程 潔, 田小卉, 黃 禹, 鐘 葉, 李中外, 封國林, 2, 吳永萍*

(1. 揚州大學物理科學與技術學院, 江蘇 揚州 225002;2. 國家氣候中心中國氣象局氣候研究開放實驗室, 北京 100081)

由于氣候變暖導致全球范圍多處出現了不同程度的干濕變化, 北半球中高緯度地區(qū)出現了不同程度的偏濕情況[1]． 自20世紀后半期以來,全球干旱化的面積擴大了2倍以上[2],且干旱區(qū)的面積還在不斷擴大[3]．已有模擬研究表明,隨著大氣層中溫室氣體濃度的增加,導致全球溫度升高, 土壤水分減少, 造成干旱化現象[4], 使生態(tài)不穩(wěn)定,這種情況在中緯度地區(qū)比較明顯[5]．掌握全球的干濕變化規(guī)律并采取合理的措施對于應對氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義．自IPCC第五次氣候變化評估報告提出“干更干, 濕更濕”后,眾多學者利用不同干濕指標開展了相關評估, 所采用的指標主要有: 帕默爾干旱指數(Palmer drought severity index, PDSI)[6]、降水-蒸發(fā)(precipitation-evaporation, P-E)、地表濕潤指數(surface humid index)、干燥度指數(aridity index, AI)等[7]．從水分收支角度來分析, 土壤濕度無疑是最能客觀反映土壤干旱程度的物理量[8], 陸地表面的其他基本屬性(如感熱、潛熱、溫度、降水等)也會對全球陸地的干濕變化產生關鍵影響．然而,由于土壤濕度是氣象和水文中的非常規(guī)觀測資料,其直接觀測資料的稀缺性特點非常顯著,只在少數地區(qū)有記錄,且時間序列也很短[9],觀測資料的匱乏制約了以土壤濕度為核心的陸氣相互作用的研究．

近年來, 再分析土壤濕度數據被廣泛應用于相關的研究中,并在很大程度上推動了人們對土壤濕度與氣候變化相互作用的認識．Papalexiou等[10]認為, 土壤含水量與降水或氣溫等的作用是陸氣相互作用中的一個重要環(huán)節(jié); 趙家臻等[11]認為土壤濕度的變化與降水量的變化趨勢基本一致; Wang等[12]證明前期的降水可在一定程度上表征土壤濕度; 索朗塔杰等[13]指出不同厚度層的土壤濕度均與降水密切相關．此外, 還有一些研究表明土壤濕度與溫度、蒸發(fā)量之間聯系緊密, Seneviratne等[14]認為在干旱半干旱區(qū), 當土壤濕度較低時, 會引起蒸發(fā)量的減少, 使得感熱通量增加, 從而導致近地表空氣溫度增高, 而溫度的升高又會進一步導致土壤濕度的降低, 這是一個正反饋過程．在干濕氣候過渡區(qū), 土壤濕度對降水的影響最為強烈[15-16]．就全球陸地而言, 65%的降水來自于陸地表面的蒸發(fā), 只有35%的降水來自于海洋的水汽輸送, 這就直觀地說明了降水在很大程度上受到陸地表面蒸發(fā)的影響, 而蒸發(fā)量的多少又與土壤濕度息息相關, 所以土壤濕度對降水和蒸發(fā)等一系列氣候要素都有一定的影響．

現有的研究對于干旱的分析大多是關于某一區(qū)域干濕變化的長期趨勢,而缺乏從全球視野認識干旱化,且對土壤濕度與溫度、降水以及其他氣象要素的反饋過程研究較少．本文旨在以土壤濕度為核心,探討降水和溫度的驅動機制,加深人們對區(qū)域干旱化的認識．

