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通讯作者:

王爱慧,E-mail:wangaihui@mail.iap.ac.cn

引用:陈玥,王爱慧,2023.中国南方春季土壤湿度对夏季干热少雨复合事件的影响[J].大气科学学报,46(3):332-344.

Quote:Chen Y,Wang A H,2023.Effects of spring soil moisture on compound events of high temperature,low humidity,and rainfall in South China[J].Trans Atmos Sci,46(3):332-344.

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    摘要

    针对中国南方极端气候事件成因,本研究综合考虑高温、少雨和干燥三种极端事件,将其异常同时超出1959—2022年间1倍年际标准差定义为干热少雨复合事件,通过合成分析和相似环流-动力调整方法,研究了春季土壤湿度对夏季干热少雨复合事件的影响及物理机制,进一步对2022年夏季南方极端干热少雨复合事件开展深入分析。结果表明:1)中国南方地区春季土壤湿度与夏季气候局地耦合的热点与2022年夏季气温、降水和相对湿度的变率高值区基本吻合;2)春季长江流域及黄淮地区土壤偏干,且东南地区偏湿时,夏季出现干热少雨复合极端事件概率加大;3)春季土壤湿度通过调节局地蒸散和净辐射能量的分配影响夏季气候变率。本研究对改善干热少雨复合事件的预测具有重要参考价值。

    Abstract

    The summer of 2022 exhibits significant characteristics of high temperature,low humidity,and rainfall in South China.Previous studies have focused on extreme events of high temperature and low rainfall in summer,whereas attention to near-ground relative humidity,which is closely related to human comfort and crop growth,has been relatively insufficient.In this study,we define events of positive temperature anomaly,negative precipitation anomaly,and negative relative humidity anomaly exceeding one time of the interannual standard deviation between 1959 and 2022 are as compound events of summer high temperature,low humidity,and rainfall.Monthly ERA5 atmospheric reanalysis data of 1959—2022 are used in this study.We study the effect of spring soil moisture on the compound events in summer by composite analysis and a dynamic adjustment approach based on constructed circulation analogs,and the physical mechanism is analyzed.The results show that:1) The hot spots of the coupling between spring soil moisture and summer climate in south China are basically consistent with the high variability of summer temperature,precipitation,and relative humidity in 2022.2) When the soil in the Yangtze River Basin and Huang-Huai area is dry in spring and the southeast area is wet,the compound events of drying and heat will occur in summer.3) The effect of spring soil moisture on summer climate variability is mainly realized by adjusting the distribution of local evapotranspiration and net radiation energy.The study of the compound extreme events of high temperature,low humidity,and rainfall is of great significance in effectively preventing all kinds of disasters and safety accidents caused by them,protecting people's lives and property,and maintaining social production order.

  • 在全球气候变暖的背景下,气候系统的不稳定性加剧,高温、干旱等极端天气气候事件频发。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)全面评估了全球干旱热浪复合事件的演变并归因后,认为未来区域性复合事件发生概率将进一步升高(IPCC,2021)。高温、少雨和干燥天气往往是同时发生的,而这种复合极端事件对于人类和自然系统造成的损害,往往远超过热浪或干旱的单独影响。高温干燥条件可能会引起工厂爆炸、森林火灾等灾害发生,对于农业种植、水力发电等产业均有显著影响。此外,近地面相对湿度还是影响气溶胶光学效应、雾霾天气的形成以及人体舒适度的关键要素(高慧等,2012; 丁一汇和柳艳菊,2014)。气候模式模拟研究结果表明,增暖背景下极端高温和干旱事件同时发生的概率更高,平均降水的趋势决定了未来复合干热事件是否发生(Bevacqua et al.,2022)。我国相对湿度随气温升高呈现下降趋势,限制水汽输送能力,使得极端降水概率对气温的响应呈抛物线式结构,若温度峰值升高3~5℃引起响应曲线右移,则21世纪末中国暴雨量级将增长20%~30%(尹家波等,2021)。

