土壤湿度-降水反馈机制 理论和观测外文翻译资料

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土壤湿度-降水反馈机制

理论和观测

摘要.本文提出了一个关于土壤湿度条件在陆气相互作用中的基本作用的假说。我们认为，任何大区域的湿土壤条件都应该与相对较大的边界层湿静能相关联，这有利于降雨量的增加。由于土壤湿度条件本身反映了过去一段时间降雨的出现，因此我们提出的假说意味着土壤湿度与降水之间存在正反馈机制。这种机制基于对陆地-大气边界层能量平衡的考虑，与过去提出的基于水平衡与降水再循环概念的类似机制形成对比。土壤湿度对地表反射率和波文比的控制作用是我们所提出的土壤湿度-降水反馈机制的基础。上部土壤层的水分含量影响着地表的这两个重要性质，使得这两个变量随着上层土壤层含水量的增加而减少。土壤湿度对地表反射率的直接影响意味着湿土壤条件增强了太阳净辐射。土壤水分对波文比的直接作用决定了湿土壤条件会通过降低地表温度，降低地表向上辐射的同时增加大气水分含量以及地面辐射的向下分量进而增强地表的净地面辐射。因此，在湿土壤条件下，净辐射的两个分量都被加强，导致了从地表到边界层更大的热通量总量。该总量表示相应的显热和潜热通量的总和。同时，地表温度的降低应该与较小的显热通量和较小的边界层深度相关联。每当这些过程在一个足够大的区域里发生时，受到加强的从地表到较小的边界层大气储层的热通量会造成单位质量边界层大气相对大的湿静能。通过之前的一些研究，局部对流风暴以及大尺度大气环流动力学问题已经被证明对边界层湿静能的分布十分敏感。这些理论概念已经经过了堪萨斯州的实地观察测试，并在相关论文中被学者使用简单的数值模型进行了进一步的研讨。

1.介绍

土壤水分在陆气相互作用中起着重要作用。土壤水分状况，例如通过相对于土壤田间持水量的上层土壤饱和度来进行描述，是受降雨和潜在蒸发调节的。这两种大气强迫都对土壤水分状态的演变产生了重要的控制作用，并在土壤水分方程中明确出现。另一方面，土壤饱和度决定了水的可用性以及土壤的水力特性，因此土壤饱和度对渗滤速率和随后的蒸发速率有显著的控制作用。然而，土壤湿度条件在决定未来降雨的发生中的作用尚不清楚。解释清楚这一作用需要确定土壤水分以调节与风暴和降雨动力学相关的大气变量的途径。如果某地区的未来降雨水平在某种程度上反映了土壤水分的当前状态，那么该情况意味着两个变量之间存在反馈机制。在本文中，我们提出了一个关联土壤湿度条件和随后降雨的途径。

关于土壤湿度在降雨动力学中作用的文献里最早的推测被Holzman引用。Aughey于1880年在写到内布拉斯加州的自然地理学时表示“随着土壤耕种的逐年持续，更多的降水会被土壤吸收进保留下来，要么以蒸发的形式放出，要么产生泉水。当然，这必定会增加水分和降雨。Jensen [1935]，McNish[1936]和Horton [1943]也提出了类似的论点。然而，这些早期的研究并没有提供观测证据来支持内在的土壤湿度-降雨反馈。Holzman [1937]和McDonald [1962]提出了关于这一论题的不同观点，他们批评了这种认为局地降水通过水分循环与局地蒸发和土壤湿度产生关联的观点。这两项研究强调了降雨产生机制在诱导与降雨相关的必要垂直运动中的作用。在本文中，我们研究了土壤湿度条件在导致垂直运动和降雨发生的辐射过程和热力学过程中的作用。

图1.伊利诺斯州夏季土壤饱和度与随后降雨量之间关系的观测结果。该图描述了初始土壤饱和度与夏季其余时间降水量之间的相关性。实线为21天滑动平均线（来自Findell和Eltahir [1997]）。

基于降水再循环的概念，学者们已经提出了几种简单的水平衡模型来描述陆地-大气相互作用，包括土壤湿度-降雨反馈。例如，Eltahir [1989]提出了一个与大型沼泽区或浅湖区相关的反馈机制。湿年沼泽区储存量有所增大，其地表面积也进一步扩大，这导致当年和随后几年的蒸发量和降雨量的增加。在最近的一项研究中，Rodriguez-Iturbe等人[1991]提出了一个水平衡模型，描述了区域尺度上的年际土壤湿度动态。该模型假设再循环降水的一部分是蒸发和土壤湿度的函数。随机土壤水分微分方程的解会导致空间平均土壤饱和度的双峰分布。虽然简单的水平衡模型可从统计角度说明土壤湿度-降雨反馈的本质，但这些相同模型仅考虑了水平衡，因此它们太简单而无法准确描述耦合陆地-大气系统的物理特性。除了水平衡之外，陆地-大气相互作用还受陆地-大气边界的能量平衡，大气边界层的能量平衡以及边界层和降雨过程之间耦合作用性质的控制。在本文中，我们将详细讨论所有这些过程。

