中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响*

张人禾，刘栗，左志燕

中国气象科学研究院，北京 100081

中国土壤湿度的变异及其对中国气候的影响*

张人禾†，刘栗，左志燕

中国气象科学研究院，北京 100081

土壤湿度是气候系统中的重要参量，对地球系统中水分、能量以及地球生物化学循环都有重要影响。本文综述了关于土壤湿度对大气的影响，以及中国区域土壤湿度及其对中国气候影响的研究进展，分析了土壤湿度通过影响地表能量和水分平衡，进而影响大气的变化。现有研究表明：在中国东部春季，土壤湿度的气候分布表现为东北、长江中下游为高值区，华北较干，河套地区的土壤湿度最低；中国东部中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域，并与东北区域呈反相变化；土壤湿度整体上呈现变干的趋势，深层土壤变干较浅层土壤显著，且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著。中国东部从长江流域到华北的春季土壤湿度偏高时，通过改变春末地表能量平衡可以导致东亚夏季风减弱，造成夏季华南和华北降水减小，长江中下游和东北降水增多。中国北方季风边缘区的土壤湿度对局地降水有显著影响，而土壤湿度对局地温度有显著影响的区域主要位于中国北方。

土壤湿度； 中国气候； 地表水分平衡； 地表能量平衡

海洋和陆地对气候具有“记忆”作用，陆地一直以来都认为是重要性仅次于海洋的气候驱动因子[1]。土壤湿度作为陆面过程的重要参量，参与并影响着气候系统中很多重要过程[2-4]，如陆表储存的水不仅与气候系统中的能量循环以及水循环密切相关，还影响着陆表与大气间二氧化碳以及微量气体的交换[5]。

大气可以显著影响土壤湿度，而土壤湿度也可以通过改变地表反照率、土壤热容量、植被生长状况以及蒸发蒸腾来影响地表能量、水分的分配，从而影响大气的变化[6]。通过影响净辐射能以及陆-气之间感热通量和潜热通量，土壤湿度对大气温度、湿度、边界层稳定性以及大气环流和降水等气象要素都会产生重要影响。这里将从土壤湿度影响大气的途径、中国土壤湿度的变异特征以及土壤湿度对中国气候的影响三个方面，来总结相关的研究进展，说明中国气候变异与土壤湿度之间的联系。

1 土壤湿度影响大气的途径

土壤湿度通常定义为单位体积土壤中所含水分的体积，用以下公式表示：θ=Vwater/Vsoil，其中Vwater为土壤中所含水分的体积，Vsoil为干土壤的体积。土壤湿度与大气之间的联系主要表现为土壤状态与陆表通量的联系，以及陆表通量与大气状态的联系[7-9]。

土壤湿度可以通过局地和非局地两种途径影响大气。就局地影响而言，一方面土壤湿度的增加使得蒸散(包括植被蒸腾和地表蒸发)增加，导致大气中水汽增多，从而有利于局地降水增加；另一方面增加的蒸散吸收热量，也可以导致地表温度降低，减小大气的不稳定性，造成局地降水减少。因此，土壤湿度对局地降水可以存在相反的影响。土壤湿度除了对大气产生局地影响外，也可以产生非局地影响。例如：土壤湿度变异造成的季风区域地表温度改变，会导致海陆温差的变化，从而对大尺度季风环流和降水产生影响[14]。

土壤干湿状态与陆表通量的联系可以用土壤湿度和蒸散的相关来表征，土壤湿度无论是影响温度还是降水，蒸散在其中都起到了重要作用[5,10]。就全球平均而言，降水中有60%来自于蒸散回馈[11]，蒸散消耗了一半以上陆面吸收的太阳能[12]。因此，蒸散不仅在陆面水循环中扮演了重要角色，还对全球能量平衡起着重要作用。在认识土壤湿度对大气的影响过程中，研究土壤湿度与蒸散的关系是重要的一环。Koster等[13]总结了3种土壤湿度与蒸发的关系：当土壤湿度低于枯萎点(wilting point)时，蒸发为0；当土壤湿度很高，超过某一个阈值时，蒸发与土壤湿度无关；当土壤湿度处于枯萎点和该阈值之间时，蒸发随着土壤湿度的增加而增加。Dirmeyer[7]则指出土壤湿度与蒸散的关系会随着时间和空间的变化而变化。例如：在中国区域，土壤湿度与蒸散在中国的北方地区呈显著的正相关，这与Koster等[51]给出的土壤湿度与降水的“热点”耦合区相符，说明该区域蒸散在土壤湿度与降水关系中的重要性；同时，Dirmeyer[7]的研究表明土壤湿度与蒸散在中国华南地区呈显著负相关，说明此地区的土壤湿度受地表通量的驱动，即土壤湿度对大气的反馈作用很弱。