  • 2022年夏季北半球多地区经历极端高温事件,欧洲西班牙、法国等地遭遇高温、干旱、野火肆虐,高温导致超2 000人死亡。2022年我国暖干气候特征明显,春、夏、秋三季气温均为1951年以来的历史同期最高,同时7月降水为历史同期第二少(中国气象局国家气候中心,2023)。据水利部2022年8月17日发布会可知,长江流域降雨量较常年同期偏少4.5成,高温少雨使得长江流域旱情发展迅速,四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽6省(市)耕地受旱面积1 232万亩,83万人、16万头牲畜供水受到影响(http://www.mwr.gov.cn/xw/slyw/202208/t20220817_1591663.html)。作为我国粮食主产区之一,长江流域水稻等秋粮作物的生长受到旱情影响,一季稻灌浆结实率下降。长江流域干流、支流水位下降甚至断流,鄱阳湖、洞庭湖等水位持续下降,为历史同期最低,浅滩和湖周干涸面积扩大,对湖区水产养殖、农业生态系统造成严重影响。

  • 土壤湿度是陆面过程中的关键要素,其变化对气候预测具有重要意义(Delworth and Manabe,1989; 林朝晖等,2008)。研究表明,亚洲夏季土壤湿度-降水耦合强度与土壤湿度阈值紧密相关,在年际尺度上前期土壤湿度的异常可能对降水产生极大影响(Liu et al.,2017)。由于土壤湿度反馈的非对称性,在全球变暖背景下,其变化引起的陆面热力异常对极端高温和暴雨事件的发生概率存在显著影响(马柱国等,2000; Fischer et al.,2007; Orth and Seneviratne,2017)。中国东部地区,春季土壤湿度异常显著影响夏季气温和降水异常(梁乐宁和陈海山,2010; 李忠贤等,2012)。基于多源土壤湿度的统计预测模型研究表明,春季华南及中国东北北部土壤湿度偏干(湿),且中国西北偏湿(干)时,对应华南东部夏季极端高温偏高(低),江淮偏低(高)(宋耀明等,2019)。也有研究表明,当春季华北到江淮地区土壤偏湿时,夏季长江中下游降水将偏多,而东南地区的降水则将偏少(Zhang et al.,2017)。

  • 以往研究中针对我国夏季高温和少雨极端事件的工作不在少数,而对与人体舒适度和作物生长紧密相关的近地面相对湿度的关注则相对不足。近几十年来,我国的高速城市化进程使得裸土面积缩小,夏季相对湿度整体呈降低趋势,且城区相比于郊区更加干燥(刘熙明等,2006)。医疗气象研究表明,城市平均气温、相对湿度及其共同作用对呼吸系统疾病就诊人数有显著影响(王敏珍等,2016)。我国南方地区人口和建筑密集,城市热岛和干岛效应并存(史军等,2011),对于干热少雨复合事件的研究迫在眉睫。

  • 本研究以中国南方地区为研究区域,利用1959—2022年大气再分析逐月数据,通过合成分析和相似环流-动力调整方法分析研究了春季土壤湿度异常对夏季干热少雨气候的影响过程及机制,并进一步针对2022年夏季南方地区高温少雨干燥复合极端事件,深入探讨了春季土壤湿度异常在此类事件形成中的作用。针对干热少雨复合极端事件的研究对于有效防范其引发的各类灾害和安全事故,切实保障人民群众生命财产安全和维护社会生产秩序具有重要意义。

  • 1 数据与方法

  • 1.1 数据

  • 本研究利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)全球气候的第五代大气再分析数据(ERA5),其空间分辨率为0.25°×0.25°(Hersbach et al.,2020)。ERA5数据中气温、降水和土壤湿度等变量在中国适用性已经得到广泛验证(刘维成等,2022; 姚飛等,2022),并发现同时能较好地捕捉极端事件的特征(刘婷婷等,2022)。选取1959—2022年6—8月2 m气温、2 m露点温度、地面气压、总降水、500 hPa位势、蒸发、感热通量、潜热通量、净短波辐射、净长波辐射,和3—5月0~7cm体积土壤含水量的月值数据。其中,500 hPa位势的空间范围为20°E~180°、0°~60°N,其余变量的范围为100°~130°E、15°~35°N。

  • 1.2 方法

  • 由于ERA5数据没有近地面相对湿度变量,本研究利用2 m气温、2 m露点温度和地面气压,由实际水汽压与饱和水汽压的比值求得近地面相对湿度。采用修正的Tetens公式计算饱和水汽压(刘健文,2005),则有:

  • Rh=ees×100%; es=6.112exp17.67tt+243.5; e=6.112exp17.67tdtd+243.5

  • 其中:Rh为相对湿度(单位:%); e为实际水汽压(单位:hPa); es为饱和水汽压(单位:hPa); t为2 m气温(单位:℃); td为2 m露点温度(单位:℃)。