1 資料和方法

NCEP/NCAR再分析數據集是由美國氣象環(huán)境預報中心(national centers for environmental prediction, NCEP)和美國國家大氣研究中心(national center for atmospheric research, NCAR)聯合組織制作的全球大氣再分析資料, 該數據由各種來源的資料(陸面天氣觀測、飛機觀測、衛(wèi)星探測、無線電探空等)經過同化處理獲得．其中, NCEP-R1包含了1949年至今的數據, NCEP-R2數據是修正了NCEP-R1再分析數據集中人為誤差獲得的1979年至今的再分析數據集, 并在土壤濕度等方面有較好的改進．本文中所使用的數據為1979—2018年NCEP-R2再分析數據集月平均土壤濕度、日平均降水速率、月平均潛在蒸發(fā)量、地表2 m處的月平均溫度、月平均潛熱通量以及月平均感熱通量．NCEP-R2再分析資料為高斯格點資料, 全球共有192×94個格點．土壤濕度又被稱為土壤含水量, 它的表征方式有質量比和體積比兩種, 在本文中采取土壤濕度體積比的概念, 即單位體積土壤中水分所占的體積, 單位為cm3·cm-3, 相關的研究方法采用線性回歸分析和雙側t檢驗．

2 結果與討論

2.1 全球地表土壤濕度變化特征

圖1為1979—2018年全球陸地區(qū)域土壤濕度的多年平均值和土壤濕度趨勢分析．圖1(a)結果表明, 在全球陸地范圍內, 多年平均的土壤濕度較小值(即干旱半干旱區(qū))主要位于非洲北部的撒哈拉沙漠、美國西部、亞洲西南部、中國西北部及澳大利亞的大部分地區(qū),由此可以看出干旱半干旱區(qū)大部分分布在北半球中緯度; 土壤濕度大值區(qū)(即濕潤區(qū))出現在赤道附近和北半球的中高緯．在北緯30°附近, 大部分為土壤濕度較小值區(qū)域, 但受地形影響, 我國的四川盆地和長江中下游地區(qū)都處于濕潤區(qū)范圍．我國北緯30°附近出現土壤濕度高值中心的可能原因為: 四川盆地和長江中下游地區(qū)位于我國青藏高原的東部, 海拔較低且周圍水系眾多, 易得到海洋及孟加拉灣水汽輸送, 加之盆地抬升作用及高原槽等影響,使該區(qū)域降水發(fā)生的頻率增大,導致該區(qū)域的土壤濕度較高．

圖1 全球陸地區(qū)域1979—2018年土壤濕度的多年平均值(a), 以及土壤濕度隨時間的變化趨勢(b)(圖中小點代表通過95%信度檢驗的區(qū)域)Fig.1 Annual mean value of soil moisture over global land regions from 1979 to 2018 (a) and variation trend of soil moisture with time(b) (Dots represent areas that passed the 95% confidence level)

圖1(b)顯示1979—2018年全球陸地土壤干濕化的變化趨勢存在區(qū)域差異．其中, 北美洲大部分地區(qū)都呈現土壤濕度變濕趨勢, 只在西北和西南有零星地區(qū)呈現變干趨勢, 且有部分變干區(qū)域未通過顯著性檢驗; 南美地區(qū)土壤濕度呈現東部變干而西部變濕的空間分布; 在非洲, 變干區(qū)域分布在北非的撒哈拉沙漠和東非大裂谷地區(qū); 歐洲的大部分地區(qū)沒有通過顯著性檢驗, 呈現出微弱的西變干東變濕傾向; 西亞的阿拉伯半島、伊朗高原以及東亞大面積地區(qū)呈現出土壤濕度變干的分布; 澳大利亞呈現出西變濕東變干的空間分布格局．

2.2 全球陸地區(qū)域潛在蒸發(fā)量的時空演化

潛在蒸發(fā)量是指充分濕潤的下墊面蒸發(fā)到空中的水量．它不僅能夠全面反眏地區(qū)的蒸發(fā)能力, 也與土壤濕度呈現一定的負相關性．圖2為1979—2018年全球陸地區(qū)域潛在蒸發(fā)量的多年平均值以及變化趨勢分析．圖2(a)結果顯示, 全球陸地區(qū)域年平均潛在蒸發(fā)量的空間分布差異很大, 但總體分布與土壤濕度的分布相關性較好,即土壤濕度小的區(qū)域潛在蒸發(fā)量較大．潛在蒸發(fā)量最大的區(qū)域位于北非的幾個沙漠附近, 這些區(qū)域潛在蒸發(fā)量大,可能與赤道附近強烈的太陽輻射以及不易存儲水分的沙質地表有關．從赤道到高緯度地區(qū),潛在蒸發(fā)量隨著緯度的增加而減小, 最小值位于北半球的高緯附近, 年均潛在蒸發(fā)量不足100 mm．我國陸地年均潛在蒸發(fā)量呈現從東南向西北減小的分布特征, 東南沿海地區(qū)的多年平均潛在蒸發(fā)量可達500 mm, 這與地勢平坦和水分濕潤的因素有關;而西部地區(qū)地形復雜, 且身居內陸,外部水汽不易到達, 蒸發(fā)量小, 最小值位于青藏高原附近．