土壤湿度与降水关系的复杂性不仅在于土壤湿度与蒸散关系的复杂性，还在于蒸散与降水的关系也是很难确定的一环[5]。因此，尽管过去很多研究对土壤湿度和降水的耦合进行了探究，但对土壤湿度和降水关系的确定仍然存在较多问题。比如在数值模式中，目前大多数模式都是把土壤湿度-蒸散和土壤湿度-降水两种关系分开处理，即土壤湿度一方面与蒸散为正相关，另一方面与降水也呈正相关，并且大多数模式不能描述土壤湿度对降水的负反馈作用[52-54]。因此，土壤湿度与降水间的关系(尤其是负相关关系)及其反馈机制是土壤气候学中一个重要问题。

2 中国土壤湿度对气候的影响和变异特征

许多研究利用有限的观测资料对中国土壤湿度的时空特征进行了分析。马柱国等[15]指出在中纬度区域，土壤湿度存在3～4年的周期变化。林朝晖等[16]通过分析土壤湿度的垂直廓线，指出60 cm可作为土壤含水量变化的转折点，在60 cm以上土壤水分受蒸发影响比较显著，而在此之下的土壤保持在较湿的状态，且深层各层土壤含水量相对较为接近。郭维栋等[17]指出北方的土壤在20世纪60年代到70年代末呈现出显著湿期，90年代以后为显著干期。孙丞虎等[18]发现春季表层到中层土壤湿度的大值中心位于淮河流域，这种模态在春季比其他季节更加显著。

土壤湿度观测资料的匮乏严重限制了土壤气候学的发展，很多科学家利用再分析资料替代观测资料进行土壤湿度的相关研究。Liu等[19]分别利用观测资料和再分析资料对比分析了中国东部土壤湿度的气候特征。如图1(a)所示，春季的土壤湿度在东北北部、长江中下游为高值区(超过了0.2)，华北较干，河套地区的土壤湿度则低于0.1。ERAInterim再分析资料(图1(b))呈现了土壤湿度从西北往东南递增的趋势，但对观测资料中河套地区的干中心描述不好。左志燕和张人禾[20]利用ERA-40资料研究了100°E以东中国春季土壤湿度的EOF第一模态空间分布，观测资料(图1(c))和ERA-40(图1(d))资料都表明中国东部中纬度地区是土壤湿度变异最大的区域，且与东北区域呈反位相变化。

为了说明土壤湿度再分析资料在中国区域的适用性，Liu等[19]对比分析了春季观测资料与多种再分析资料(包括MERRA、ERA、JRA、CFSR、NCEP等)在中国东部区域的差异。图2为春季中国东部中纬度地区(108°E以东，30°N～40°N)再分析资料与观测资料中土壤湿度、降水及蒸发的均方根误差(RMSE)。可看出ERA土壤湿度在量值上最接近观测值，而CFSR、NCEP、JRA资料中的量值则依次次之，MERRA土壤湿度量值与观测相差最大。在降水方面，除NCEP外，其余4套再分析资料中降水的RMSE值都很接近，说明其降水量与观测值的差异都较小。在蒸发方面，ERA资料的优势比较明显，其他再分析资料的RMSE值是ERA的20倍左右。图2表明ERA土壤湿度与观测最相近的原因主要是其蒸发与观测值的差异最小。

图1 (a)(b)为春季平均土壤湿度的空间分布；(c)(d)为春季土壤湿度EOF第一模态(单位：m3·m-3)((a)(c)为观测资料，(b)(d)为ERA-interim再分析资料，时间：1993—2008年)[19]

图2 再分析资料与观测资料在东部中纬度区域关于土壤湿度(单位：10-1m3·m-3)、降水(单位：mm/d)、蒸发(单位：10-2m·kg·s-1·kg-1)的均方根误差(RMSE)

左志燕[21]分析了中国东部土壤湿度的长期变化趋势，图3给出了春季中国东部南方区(100°E～110°E，30°N以南)、中部区(105°E～120°E，30°N～40°N)和东北区(115°E以东，40°N以北)的土壤湿度随时间的变化。由图3(a)可见，南方四层土壤湿度的年际变化特征基本一样，从1976年以后存在一个较明显的变干趋势，表明20世纪80年代以前南方地区土壤偏湿，之后土壤偏干。该结果与马柱国[22]利用土壤湿度观测资料分析的结果一样。中部地区(图3(b))整体变化趋势基本一致。与南方土壤湿度不同的是，中部地区的土壤湿度并没有一个明显的变化趋势。东北地区(图3(c))浅层和深层土壤从20世纪80年代以后都普遍偏干，但深层和浅层土壤湿度年际变化特征差异性较大。利用 M-K 方法对各区土壤干化趋势显著性的检验结果表明：南方的土壤从深层到浅层都有一个明显的变干趋势，且1980年以后的变干趋势显著；在中部地区，浅层变化趋势不显著，但深层土壤1988年以后有显著的变干趋势；东北土壤呈现出浅层变化不明显，深层变干的趋势，尤其是在1978—1996年时间段，深层的土壤显著变干。总之，就整个东部地区而言，深层土壤比浅层土壤变干趋势明显，且东北和南方较中部地区变干趋势显著。