Entekhabi等人[1996]回顾了近期一些关于土壤湿度与大气过程之间相互作用的文献。 Brubaker和Entekhabi [1996]研究了土壤水分条件在陆地-大气相互作用中的作用。 他们开发了一个随机模型，描述了陆地-大气边界的物理相互作用。他们的结论是，土壤水分状态是通过土壤水分对蒸发的控制作用这一主要机制来增强温度异常的，并且地表饱和度的温度依赖性——比湿是加强土壤水分异常的主要因素。因此，土壤水分和温度的异常可能是自我强化的，进而导致持续的水文条件。

许多研究使用建模方法研究了土壤湿度-降雨反馈。在这些研究中，大多数使用大气环流模型（GCMs）来进行关于土壤水分在气候变率中作用的数值试验。大多数研究结果表明，春末/夏初土壤水分状况的变化可能对大陆地区模拟的夏季降雨产生显著影响。相对较湿的初始土壤湿度条件会导致相对较多的降雨，这通常是支持存在土壤湿度-降雨正反馈这一观点的。然而，这些模拟实验大多数涉及大陆尺度上土壤湿度条件的极端变化，不太可能观察到这种极端异常的幅度和空间尺度。由于缺少任何有关土壤湿度状况长期变化的全球数据集，这些模拟研究的结论尚未通过观测得以证实。

在最近的一项研究中，Findell和Eltahir [1997]分析了伊利诺斯州土壤水分和降雨的直接观测结果，发现土壤湿度和降雨量之间存在显著但较小的滞后相关性。 图1描述了他们分析的部分结果。伊利诺斯州的平均土壤水分饱和度与随后的夏季降雨量之间是正相关的，并且在夏季的大部分时间中具有统计显著性。该分析代表了可以支持存在与土壤湿度条件和随后的夏季降雨相关的正反馈机制的唯一观测证据。对于一年中其他季节的相应分析未呈现出土壤湿度状况与随后的降雨之间存在任何显著关联。尽管在夏季观察到的两个变量之间的相关性具有统计学意义，但相关程度相当小。初始土壤湿度状况解释了夏季降雨年际变化中小却重要的一部分。 所提出的关于土壤湿度-降雨反馈的假说可以揭示造成可观测到的土壤湿度与未来降雨之间相关性的物理机制。我们将在第2节中介绍所提出的关于土壤湿度在陆气相互作用中作用的假说。第3节描述了在FIFE中收集到的堪萨斯州的相关观测结果并在此列出以支持所提出的假说。第4节描述了土壤湿度与边界层能量之间的关系。第5节介绍了云在地表辐射过程中的作用。第6节包括讨论和一些结论。

图2.提出的土壤水分状况与随后降雨过程间的相关关系

2.理论

在这里，我们提出一个假设，描述土壤湿度在陆地-大气相互作用中的作用。特别是，我们认为湿土壤湿度条件会增强以下相关变量：净地表辐射，从地表到大气的总热通量以及大气边界层中的湿静能。后者可以使用几个变量来量化，包括湿球位温和相当位温。这两个变量对于局地对流风暴的能量学和动力学以及热带地区大规模大气环流动力学很重要。所提出的土壤水分状况与随后的降雨产生相关的过程如图2所示。我们假设图2描述了土壤湿度与后续降雨相关的主要途径。 但是，此图并非旨在描述所有可能的相互作用。 提出的假说基于以下考虑：（1）土壤水分状况与地表的反照率和波文比两个基本性质之间的关系；（2）地表辐射平衡；（3）陆地-大气边界的能量平衡；（4）大气边界层的能量平衡；（5）与边界层状况和随后的降雨有关的热力学和动力学过程。

2.1地表基本特性：土壤水分状况，地表反照率与波文比的关系

土壤水分状况在调节地表反照率和波文比中的作用是所提出的假说的基础。 基本辐射物理学表明，湿土比干土吸收的太阳辐射要多得多。结果是，吸收的太阳辐射随着任何土壤和水的混合物中水的相对分数的增加而增加。一些观测结果证实了这些理论论点。Bowers，Hanks [1965]和Bowker [1985]等人研究了土壤表面的光谱反射率，并证实所有波长的太阳辐射，其反射率随着土壤饱和度的降低而降低。Idso等人[1975]对裸土反照率对土壤含水量的依赖性进行了全面的实地研究。他们发现反照率与土壤中直至深度约为10厘米的平均含水量呈负相关。然而，这种相关对顶层土壤中水的分布十分敏感;几厘米上层土壤含水量对地表反照率的影响最大。

