东亚季风区土壤湿度对大气降水的反馈作用研究

The soil moisture feedback on precipitation is one key question to understand the terrestrial water cycle in the East Asian Monsoon region region. However, our understanding of this feedback remains limited because of the lack of large-scale soil moisture observations. This project is to investigate this feedback using both approaches of mathmatical diagnostics and numerical modelling. This includes three aspects: 1) using remotely sensed soil moisture from multiple satellites, this project will develop and optimize a complete daily soil moisture database over the East Asian Monsoon region for recent 30 years (1981-2010); 2) new mathmatical techniques will be developped for determining the soil moisture feedback on precipitation in the time-frequency domain, using the above-derived soil moisture database; 3) this soil moisture data will also be put into a numerical climate model RegCM4 to perform sensitivity experiments, so as to understand the inflences of soil moisture on subsequent precipitation particularly on the intensity and frequencies of the extreme events.

陆面土壤湿度对大气降水的反馈机制，是理解东亚季风区海-陆-气三相水循环系统的关键科学问题之一。但是，由于缺乏大尺度土壤湿度观测资料，我们对其尚缺乏系统深入的研究。本项目拟利用卫星遥感土壤湿度资料，综合运用数学分析和数值模拟两种手段，研究东亚季风区土壤湿度对大气降水的反馈作用。具体包括三个方面：（1）优化现有全球多源卫星遥感观测的土壤湿度数据，建立东亚季风区最近30年（1981-2010）的日分辨率土壤湿度数据库；（2）利用该数据库和最新的数学方法，诊断土壤湿度对大气降水的统计反馈关系；（3）以该土壤湿度数据驱动数值气候模式RegCM4，进行大气降水对土壤湿度的敏感性试验，阐明土壤湿度变化对极端大气降水的强度和频率的影响及其反馈机制。

陆面与大气之间的相互作用是当前国际研究热点。国内外大量研究表明，陆面反馈机制是降水、高温、干旱等极端气候事件的一种重要机制。但是，高质量大尺度陆面土壤湿度资料缺乏，在一定程度上限制了相关研究的深入开展。本项研究重点开展了以下几个方面的研究，取得了有价值的研究成果。1）基于长序列多源卫星资料，与再分析资料和站点观测资料进行对比分析，并进行优化处理，建立了覆盖全国的最近30年卫星遥感土壤湿度数据库。分别选取我国青藏高原地区、东北地区、长江流域、新疆塔里木河流域为典型研究区，与土壤湿度站点观测资料和多套再分析资料（GLDAS\ERA-Interim\NCEP等）进行了对比验证。2）基于中国气象局风云三号气象卫星微波亮温资料，采用地表能量辐射传输模型，研发了覆盖全国的逐日土壤湿度数据库，与我国东北地区、长江中下游地区和青藏高原地区观测资料和再分析资料进行对比分析；并通过多波段融合方法，将土壤湿度数据提高到15km分辨率，并且将我国东部地区的数据误差大幅度降低。3）基于数值天气模式WRF，采用集合卡尔曼滤波方法，把卫星遥感土壤湿度同化到WRF数值模式中，搭建数据同化与模拟平台，设计敏感性试验模拟了我国东部地区土壤湿度对大气降水的反馈作用并揭示其机制。分析了潜在蒸散发变化对干旱的影响，发现潜在蒸散发对干旱的影响与降水缺乏同等重要；并且，研究了不同PET估算方法的干旱评估不确定性的影响。4）基于微波遥感技术反演地表植被含水量，并进一步开展地表生物量的变化研究，发现最近20年来气候变化和植树造林导致我国西南地区植被快速增长，植被固碳能力显著加强，对于减缓气候变化起积极作用。本项目共发表SCI论文26篇，包括Nature Climate Change论文一篇；发表中文核心期刊论文6篇。