图3 (a)(b)(c)分别为中国东部南方、中部、东北标准化土壤湿度的时间变化序列[21]

3 土壤湿度对中国气候的影响

土壤湿度对气候的影响来自于其本身的“记忆性”。一般来说，土壤湿度异常可以持续数周甚至数月的时间，并对短期气候预测有重要指示作用[23-29]。以下将从降水和温度两个方面说明土壤湿度在中国气候变异中的作用。

3.1 土壤湿度对降水的影响

土壤湿度与降水的关系很早就得到了科学家的关注，这方面的研究最早可以回溯到20世纪上半叶[30]。20世纪下半叶，科学家们开始尝试利用数值模式进行敏感性试验，探究土壤湿度在区域和全球气候中的作用[31-33]，研究重点集中在水汽循环方面(如蒸发对局地降水的贡献[34-35])，同时利用气候模式来追踪水汽的方法也逐渐完善[36-41]。近些年来，关于土壤湿度与降水关系的研究更侧重间接的影响，如关注土壤湿度对边界层稳定性以及降水形成的影响，而不仅仅是土壤湿度的改变直接带来的水汽变化[42-46]。

20世纪90年代以后，中国科学家对中国区域土壤湿度与降水的关系进行了研究。马柱国等[15]指出中国东部各厚度层的土壤湿度与降水呈正相关关系。张秀芝等[47]发现湿期与干期的土壤湿度差与降水差有很好的对应关系。Yeh等[33]利用数值模拟指出了土壤湿度在短期气候变化中的作用。郭维栋等[48]通过将一个土壤湿度反演模型引入IAP跨季度气候预测系统，发现前期土壤湿度异常对后期降水有显著影响。Wu和Zhang[49]指出，土壤湿度反馈对中国北部的干旱和洪涝起重要作用，而对中国南方的降水异常影响较小。Li等[50]在数值模式中加入土壤湿度的年际变化后，模式对东亚中高纬地区夏季降水有更好的模拟能力。

除了土壤湿度与降水的局地关系外，近些年来土壤湿度对降水的非局地作用也得到了很大关注。一些研究表明土壤湿度可以通过改变地表能量平衡来影响大气环流，从而进一步影响降水[55-58]。张人禾和左志燕[56]通过资料诊断，发现当春季从长江中下游到华北的土壤湿度偏湿时，夏季东北和长江流域降水偏多，华北和南方降水偏少(图4)，此结论在数值模拟中也得到了验证[59]。张人禾和左志燕[56]给出了这种土壤湿度非局地影响的物理过程：春季从长江中下游到华北区域的土壤湿度偏高，引起的局地能量平衡改变，导致该区域春末(5月)表面温度降低，从而使东亚夏季风减弱。与弱东亚夏季风相对应，华南和华北降水减少，长江中下游降水增加。同时，东北上空出现异常气旋，使此处降水增加。

图4 春季土壤湿度(左)与夏季降水(右)的SVD第一模态空间分布[56](阴影区为超过0.1显著性水平的区域)

3.2 土壤湿度对温度的影响

土壤湿度与温度的关系近些年才被引进气候模式中[60-63]。土壤湿度导致的温度变化能显著影响近地面气候，并且与极端高温和热浪事件密切相关[63-71]。中国东部土壤湿度对温度变化有重要影响[61]。Seneviratne等[72]指出：中国北方地区为强的土壤湿度-温度耦合区，即温度随着土壤湿度的增加而减小；在中国的南方地区则不存在土壤湿度-温度的反馈，此地区的土壤湿度受温度的影响，即土壤湿度随着温度的升高而增加。马柱国等[15]指出中国东部各层土壤湿度与气温呈负相关关系。游性恬[73]通过数值模拟发现，当春季亚洲中纬带地面偏湿时，其后2～4个月中高纬带对流层内温度降低。李巧萍等[74]发现春季长江中下游的土壤湿度正异常可以导致区域内地表气温降低。Zhang等[75]利用WRF模式模拟了土壤湿度对温度的影响，结果表明中国东北到华中地区是土壤湿度-温度耦合强度较高的地方。