從圖2(b)潛在蒸發(fā)量的多年時空變化趨勢來看,潛在蒸發(fā)量變化與土壤濕度的變化較為吻合．南美洲東部、北非撒哈拉沙漠、東非大裂谷和亞洲中部的潛在蒸發(fā)量變化趨勢都呈現增大的空間分布,而阿拉伯半島南部和澳大利亞東部沒有通過顯著性檢驗,呈現微弱的增大傾向．

2.3 全球陸地區(qū)域感熱通量的時空演化

就全球而言,無論陸地還是海洋,其表面溫度和大氣邊界層的溫度并不相等,因此在地表和大氣間能產生湍流熱交換．在地-氣系統能量傳輸的過程中,當地表溫度高于大氣邊界層溫度時,就會出現由地表向大氣的感熱輸送;反之,感熱輸送的方向將相反．同時,干旱區(qū)域降水少,地表反照率高,因此對太陽輻射的吸收少,感熱在能量傳輸過程中也更大．

圖3(a)為全球陸地表面與低層大氣間感熱輸送年平均通量的地理分布圖．由圖3(a)可見, 在大陸表面感熱通量平均輸送是由低緯向高緯遞減,但在干旱和潮濕的地區(qū),感熱輸送相差很大．就全年平均而言,陸地表面向大氣輸送熱量的大值區(qū)主要位于非洲南部的沙漠和索馬里半島,年平均通量可達40～60 W·m-2, 其余大值區(qū)位于亞洲西部的伊朗高原和印度半島、美國西部、南美洲的安第斯山脈、博爾博雷馬高原以及澳大利亞地區(qū)．我國地區(qū)感熱通量的年平均輸送呈現北高南低的分布特征．塔里木盆地和內蒙古高原為高值區(qū),年平均感熱通量約為40～60 W·m-2, 這可能與這些地區(qū)干燥、多日照等因素有關．隨著向高緯度推進,感熱通量隨著地表凈輻射的減少而減少, 并出現由低層大氣向地球表面輸送感熱通量的情況．

圖3 全球陸地1979—2018年感熱輸送通量多年均值空間分布(a) 及其隨時間變化趨勢的空間分布 (b)Fig.3 The spatial distribution of annual average sensible heat transport flux over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖3(b)為感熱通量的多年時空變化趨勢．結果表明, 南美洲東部和東非大裂谷的感熱輸送年平均通量呈現增加的趨勢,北非的撒哈拉沙漠大面積呈現減少趨勢,西亞的阿拉伯半島、中亞以及澳大利亞東部地區(qū)大部分沒有通過顯著性檢驗,呈現微弱的增大趨勢．

2.4 全球陸地區(qū)域潛熱通量的時空演化

陸氣間水的相變所吸收或釋放的熱量稱為潛熱通量, 圖4(a)為地表與低層大氣間潛熱輸送年平均輸送通量的地理分布．由圖4(a)可以看出, 地表的潛熱輸送受到氣候狀況的制約,在主要的干旱半干旱區(qū), 如非洲北部、美國西部和亞歐大陸的東部, 潛熱輸送通量小,年平均輸送通量約為40 W·m-2, 這是受到了土壤水分供應不足的影響．在濕潤地區(qū), 潛熱通量的分布在赤道附近達到最大, 非洲中部和南美洲達到120 W·m-2, 并逐漸向高緯度遞減至不足20 W·m-2．因此, 潮濕地區(qū)潛熱通量的分布受到地表凈輻射的制約．潛熱通量和感熱通量是地表向大氣輸送熱量的主要途徑, 而感熱輸送年平均通量的最大值約為潛熱通量的一半甚至更小, 故在陸-氣系統的能量交換過程中, 潛熱輸送占據主要地位, 而感熱通量的影響較小．

