針對凍融過程引起的土壤濕度異常與北半球夏季降水的關系,基于1981-2010年ERA5的月降水和土壤濕度資料,采用奇異值分解（SVD）方法,分析了北半球季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度和北半球夏季降水的年際變化特征以及它們之間的相關關系。結果表明:北半球季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度年際變化的大值區(qū)與北半球夏季降水年際變化的顯著區(qū)之間存在較好的對應關系;季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度與夏季降水之間存在著指數(shù)函數(shù)變化關系,在北美西部、西亞以及東亞的大部分地區(qū),春季土壤濕度與夏季降水呈顯著的正相關,表明季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度的增加會引起該地區(qū)夏季降水的增加。 

【文章來源】：冰川凍土. 2020,42(01)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：9 頁

【部分圖文】：

季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度和夏季降水的散點圖及擬合方程（圖內公式中p為降水，θ為土壤濕度）

為進一步分析春季土壤濕度和夏季降水的相關關系，本文使用SVD計算了季節(jié)性凍融區(qū)春季土壤濕度和夏季降水之間的相關模態(tài)。圖4是1981-2010年北半球春季土壤濕度（0～100cm）和夏季降水之間SVD三個模態(tài)特征向量的異類相關分布。前三個模態(tài)均通過了置信水平為90%的Monte-Carlo檢驗，表明這三個模態(tài)反映的兩個場之間的關系是顯著的，且是相互獨立的。從圖4可以看出，春季土壤濕度對應的第一模態(tài)解釋了協(xié)方差平方和的23.04%。左場（春季土壤濕度變化）大部分為負值，大值中心在北美東、西、南部、歐洲和西亞以及中國東南部地區(qū)，僅在北美中部和歐亞大陸北部區(qū)域為正值，而右場（夏季降水變化）在北美西部、西亞以及中國北部地區(qū)有負值中心，在歐亞大陸北部和北美中部有正值中心。SVD第一模態(tài)表明，當北半球中、低緯春季土壤濕度減�。ㄔ龃螅鞑麃喐呔暥鹊貐^(qū)土壤濕度增大（減�。⿻r，對應的夏季降水變化在中、低緯地區(qū)也是減少（增加），降水在西伯利亞地區(qū)增加（減少），這也說明了春季土壤濕度與夏季降水在局地的正反饋作用。SVD第二模態(tài)解釋了協(xié)方差平方和的8.00%。左場（春季土壤濕度變化）在北美、北非以東至中國東部基本為正值，歐亞大陸北部基本為負值，相應的右場在北美、西亞以及中國東部基本為正值，而在歐亞大陸的高緯度地區(qū)為負值，即當北美、西亞以及中國東部地區(qū)的土壤濕度增大（減�。�，而歐亞大陸高緯度地區(qū)的土壤濕度減小（增大）時，會引起北半球夏季降水在季節(jié)性凍融區(qū)（北美、東歐至東亞一帶）增加，而在熱帶赤道地區(qū)及高緯度地區(qū)的降水減少。春季土壤濕度對應的第三模態(tài)解釋了協(xié)方差平方和的6.72%。左場（春季土壤濕度變化）在北美東部地區(qū)為正值，在而北非、歐洲西北部及東北亞地區(qū)為負值，右場（夏季降水變化）在北半球大部分地區(qū)為負值，僅在歐洲中北部地區(qū)為正值，這說明當北美地區(qū)土壤濕度增大（減�。�，而歐亞及北非大部分地區(qū)土壤濕度減小（增大）時，會引起北半球大部分地區(qū)夏季降水的減少。與前兩個模態(tài)不同，第三模態(tài)中春季土壤濕度和夏季降水之間并未表現(xiàn)出明顯的局地對應關系，這可能是由于土壤濕度異常造成的大氣環(huán)流異常對非局地降水產生影響。

一般將年平均溫度0℃（2m氣溫）的等值線位置定義為多年凍土區(qū)的界限，1月的0℃（2m氣溫）等值線定義為季節(jié)凍土區(qū)的界限[43]。因此，本文將年平均溫度0℃（2m氣溫）線和1月0℃（2m氣溫）線之間的區(qū)域定義為季節(jié)性凍融區(qū)（圖1），可以算出，北半球季節(jié)凍土區(qū)約占北半球陸地面積的25%，與Zhang等[44]的結果一致。由于凍融過程對土壤濕度的變化有顯著影響，因此，本文將重點關注季節(jié)性凍融區(qū)的土壤濕度變化特征，及其對北半球夏季降水的影響。為了分析北半球土壤濕度和夏季降水的變化，圖2給出了北半球春季土壤和夏季陸地降水標準差的空間分布。土壤濕度是表征土壤凍融過程中的重要參量之一。土壤凍結時，土壤水分以固態(tài)形式存在，蒸散發(fā)弱，陸氣之間的相互作用也較弱；隨著氣溫的升高，春季土壤融化時，土壤水分會轉變?yōu)橐簯B(tài)形式，地表感潛熱發(fā)生變化，引起陸氣之間的相互作用發(fā)生變化。北半球的春季降水較少，季節(jié)性凍融區(qū)的土壤液態(tài)水主要由土壤融化貢獻。圖2(a）給出了北半球春季土壤濕度標準差的空間分布�？梢钥闯觯寥罎穸鹊哪觌H變化存在較大的空間差異，這與土壤本身的物理屬性（如孔隙度、水熱性質）和不同氣候特征有關[45-48]。土壤濕度標準差的大值區(qū)主要位于北美中部、歐洲東部和西亞、中國東北以及青藏高原，而這些地區(qū)剛好位于季節(jié)性凍融區(qū)內，這說明土壤濕度明顯的年際變化與土壤凍融過程密切相關。在低緯度夏季降水變化的大值區(qū)[圖2(b）]，土壤濕度的年際變化并不明顯，這主要是由于該地區(qū)夏季降水較多，土壤濕度一般可維持在較高的水平，波動性較小。在高緯度地區(qū)，土壤濕度的變化也較為明顯，尤其在西伯利亞北部，這些地區(qū)為多年凍土區(qū)，土壤濕度的變化也可能與凍土消融過程有關。

【參考文獻】：
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