土壤湿度影响地表温度的能力可以分解为土壤湿度影响蒸发的能力以及蒸发影响地表温度的能力。Wu和Zhang[10]通过对比土壤湿度-蒸发以及蒸发-温度的关系图，指出中国北方地区为土壤湿度-温度的显著负相关区，这也与Seneviratne等[72]的结论一致。

4 总结和讨论

本文综述了土壤湿度及其对大气的影响，进一步分析了中国土壤湿度变异及其对中国气候的影响。一般来说，土壤湿度异常可以持续数周甚至数月的时间，这种特性使土壤湿度能“记忆”大气的异常并不断反馈大气，土壤湿度对气候的影响来自于其本身的“记忆性”，是与海温同样重要的气候“记忆因子”。

由于土壤湿度资料的匮乏，很多研究利用再分析资料替代观测资料来进行土壤湿度的相关研究。研究表明：ERA土壤湿度再分析资料与观测最接近，是较合适的一套替代资料。利用ERA和观测土壤湿度的研究表明：在气候平均情况下中国东部春季土壤湿度在东北、长江中下游为高值区，华北较干，河套地区的土壤湿度最低；中国东部的中纬度地区是土壤湿度年际变异最大的区域，且与东北呈反位相变化。长期趋势的研究表明：中国东部春季土壤湿度整体上呈现变干的趋势，深层土壤变干较浅层土壤显著，且东北和南方地区比中纬度地区的变干趋势显著。

土壤湿度通过局地和非局地两种过程对中国气候产生影响。就局地影响而言，中国季风边缘区是土壤湿度对降水有显著影响的区域，土壤湿度大时对应着降水增多。对于非局地影响，当春季中国东部中纬度地区的土壤湿度偏高时，夏季华南和华北的降水减小，长江中下游和东北的降水变多。对土壤湿度与温度关系的分析表明：在中国的北方地区土壤湿度对温度有显著反馈作用，而南方地区主要是大气对土壤湿度的强迫作用。

在土壤湿度对中国气候的影响方面，还存在许多问题有待于深入研究。虽然许多研究都说明了土壤湿度对中国气候有重要影响，但现有研究表明中国气候还受许多其他外强迫因素的影响，如欧亚大陆积雪、北极海冰、海温，以及与人类活动有关的温室气体和气溶胶等[76-78]。相对于这些外强迫因素而言，目前还不清楚土壤湿度在多大程度上影响了中国气候。考虑到土壤湿度的“记忆性”，现有的研究更多地集中在春季土壤湿度及其对后期夏季中国气候的影响，土壤湿度对其他季节气候的影响也有待于今后开展进一步的研究。另外，土壤湿度会影响气候，而气候反过来也会影响土壤湿度，两者之间存在着相互作用。深入开展土壤湿度与气候之间相互作用的研究，是认识气候变异机理方面迫切需要解决的一个关键问题。

(2016年6月12日收稿)■

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(编辑：温文)

Variations of soil moisture over China and their influences on Chinese climate

ZHANG Renhe, LIU Li, ZUO Zhiyan
Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081, China

Soil moisture is one of the key factors in climate system, which significantly affects the cycles of water, energy and geobiochemistry in earth system. This paper gives a review on the atmospheric infuences of soil moisture as well as the variations of soil moisture over China and their impacts on Chinese climate, so as to illustrate the soil moisture's infuences on atmosphere through altering the surface energy and water balances. In eastern China, the climatological distribution of spring soil moisture exhibits high values in northeastern China and middle-lower reaches of Yangtze River valley, and low values in northern China with the lowest in He Tao region. The largest interannual variation of spring soil moisture is found over the middle latitudes in eastern China, which is out of phase with that over northeastern China. The soil in eastern China shows drying trend, with deeper layers drying more signifcantly than upper layers and northeastern and southern China than middle latitudes. A wetter than normal spring soil moisture over the region ranging from Yangtze River valley to northern China can weaken the East Asian summer monsoon through altering the surface energy balance in late spring, resulting in less summer rainfall over southern and northern China, more over middle-lower reaches of Yangtze River valley and northeastern China. The local rainfall in monsoon marginal zone over northern China and the air temperature in northern China are infuenced signifcantly by the local soil moisture.

soil moisture, climate over China, surface water balance, surface energy balance

10.3969/j.issn.0253-9608.2016.05.001

*国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2015CB453203)和国家自然科学基金(41205059、41375092)资助

†通信作者，中国科学院院士，研究方向：热带大尺度海气相互作用、亚洲季风的变异、ENSO与亚洲季风的相互作用等。E-mail: renhe@camscma.cn