  • 对于极端气候研究而言,气候要素的变率相对于其绝对值更为重要。因此,在开展分析之前,先对各要素计算出相对于1959—2022年夏季平均的距平,并去除其线性趋势。本研究中利用夏季(6、7、8月)平均的去趋势后气候要素距平作为年际和年代际变率的指标。极端事件年定义为某个夏季变量去趋势后的距平绝对值超出1959—2022年夏季1个标准差的年份。其中,高温年、少雨年和干燥年分别为气温正距平、降水负距平、相对湿度负距平的绝对值大于各自在研究时段内的1个标准差的年份,将同时满足上述三个条件的年份定义为干热少雨复合年。

  • 基于相似环流型(Constructed Circulation Analogs)的动力调整方法(Dynamic Adjustment Approach)(简称CCA-DA方法)被广泛地用于确定和分离气候要素场中大气环流的贡献(Deser et al.,2016; Saffioti et al.,2016; 郭瑞霞,2019; 陈玥等,2022; Chen et al.,2023)。例如,Chen et al.(2023)采用CCA-DA方法定量分离了1980—2019年大气环流对亚洲中低纬度地区夏季陆地降水的贡献,研究表明大气环流决定了夏季陆地降水的量级,而陆地-大气耦合效应则主导了降水的趋势,两者对降水的年际变率同等重要。对于我国1979—2021年7月中国东部降水异常的动力调整强调了局地热力作用对夏季极端降水的重要影响,同时由局地热力因子变化引起的降水余项主导了2021年7月江淮到长江下游地区的异常强降水(陈玥等,2022)。

  • 在上述工作的基础上,本研究利用1959—2022年夏季平均ERA5中的500 hPa位势高度作为大尺度环流因子,分别对去趋势后气温、降水和相对湿度的距平进行动力调整。选择环流因子500 hPa位势高度场的范围时(20°E~180°,0°~60°N)充分考虑了上游的主要影响系统(Merrifield et al.,2017),并将高纬大气和海洋上空的影响系统的作用也包含了进来。在除目标年份外的所有63个位势高度场中随机选取50个,对目标年份的500 hPa位势高度做最优线性拟合,得到最优线性拟合系数及最优拟合环流型。将上述最优线性拟合系数应用到与对应的50组气温、降水和相对湿度场,分别得到由大气环流引起的距平分量。将上述随机拟合过程重复100次,得到100组最优拟合环流型,其均值即为目标年份的相似环流,相应地100组环流对应的气温、降水、相对湿度距平分量场的均值则为其环流分量。三要素总距平与环流分量的差值称为其余项。关于CCA-DA方法更详细的介绍具体参照Chen et al.(2023)。

  • 2 2022年夏季中国南方夏季干热少雨复合事件

  • 图1a—c分别为2022年夏季我国南方地区(100°~130°E,15°~35°N)气温、降水和近地面相对湿度去趋势距平的分布,其中参考气候态为1959—2022年平均。从图1a可以清楚看出,以长江流域为中心存在一条东西走向的高温带,升温中心主要位于四川盆地附近。同时,长江流域降水相对于多年均值显著偏少,从黄淮到南岭以北地区呈经向“正-负”偶极子分布。降水低值中心位于长江下游和东南沿海地区,高值中心位于两广地区(图1b)。近地面相对湿度的变化与气温和降水紧密相关,其分布近似与气温反位相,与降水同位相。长江流域相对湿度均偏低,其中四川盆地的湿度异常最大(图1c)。进一步,通过分析1959—2022年夏季平均的相对湿度与气温、降水去趋势距平的对应关系(图1d)可知,相对湿度的异常与气温和降水异常的综合变化紧密相关,其符号并非仅由气温或降水异常单独决定。2022年夏季的情形位于第四象限,且相对湿度显著偏低。也就是说,2022年夏季气温、降水和相对湿度的异常均远超1959—2022年平均状态,处于三种极端事件叠加的情形,表现出干旱少雨干燥复合极端事件的特征。

  • 图2为1959—2022年春季土壤湿度变率与夏季气温、降水和相对湿度点对点的线性相关系数的分布,可以看出,春季土壤湿度与夏季气候要素高相关(耦合较强)的区域与分别2022年3要素变率高值区(图1)有较好的对应关系。春季土壤湿度与夏季气温普遍呈负相关,高相关区主要位于西南地区和长江以北,2022年气温距平高值中心(图1a)均处于显著相关区域内。春季土壤湿度与夏季降水在长江上游和下游地区、广东沿海地区显著正相关,这些区域在2022年夏季都出现了较强降水异常(图1b)。春季土壤湿度与夏季近地面相对湿度在整个研究区域内普遍显著正相关,其中,四川盆地附近相关系数可达0.5以上,表明此区域的春季土壤湿度与夏季相对湿度关系紧密。对比图1和图2可以得出上述定性结论,系统研究春季土壤湿度对夏季气候要素影响,及定量化贡献需要进一步深入分析。