圖4 全球陸地1979—2018年潛熱輸送通量多年均值空間分布(a)及其隨時間變化趨勢的空間分布(b)Fig.4 The spatial distribution of annual average latent heat transport flux over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖4(b)為潛熱通量的多年時空變化趨勢．結果表明, 南美洲東部和亞洲中部地表向大氣輸送熱量呈現增長趨勢,撒哈拉沙漠呈現西部增大而東部減少的空間分布格局,東非大裂谷呈現減小趨勢,阿拉伯半島的南部呈現微弱的增長趨勢而北部則趨勢相反;而澳大利亞東部的增長趨勢較為微弱,未通過顯著性檢驗．

2.5 全球陸地區(qū)域降水的時空演化

大氣中的液態(tài)或固態(tài)水在符合降水條件的區(qū)域從空中降落到地面的現象稱為降水．降水是陸地上水資源的唯一來源, 也是全球水循環(huán)的重要環(huán)節(jié),在很大程度上影響全球的干濕分布,是評估區(qū)域干濕程度的重要氣候要素．

圖5(a)是全球降水量的分布圖．從圖5(a)可以看出, 在各緯度帶內,降水量的分布沒有明顯的特征,表明降水量的分布具有很強的局地性．例如: 赤道附近有降水量極大值區(qū)位于南美洲北部,也有降水量極小值區(qū)位于中非的索馬里半島; 在中低緯度既有降水量較多的中國南部沿海地區(qū),也有降水量較少的北非、北美和中亞地區(qū)．綜合全球來看, 全球降水極少的地區(qū)有位于中低緯度的干旱半干旱區(qū)(如北美西部,從北非到中亞的廣闊地區(qū)), 也有澳大利亞和兩極地區(qū), 日降水量不足2 mm．降水量極大值的區(qū)域分布在南美洲西北部的山脈區(qū)域、中非和一些局部地區(qū)．其中,中南半島南部、加里曼丹島、新幾內亞島等區(qū)域降水量可達10 mm·d-1．

我國日降水量最大值位于東南沿海地區(qū),降水量可達6～8 mm·d-1,日降水量呈現從東南向西北遞減的分布,降水量最小值位于西北的沙漠地區(qū),這與西北地形的作用有關．

圖5 全球陸地1979—2018年日降水量多年均值空間分布(a) 及其隨時間變化趨勢的空間分布 (b)Fig.5 The spatial distribution of annual average precipitation over global land during 1979—2018 (a) and its variation trend with time (b)

圖5(b)為降水量的多年時空變化趨勢圖．從圖5(b)可以看出, 南美洲西部、非洲的熱帶雨林地區(qū)以及澳大利亞的西部降水量呈現增大趨勢; 北美洲降水量呈現東北增大而西南減小的分布;在中國北部地區(qū),降水量呈現出西北增加而東北略微減小的空間分布格局．

3 結論

基于1979—2018年NCEP-R2的土壤濕度、潛在蒸發(fā)、感熱通量、潛熱通量以及降水量等再分析資料, 繪制出了全球陸地區(qū)域土壤濕度等5幅空間分布和變化趨勢圖, 對全球陸面干濕程度進行了全面分析,研究結果表明:

1) 非洲北部的撒哈拉沙漠地區(qū)、西亞的阿拉伯半島和亞洲中部處于土壤濕度低值區(qū)且有變干的趨勢, 降水量呈現減小趨勢,潛在蒸發(fā)有逐漸增大的傾向, 但感熱輸送年平均通量卻在非洲北部和中亞呈現相反的方向, 這可能與升溫增幅不同有關,潛熱輸送呈現增加的趨勢;

2) 北美中部和南美洲西部的土壤濕度較高且有變濕的傾向, 與之相對應, 降水量呈現增大的趨勢, 潛在蒸發(fā)呈現減小的趨勢, 感熱輸送年平均通量呈現逐漸減小的傾向, 而潛熱輸送年平均通量在增加;

3) 巴爾卡什湖南部位于土壤濕度高值區(qū)卻有變干的傾向, 降水量呈現減少的趨勢, 潛在蒸發(fā)呈現微弱的增大傾向, 感熱輸送年平均通量呈現一個小高值中心, 潛熱輸送年平均通量也呈現增加的趨勢;

4) 中國北部位于土壤濕度低值區(qū)卻有轉濕的傾向,而此時降水量卻呈現減少的趨勢, 潛在蒸發(fā)呈現增大趨勢,感熱通量與潛熱通量都有增加趨勢．