中国部分区域夏季土壤湿度-降水耦合的研究

The soil moisture-precipitation (SM-P) coupling is one of important issues in the air-land interaction. The impact of precipitation on soil moisture is very direct but that of soil moisture on precipitation is very complicate and related to a series of physical processes; for example, soil moisture firstly controls the partitioning of surface available energy into the sensible and latent heat fluxes, then influences the profiles of air temperature and humidity in the atmospheric boundary layer, changes the height of ABL, moist static energy, height of the lifting condensation level, and formation and growth of clouds etc., and finally affects the evolution of precipitating systems. In order to quantitatively investigate the characteristics of summer SM-P coupling over the semi-arid and semi-humid climatic regions in China, the following 3 topics of studies are carried out: firstly, based on both the observational data and reanalysis data, the SM-P coupling in China was analyzed and assessed; secondly, the sensitive parameters are corrected in the Weather Research and Forecast (WRF) model and meanwhile the different observations are assimilated into WRF model to reduce, respectively, the model errors and the errors in the initial model states over semi-arid and semi-humid climatic regions, resulting in an improvement of the simulated SM-P coupling in WRF; finally, a series of simulations are carried out in order to diagnose the strengths of SM-P coupling over the semi-arid and semi-humid climatic regions by using the WRF model with the corrected parameters and input of initial conditions from data assimilation, and furthermore the key physical processes governing the local coupling are quantitatively analyzed by using the thermodynamic properties of mixing diagrams, such as surface evapotranspiration, entrainment fluxes and advection, etc. In summary, after finishing all studies in our proposal we can have a clear picture of the SM-P coupling strengths in China and gain a more deep understanding of the coupling nature over the semi-arid and semi-humid climatic regions, and hope that the results obtained may be helpful in improving the prediction of rainfall.

土壤湿度-降水耦合是陆-气相互作用重要内容之一，其中降水对土壤湿度的影响较直接，但土壤湿度对降水的影响非常复杂，需通过一系列中间过程才可能实现，如土壤湿度首先影响地表有效能量在感热和潜热间分配比例，然后向上传输影响边界层内温度和湿度，进而改变边界层高度、湿静力能、抬升凝结高度、云的形成和发展等，最后才能影响降水。为了定量探究中国部分半干旱区和半湿润区夏季土壤湿度-降水耦合的本质特征，项目拟开展3方面研究工作：首先，利用观测资料和再分析资料分析和评估中国境内土壤湿度-降水耦合的一般特征；其次，订正WRF中尺度模式的敏感参数以减小模式误差，同化不同来源观测以降低初始场误差，通过这两方面工作来改善半干旱区和半湿润区土壤湿度-降水耦合的模拟效果；最后，利用校正后的参数及同化得出的初始场进行模拟试验来间接诊断土壤湿度-降水耦合强度，并借助能量混合图定量分析一些关键物理过程对局地耦合的相对贡献，如地表蒸散、层顶夹卷和平流等。总之，希望通过上述研究得出中国境内土壤湿度-降水耦合强度的空间分布，较深刻认识中国部分半干旱区和半湿润区夏季耦合的本质特征，研究结果能为改进降水预报提供参考。

土壤湿度-降水耦合是陆-气相互作用中心问题之一。降水对土壤湿度影响比较直接，但土壤湿度对降水影响需要经历多个中间环节同时受制于天气状况，影响因素复杂、争议较多、结果充满不确定性，最近十几年一直是陆-气耦合研究难点问题之一。此外，中国境内相关研究尤其是耦合机制的研究则更少。基于此，本项目首先借助于已有观测资料和再分析资料统计分析不同时空尺度中国境内土壤湿度-降水耦合特征；其次，在资料同化时通过订正模式误差以及采用不同方案构建初始样本等手段，生成高时空分辨率的模拟资料，用于土壤湿度对降水影响的模拟研究及耦合机理的探究；最后，通过一系列对流性降水个例的模拟和敏感试验，对影响局地耦合的关键物理量进行定量估算，以此对耦合机理进行深入探究。重要结果如下：①采用不同耦合指标和数据得出强耦合的时空分布并不完全重合；统计分析发现，中国夏季土壤湿度-降水(抬升凝结高度)强耦合区位于内蒙古阴山附近以及新疆和青海部分地区；基于中尺度模式WRF和GLACE方案模拟得出，土壤湿度对6 h降水影响最大，随时间延长其影响渐小，但内蒙古中南部始终为中国夏季不同时间尺度土壤湿度-降水强耦合区；针对午后对流性降水，在蒙古高原和印度西北部土壤湿度增加会增大午后对流性降水发生概率但对降水量影响很小。②不论偏差是静态的还是动态的，同化时进行偏差订正可以改善土壤湿度分析精度，其中偏差静态时同化效果最好，快变动态偏差时最差；扰动模式敏感参量和土壤温湿变量以及采用不同边界层参数化方案构建样本集合可以改进降水预报，也为下一步耦合机理研究提供高质量模拟数据。③针对一系列对流降水的敏感性试验和能量混合图分析后发现，地表水热通量、层顶夹卷和平流是影响土壤湿度-降水耦合的关键物理过程，它们三者相互作用并影响边界层演化，但三者只有在合适水热输送比例时才能触发降水。上述系列研究对准确认识中国境内土壤湿度-降水耦合特征及其内在机理具有很好参考价值。