  • 3 春季土壤湿度对夏季干热少雨复合事件的影响

  • 3.1 春季土壤湿度影响四类极端事件的热点

  • 图3为1959—2022年,中国南方区域平均标准化后的春季浅层土壤湿度、夏季气温、夏季降水和夏季相对湿度时间序列。为了研究春季土壤湿度在不同类型的极端事件以及复合事件中的作用,分别将气温、降水和相对湿度超出一倍标准差的年定义为高温年、少雨年和干燥年,并进一步将三种极端事件同时发生的年定义为干热少雨复合年,由此得到1959—2022年期间有8个高温年(1959、1960、1961、1967、1978、2006、2013和2022年),9个少雨年(1959、1972、1978、2004、2006、2009、2011、2013和2022年),9个干燥年(1959、1967、1972、2005、2006、2009、2011、2013和2022年),4个干热少雨复合年(1959、2006、2013和2022年)。可以看出,2022年夏季我国南方地区同时具备高温、少雨和干燥的复合特征。

  • 图4为分别将上述四类极端事件发生年对应的春季0~7 cm土壤湿度距平进行合成后得到平均分布,可知,四类极端事件对应的中国春季土壤湿度在105°E以西均显著较高,而在105°E以东普遍较干。同时,长江以北存在一条春季土壤湿度距平的低值带,沿长江呈纬向分布。此外,四类极端事件对应的春季土壤湿度都在四川盆地存在显著干中心。四类极端事件对应的春季土壤湿度合成高低值区代表着土壤湿度与夏季气象要素耦合的热点。高温和复合极端事件(图4a、d)对应着东南沿海地区偏湿的特征,而少雨和干燥事件对应的土壤湿度(图4b、c)空间异质性较低。也就是说,四种情形均对应着春季长江流域及黄淮地区偏干,若同时伴有东南地区偏湿的分布,则会出现南方地区夏季干热少雨。考虑这种分布可能与副高位置以及我国主雨带的推移有关,我们试图将大尺度环流的作用分离出来,在移除其影响后再探讨春季土壤湿度的作用。

  • 图1 2022年中国南方夏季平均的气温距平(a; 单位:℃)、降水距平(b; 单位:mm/d)和近地面相对湿度距平(c; 单位:%)(距平是相对于1959—2022年气候平均态得到的),以及1959—2022年中国南方(100°~130°E,15°~35°N)夏季相对湿度距平与气温距平(x轴)和降水距平(y轴)的对应关系散点图(d)

  • Fig.1 Spatial distribution of summer 2022 (a) air temperature anomaly (unit:℃) , (b) precipitation (unit:mm/d) , (c) near-surface relative humidity (unit:%) , with respect to climatology mean of 1959—2022 over south China. (d) Scatter plot of relative humidity anomaly corresponding to temperature anomaly (x-axis) and precipitation anomaly (y-axis) in south China (15°—35°N, 100°—130°E) during 1959—2022

  • 图2 1959—2022年春季土壤湿度与夏季气温(a)、降水(b)、相对湿度(c)之间的相关系数(打点为通过置信度为95%的显著性检验的区域)

  • Fig.2 Spatial distribution of point-to-point correlation coefficients between spring soil moisture and (a) summer air temperature, (b) summer precipitation, and (c) summer relative humidity in south China during 1959—2022.The dotted areas indicate that the correlation is significant at the 95% confidence level

  • 图3 1959—2022年夏季中国南方(100°~130°E,15°~35°N)区域平均的标准化春季0~7 cm土壤湿度(灰色阴影)、夏季气温(红色)、夏季降水(蓝色)、夏季相对湿度(绿色)的时间序列(实心点表示超出一倍标准差的极端年,箭头标识的四个年份为复合极端事件年)

  • Fig.3 Time series of the areal-weighted mean standardized spring 0—7 cm soil moisture (gray contour) and the summer temperature (red curve) , precipitation (blue curve) , and relative humidity (green curve) in south China (15°—35°N, 100°—130°E) during 1959—2022.The solid dots represent the extreme years exceeding one annual standard deviation, and the four years marked with arrows are the compound extreme event years

