部夏季降水的影响
近年来，王澄海教授团队在跨季节气候预测方面取得了一系列进展，包括提出了高原不同区域的冬春积雪异常对中国东部夏季降水有着不同的指示意义（Wanget al., 2017）；同化春季土壤湿度有效改善了数值模式对中国地区夏季降水的预测能力（Wang& Cui, 2018）；通过对比海洋的作用，得出了中纬度内陆地区夏季降水主要受土壤湿度的影响，而热带地区的降水主要受海洋的影响(Yang & Wang et al., 2016)；此次工作从土壤冻融过程的角度，为跨季节预测提供了新的预测信号。
该工作受到了国家自然科学基金（91837205,41661144017, 41801015和41805032）的资助。
部分相关文章：
Yang K., Wang C. (2019) SeasonalPersistence of Soil Moisture Anomalies Related to Freeze-Thaw over the TibetanPlateau and Prediction Signal of Summer Precipitation in Eastern China. ClimateDynamics. https://doi.org/10.1007/s00382-019-04867-1.
Yang K., Wang C. (2018) Water storageeffect of soil freeze-thaw process and its impacts on soil hydro-thermal regimevariations. Agricultural and Forest Meteorology, 265: 280-294. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.11.011 .
Wang C., Cui Z. (2018) Improvement ofShort-Term Climate Prediction with Indirect Soil Variables Assimilation inChina. Journal of Climate, 31: 1399-1412.
Wang C., Yang K., Li Y., Wu D., Bo Y.(2017) Impacts of Spatiotemporal Anomalies of Tibetan Plateau Snow Cover onSummer Precipitation in Eastern China. Journal of Climate, 30: 885-903. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-16-0041.1.
Yang K., Wang C., Bao H. (2016)Contribution of soil moisture variability to summer precipitation in theNorthern Hemisphere. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 121:108–124.https://doi.org/10.1002/2016JD025644.
Wang C., Cheng G., Deng A., Dong W.(2008) Numerical simulation on climate effects of freezing-thawing processesusing CCM3. Sci Cold Arid Reg 1:68–79.
Wang C., Dong W., Wei Z. (2003) Astudy on relationship between freezing–thawing processes of the Qinghai-XizangPlateau and the atmospheric circulation over East Asia. Chinese J. Geophys. 46,438–448. https://doi.org/10.1002/cjg2.3361.
李登宣, 王澄海.青藏高原春季土壤湿度与中国东部夏季降水之间的关系[J].冰川冻土,2016, 38(1):89-99.
王澄海, 耿立成.奇异谱分析-最大熵结合最优子集回归方法在中国夏季降水预测中的应用[J].气象,2012, 1: 41-46.
王澄海, 崔洋.东亚夏季风建立前青藏高原地气温差变化特征[J].气候与环境研究,2011, 16(5):586-596.
尚大成, 王澄海.高原地表过程中冻融过程在东亚夏季风中的作用[J].干旱气象,2006, 24(3):19-22.
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青藏高原土壤冻融过程可为中国东部夏季降水预测提供两个季节以上的“信号”
2019-07-03
跨季节气候预测是一个具有挑战性的科学问题。目前，我国夏季降水的预测主要依赖于海温异常信号（例如：ElNiño/La Niña）。然而由于气候系统的复杂性，一方面，海温对内陆地区降水的影响仍有待于深入研究；另一方面，依靠单一因子的预测能力有限。陆气相互作用是跨季节气候预测的另一主要外源“信号”，土壤湿度作为陆面过程的主要物理量，对大气有着重要的反馈作用，尤其对于降水过程有显著的影响。已有研究结果（例如：Charneyet al., 1977；Conilet al. 2007；Yang& Wang et al., 2016）表明，在中纬度内陆地区，土壤湿度对降水的影响要大于海温的作用。
在春季，大气环流从冬季“型”向夏季“型”转换过程中，存在着所谓的“春季障碍”。在预测实践中，跨季节气候预测虽然常使用一些冬、春季的预测因子，例如：青藏高原和亚欧地区的冬、春积雪，但由于积雪的时空变率较大，积雪反照率的影响过程较快，在预测实践中存在较大的不确定性。
青藏高原的热、动力作用是东亚夏季风的重要成员。高原的热、动力异常对东亚大气环流演变有着显著影响。高原的陆面过程对周边大气环流和下游天气气候的影响是一个重要而又需要深入的科学问题。高原陆面过程中最为显著的特征是分布着冻土和积雪。春季的融雪、融冻过程控制着该地区地表非绝热加热（Wanget al., 2017; Yang & Wang, 2018）。因此，冻融过程极有可能蕴含着中国夏季降水的预测“信号”。然而，如何提取这一预测信号是一个悬而未决的问题。
图1 冻融过程对土壤湿度异常持续性的作用
王澄海教授研究小组最早关注到这一问题，并开展了多年的持续研究和实践（例如：Wanget al., 2003；Wanget al., 2008；尚大成和王澄海，2006；王澄海和崔洋，2011；王澄海和耿立程，2012；李登宣和王澄海，2016）。在这些研究的基础上，利用土壤湿度和台站观测降水资料，分析了青藏高原土壤湿度异常的跨季节持续性及其与中国东部地区夏季降水的联系，并结合地球系统模式（CESM）设计敏感性试验进行验证，分析了可能的物理机制。结果表明，前一年秋季或冬季的土壤湿度异常通过冻融过程的水分存储效应可以持续到春季（图1），并与春季土壤湿度异常有着相似的降水指示信号（图2）。可能的物理机制：前一年秋季的土壤湿度异常通过冻结过程储存在土壤中，随着春季土壤融冻过程异常信号被释放出，引起地表非绝热加热异常，进一步影响高原的热力强迫，通过改变高原两侧大气的斜压性影响西风气流，通过影响中纬度定常Rossby波传播，影响高原下游地区的大气环流，从而导致中国东部夏季降水的异常。该研究结果认为春季土壤湿度异常包含了前两个季节的土壤湿度异常信号，夏季降水的预测信号可以从前秋的土壤湿度异常中提取，从而延长跨季节预测的期限。该研究也说明了土壤冻融过程在陆-气相互作用中的重要性。这一新研究成果近期发表在大气科学领域SCI一区的专业期刊气候动力学ClimateDynamics上（https://doi.org/10.1007/s00382-019-04867-1）。
图2 青藏高原土壤湿度跨季节持续性对中国东部夏季降水的影响
近年来，王澄海教授团队在跨季节气候预测方面取得了一系列进展，包括提出了高原不同区域的冬春积雪异常对中国东部夏季降水有着不同的指示意义（Wanget al., 2017）；同化春季土壤湿度有效改善了数值模式对中国地区夏季降水的预测能力（Wang& Cui, 2018）；通过对比海洋的作用，得出了中纬度内陆地区夏季降水主要受土壤湿度的影响，而热带地区的降水主要受海洋的影响(Yang & Wang et al., 2016)；此次工作从土壤冻融过程的角度，为跨季节预测提供了新的预测信号。
该工作受到了国家自然科学基金（91837205,41661144017, 41801015和41805032）的资助。
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Yang K., Wang C. (2018) Water storageeffect of soil freeze-thaw process and its impacts on soil hydro-thermal regimevariations. Agricultural and Forest Meteorology, 265: 280-294. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.11.011 .
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