  • 3.2 移除环流影响后的土壤湿度作用

  • 以较大范围500 hPa位势高度为环流因子,分别对1959—2022年夏季气温、降水和相对湿度做基于相似环流型的动力调整,用于研究大尺度环流及去除环流后余项对要素特征的贡献。类似于图2的讨论,分析春季土壤湿度与夏季气温、降水和相对湿度的环流分量和余项之间的相关性(图5)。春季土壤湿度与气温环流分量的相关高值区主要位于长江中游北部地区,在陕西、重庆、湖北北部以及广东沿海少数地区呈现显著的负相关,表明这些区域春季土壤湿度对于夏季气温的影响是主要是通过调节大气环流实现的。Fischer et al.(2007)研究发现2003年夏季欧洲地区的负土壤湿度异常引起盛行高压系统进一步增强,使得热浪强度加剧,同时抑制了水汽下沉,不利于降水形成。此外,基于大气环流模式的研究表明,前期土壤湿度的变化可以通过行星波影响大气环流,引起本地区及下游地区气候异常(Koster et al.,2014)。2022年夏季西北太平洋副热带高压范围偏大、位置偏西北、强度偏强,在其作用下,我国南方地区整体受下沉气流控制,天空晴朗少云,地面辐射吸收较强,使得大范围高温天气持续发生(中国气象局国家气候中心,2023)。移除环流作用以后,气温距平余项与春季土壤湿度的显著相关区位于西南地区和长江以南部分地区。而在整个研究区域内,除湖北和福建零星地区外,降水距平的环流分量与春季土壤湿度的相关均不显著,降水距平余项与土壤湿度的显著正相关区为一条从湖南到上海的西南-东北走向的带状区域,同时在福建沿海部分地区呈显著负相关。这表明春季土壤湿度对于江南地区降水变率的作用主要是通过影响蒸散发实现的,这一结论与作者前期关于陆面过程对亚洲中低纬度夏季降水变率起主导作用的结论是一致的(Chen et al.,2023)。除四川、贵州、广东地区外,夏季近地面相对湿度距平的环流分量与春季土壤湿度相关较弱(相关系数不足0.1),而其余项与春季土壤湿度存在显著相关区,其中包括长江上游、江淮和江南大面积地区,也就是说,春季土壤湿度对于夏季相对湿度的关系主要体现在前者对移除了大尺度环流后的余项的作用上。因此,为了进一步理解上述过程,以及春季土壤湿度影响夏季气候因子影响的机制,下面分析春季土壤湿度与夏季多个地表热力学要素之间的关系。

  • 图4 1959—2022年高温年(a)、少雨年(b)、干燥年(c)以及复合极端事件年(d)对应的0~7 cm春季土壤湿度距平(单位:m3/m3)合成分布

  • Fig.4 Composite distribution of 0—7 cm spring soil moisture anomaly (unit:m3/m3) in (a) high temperature years (eight years) , (b) low rainfall years (nine years) , (c) dry years (nine years) , and (d) compound extreme events years (four years) during 1959—2022

  • 选取蒸发、感热通量、潜热通量、净短波辐射和净长波辐射来描述陆面热力过程,通过上述陆面要素与气温、降水和相对湿度CCA-DA前后的相关关系来分析余项的物理意义。我们计算了中国南方地区春季土壤湿度和夏季上述陆面热力要素分别与夏季气温、降水和相对湿度的总量及其CCA-DA后各分量之间点对点相关系数,并统计显著相关(p>95%)且分量与陆面要素之间的相关系数和总量与陆面要素之间的相关系数同号时的格点面积,然后将其表示为总面积的百分比(图6)。全球气候模式研究表明,土壤湿度对降水的正反馈机制主要为土壤偏湿增强蒸发,使得边界层内大气相对湿度上升,对流抑制能减小,有利于激发对流(Eltahir,1998)。土壤湿度通过调节蒸散发影响气温和降水,这一过程通过改变行星边界层内的有效水汽,并影响陆面有效能量(净短波辐射-净长波辐射-地表热通量,其中地表热通量的变化量级较小,通常可忽略)在感热通量和潜热通量之间的分配实现(Seneviratne et al.,2010)。普遍来看,地面要素与气温、降水和相对湿度距平余项的显著相关格点占比均高于环流分量。即移除对流层中层环流影响以后,气温、降水和相对湿度的余项可以较好地反映陆面过程的作用。且春季土壤湿度对夏季气温、降水和相对湿度变率的影响主要体现在余项中。

  • 3.3 气温、降水和相对湿度及其分量的空间异质性

  • 某一地区气候要素空间异质性(不均匀性)通常用格点数据标准差来表征,其数值大小表示该要素空间变化(或梯度)幅度,变率较大表示极端值出现概率高,反之,则低。为了分析夏季气温、降水和近地面相对湿度的空间异质性的年际变化,我们计算了1959—2022年逐年各变量CCA-DA前后分量的空间标准差,并将各变量64 a的数值用箱线图表示(图7)。由图7可以看出,CCA-DA后三要素距平余项的空间异质性相对于环流分量更高。气温距平的环流分量空间变率相对于总量较低,即大尺度环流引起的气温空间异质性较小,格点出现极端温度可能性较低; 而余项的空间变率相对于总量更高,空间变化梯度加大,出现极值中心概率增加。在全球模式中消除土壤湿度变率,会在不同时间尺度上使得中纬度、热带和副热带地区陆地气温变率降低10%~50%,降水变率降低0%~10%,而土壤湿度对于高温(高达50%)和强降水(高达20%)变率的作用最强(Orth and Seneviratne,2017)。这印证了土壤湿度对于中国南方夏季气候极值存在显著贡献。

  • 图5 1959—2022年春季0~7 cm土壤湿度与分别与动力调整后的环流分量(a—c)和余项(d—f)后的夏季气温(a、d)、降水(b、e)、相对湿度(c、f)之间的相关系数(打点表示通过置信度为95%的显著性检验区域)

  • Fig.5 Correlation coefficients of spring 0—7 cm soil moisture anomaly, respectively, against the dynamically adjusted components of summer (a, d) air temperature, (b, e) precipitation, and (c, f) relative humidity during 1959—2022. (a—c) corresponds to the circulation component, and (d—f) shows the residual component after CCA-DA.The dotted areas indicate that correlations are significant at the 95% confidence level

  • 4 2022年夏季中国南方地区干热少雨复合极端事件的成因

  • 进一步探讨2022年夏季干热少雨复合极端事件发生的可能原因。图7中星号标识出了2022年夏季的情形,可以看到由大尺度环流因子(500 hPa位势高度异常)主导的气温、降水和相对湿度距平空间异质性远低于各要素对应的由余项主导的部分。1959—2022年间,研究区域内气温距平的空间标准差年际中位数为0.42℃,而2022年的标准差高达0.80℃,表明2022年气温距平的空间异质性非常高,极端性强。2022年夏季降水异常的空间变率接近1959—2022年中的中位数,而余项的标准差约处于75百分位处,表明局地陆面过程在该年夏季降水异常中起主导作用,且远超多年平均水平。2022年夏季近地面相对湿度异常的空间变率及其分量的标准差均超过研究时段内的75百分位,表明大尺度环流和局地陆面过程对于相对湿度的空间异质性均有重要贡献。

  • 为了进一步分析2022年夏季研究区域气候要素的空间分布特征,图8给出了2022年夏季气温、降水和相对湿度去趋势距平的环流分量和余项的分布型,及分量与总变率的空间相关系数。气温距平的环流分量(图8a)与总量(图1a)的分布型相似,均有北高南低的特征,但环流分量的量级远小于总量,二者间空间相关系数仅有0.56; 温度余项分布与总量非常相似(空间相关系数0.82),移除环流作用后整个中国东部地区气温均偏高,且能反映总量的高值中心(图1a)。从江西到上海的高温带与1959—2022年春季土壤湿度与夏季气温余项的显著负相关区域(图5d)一致。也就是说,此区域内春季土壤偏干有利于夏季气温升高。长江下游以南地区,环流分量呈现负异常(图8a),与图1a高温异常分布不符,但该地区气温正异常在余项中有很好的体现(图8d)。也就是说,2022年夏季500 hPa环流系统异常使得长江下游至东南地区气温偏低,余项(陆面)的贡献主导了该地区气温的正异常。在长江中上游地区,气温距平两个分量均呈现出正异常,两者叠加共同引起高温异常。

  • 图6 1959—2022年中国南方地区(100°~130°E,15°~35°N)夏季气温(a)、降水(b)和相对湿度(c)的距平及其动力调整后得到的环流分量和余项与陆面热力要素之间显著相关的面积占比(单位:%; 置信度为95%)

  • Fig.6 The percentage area of significant (unit:%; at the 95% confidence level) correlation coefficient between spring soil moisture anomaly and summer land surface thermal elements anomaly and summer (a) air temperature, (b) precipitation, and (c) relative humidity, respectively, from raw datasets, the circulation and residual components in south China (15°—35°N, 100°—130°E) during 1959—2022.The circulation and residual components are obtained from the CCA-DA approach

  • 图7 1959—2022年夏季中国南方地区(100°~130°E,15°~35°N)内气温(a)、降水(b)和相对湿度(c)距平(总量)及其动力调整后的环流分量和余项空间标准差的箱线图(其中加号表示离群点,星号表示2022年的值)

  • Fig.7 Boxplot of the spatial distribution of (a) summer temperature anomaly, (b) summer precipitation anomaly, and (c) summer relative humidity anomaly derived from raw data, circulation component, and residual component over south China (15°—35°N, 100°—130°E) , during 1959—2022 obtained after CCA-DA, where the plus signs represent outliers and the stars represent 2022

  • 图8 2022年中国南方夏季气温(a、d)、降水(b、e)和相对湿度(c、f)去趋势的距平的动力调整分量(r为对应的分量与总量之间的空间相关系数,均通过置信度为95%的显著性检验):(a—c)环流分量;(d—f)余项

  • Fig.8 CCA-DA components of detrended anomalies of (a, d) summer temperature, (b, e) precipitation, and (c, f) relative humidity in south China in summer 2022, where (a—c) are the circulation components and (d—f) are the residual components.In each panel, r is the spatial correlation coefficient between each component and its raw data, respectively.All r values are significant at the 95% confidence level

  • 同时,长江下游以南地区的降水环流分量异常偏高(图8b)。2022年夏季风偏弱,6月中旬至7月中旬西北太平洋副热带高压脊线相较于常年偏南,活跃的东北冷涡限制其北移,引导冷空气频繁南下,华南前汛期降水为1961年以来历史同期第二多(中国气象局国家气候中心,2023)。前夏的环流系统的异常可以解释上述区域的降水距平环流分量正异常。此外,长江以北部分地区的降水距平环流分量的正异常可能与7月中旬以后西北太平洋副热带高压的异常偏北有关。2022年夏季大气环流的显著季节内变化造成了夏季平均环流分量与总异常之间的差异(空间相关系数为-0.08); 降水余项在长江流域存在显著亏缺,且负值中心接近于春季土壤湿度影响夏季降水的热点区域(图4b),表明2022年长江流域春季土壤湿度异常是夏季的气象干旱的成因之一。相对湿度距平余项的分布和量级均与总量相似(空间相关系数为0.76),河南湖北和华南地区的干燥现象仅由余项贡献产生,而四川盆地的干中心是大尺度环流和局地陆面过程的协同作用的结果。大尺度环流引起的气温和降水异常影响了相对湿度环流分量的分布,在河南湖北和华南地区存在正异常。即在对流层中层系统异常作用下,上述区域的气温偏低,降水偏多,使得相对湿度也偏高。

  • 图9给出了由1959—2022年夏季中国南部地区陆面热力要素的去趋势距平的分布,并标出了2022年的值。2022年春季土壤湿度、夏季蒸发、感热通量、潜热通量、净短波辐射和净长波辐射均处64年间较极端的年份,其中春季土壤湿度距平位于75百分位处,相较于往年显著偏湿。2022年春季中国南方地区春季土壤湿度较高,夏季感热和潜热通量、净长波辐射、蒸发均较高,而净短波辐射较低。研究表明,中国东部由于陆-气相互作用,偏湿的土壤会引起潜热通量增加,降水量增加,同时感热通量减小引起气温降低,边界层内扰动减弱,不利于气团的抬升凝结形成降水(杨扬等,2021)。WRF模式试验研究表明,河北到江淮地区的土壤湿度负异常会引起潜热通量异常偏低,对1999年夏季局地干旱有显著贡献(Wu and Zhang,2013)。由于土壤的记忆性,春季土壤偏湿状态会延续到初夏,造成夏季地表反照率减小,地面净短波辐射加强,蒸发和潜热通量异常偏高,增加大气中水汽,长波辐射加强,而气温偏高增加感热通量。此外,Zhang and Zuo(2011)发现春季土壤湿度异常还可以通过改变大尺度环流影响夏季气候,春季华北到长江中下游的土壤偏湿使得春末地表温度降低,从而引起海陆温差发生改变,导致东亚夏季风减弱,造成夏季长江流域降水偏多,同时华南降水偏少。由归因分析可知,2022年中国南方地区春季土壤偏湿状态会延续到初夏,不利于气团抬升形成降水,同时地表反照率减小,长波辐射加强引起气温偏高,近地面相对湿度降低。也就是说,春季土壤湿度异常显著加剧了中国南方地区2022年夏季干热少雨复合极端事件的强度。

  • 图9 1959—2022年中国南方地区(100°~130°E,15°~35°N)春季土壤湿度(0~7 cm)和夏季近地面热力要素的归一化区域平均箱线图(实心点表示2022年的值)

  • Fig.9 Normalized areal-weighted mean boxplot of spring soil moisture and summer near-surface thermal elements in south China (15°—35°N, 100°—130°E) for 1959—2022.The solid dots represent values in 2022

  • 5 结论与讨论

  • 本研究利用ERA5再分析数据,采用合成分析和环流相似-动力调整方法对1959—2022年中国南方地区春季土壤湿度与夏季气温、降水和近地面相对湿度之间的关系进行探究。尤其,针对2022年夏季中国南方地区出现干热少雨复合事件的成因进行了深入分析。得到以下主要结论:春季长江流域及黄淮地区土壤湿度偏低时,夏季降水和相对湿度偏低。若同时出现东南地区偏湿的分布特征,则南方地区夏季容易发生干旱燥热复合极端事件。移除对流层中层大尺度环流(500 hPa位势高度场)作用以后发现,陆面过程引起的余项主导了夏季江南地区气温、降水和相对湿度的变率,这一过程主要是通过春季土壤湿度调节局地蒸散和净辐射能量的分配实现的。2022年夏季中国南方地区气温、降水和相对湿度的变率均远超1959—2022年平均状态,出现高温、少雨和干燥三种极端事件叠加的特征。同时春季土壤湿度与夏季气候耦合的区域与2022年气候三要素变率高值区基本吻合。2022年春季中国南方地区土壤湿度相较于往年显著偏湿,引起夏季陆面热力要素均处1959—2022年间的极端水平,使得夏季气温偏高、降水偏少、相对湿度严重偏低。

  • 通过本研究,表明中国南方区域春季土壤湿度对夏季极端气候事件发生具有重要的指示作用。如果说大尺度环流是陆地气候变化的驱动因子,那么陆面要素异常则是极端气候发生的加速器。春季土壤湿度异常,由于其记忆,可以持续到夏季,通过影响夏季陆-气热力学要素,如近地面辐射、湍流通量及边界层对流,对夏季降水、温度及相对湿度产生影响,该影响与环流异常影响叠加在一起,进一步加剧了极端事件的发生。本研究对于极端气候预测,如干热少雨复合事件重要参考价值。另外,本研究是针对中国南方区域极端气候事件开展的研究,研究方法可用于其他的研究。需要指出的是,在全球变暖背景下,极端高温、降水和相对湿度之间本身并不是完全独立的,三要素之间存在非线性影响。例如,研究表明,大气中可降水量是高温条件下极端降水的决定因素,当地表温度达到26℃以上时,大气最大相对湿度和可降水量显著下降,进而会限制日尺度极端降水发生(Rhys et al.,2010)。同时,气温升高会加剧全球范围内小时内至日尺度极端降水的发生(Utsumi et al.,2011)。关于三要素相互作用更详细地讨论需要在未来的工作中借助数值模式进一步展开。

  • 此外,本研究主要从水汽来源的角度区分了大尺度大气输送和局地蒸散的贡献,尚未考虑土壤湿度通过调节环流对间接影响降水的情形(Conil et al.,2007; Zeng and Yuan,2021)。前人研究揭示了,土壤湿度异常并没有直接改变大气环流模式,而是调节了空气的某种属性(例如相对或绝对湿度),而这些属性反过来又受到大尺度环流的平流作用向下游输送(Liu et al.,2017; Yang and Wang,2019)。由此可知,土壤湿度异常不会直接影响大尺度环流本身,基于上述结论可以认为在本研究中使用基于相似环流的动力调整方法来区分环流和局地土壤湿度的贡献是合理的。在下一步研究中,我们将考虑借助数值模式做敏感性试验来分析陆面过程对降水的间接影响。

  • 致谢:感谢ECMWF提供了ERA5再分析资料的在线下载服务,数据下载链接为https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/home。

  • 参考文献

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