顶层土壤（~10-50cm）的含水量在将表面获得的净辐射分配为显热和潜热通量中起重要作用。除了控制可用于地表蒸发的水量之外，土壤饱和度的相对大小控制顶层土壤的水力传导率，进而调节渗出速率。在某些条件下，渗出速率可能会限制来自饱和的深层土壤的蒸发速率。 Lowry [1959]回顾了这种土壤饱和度和实际蒸发量与潜在蒸发量比值之间关系的理论和观测基础。在大多数情况下，该比值倾向于随着顶层土壤饱和度的增加而增加。Owe和Van De Griend [1990]对相同的关系进行了实地观测，证实了对于裸土和植被表面而言，实际蒸发与潜在蒸发的比值随着土壤饱和度的增加而增加。波文比与实际蒸发与潜在蒸发的比值成反比。因此，在大区域，波文比随着顶层土壤饱和水平的降低而降低。

2.2地表辐射平衡：土壤水分状况与地表净辐射的关系

陆地-大气边界处的辐射平衡可以表示为：

其中是净辐射，是净太阳辐射，定义为太阳辐射的入射和反射通量之间的差值，是净地面辐射，定义为地面辐射的向下通量与地面发射的地面辐射之间的差值。在数学上，净太阳辐射和净地面辐射由下式给出：

其中是太阳辐射，是反照率; 是大气边界层的发射率，它是由q表示的大气水汽含量的递增函数; 是Stefan-Boltzmann常数;是大气有效温度;是地表温度。

土壤含水量与反照率之间的负相关关系意味着潮湿的土壤湿度条件会增加地表的净太阳辐射。然而，土壤水分条件与净地面辐射之间的对应关系不太明显。 随着顶层土壤的相对饱和度增加，来自地表的潜热通量以减少相应的显热通量为代价而增加，这导致两个直接影响：（1）较低的地表温度和（2）大气边界层中较高的水汽含量。换句话说，土壤含水量应与地表温度呈负相关，与边界层中的水汽含量呈正相关。根据（2）式，地表温度的降低意味着地表发射的地面辐射较少。另一方面，由于水蒸气的温室效应，边界层的水蒸气含量的增加意味着表面处的地面辐射的向下通量更多。这两个过程都可能由于土壤含水量增加而发生，并且它们都有利于增加地表的净地面辐射。因此，其他一切都是相同的，潮湿的土壤湿度条件应该增强净太阳辐射和净地面辐射，并且根据（1）式，这样的条件应该增强地表的净辐射。然而，如果土壤水分对云层和降雨的形成有影响的话，土壤水分之间的关​​系有可能会进一步复杂化。云量反馈可能在地表辐射平衡中起重要作用。其作用在第5节中讨论。

2.3地表能量平衡：土壤水分状况与地表总热通量的关系

潮湿土壤湿度条件会增强净辐射的提议对地表能量平衡具有重要意义。 表面能量平衡的最简单的表述是地表净辐射必须通过显热，潜热和土壤热通量的组合来平衡。土壤热通量的大小和方向取决于地表温度的相对大小和地下土壤层的温度。长期来说，土壤热通量可以忽略不计，净辐射通过进入大气的潜热和显热总通量来平衡。

值得注意的是，虽然净辐射的大小部分受到总热通量的潜热和显热（波文比）相对分量的调节，如前一节所述，但根据（3），从表面到大气的总热通量会直接地响应净辐射的变化。 因此，改变进入大气的潜在和显热通量相对大小的共同因素，如土壤湿度条件和植被密度，也在确定进入大气的总热通量的大小（包括潜热和显热）中起重要作用。这里，我们强调相对潮湿的土壤湿度条件有利于更大的净辐射以及从地表到大气边界层更多的热量通量，包括潜热和显热。

2.4大气边界层能量平衡：土壤水分状况与边界层能量的关系

大气边界层中的总能量可以通过湿静能（）来描述，其包括势能，显热和潜热。（,其中是重力加速度，是高度，是等压热容，是温度，是蒸发潜热，是水汽混合比）。湿静能由从地表进入大气的总热通量F提供。共同的能量储存器通过三个过程的组合耗尽：边界层顶部夹卷（EN），辐射冷流（R）和降雨期间与对流下沉气流相关的负热通量（C）。 如果我们考虑大空间尺度，使得来自地表的垂直热通量明显大于相应的水平热通量，那么我们可以忽略水平暖平流，并通过以下方式表达边界层湿静能的变化：

夹卷和对流下沉气流将来自边界层上方的相对干燥的空气向下混合。由于通常大气湿静能的分布随着高度而降低，这两个过程将湿静能相对低的空气带入边界层，因此这两个过程消耗了边界层所储存的湿静能。

从地表到大气的总热通量是大气边界层中的主要能量来源。与垂直热通量相比暖平流较弱的大区域尤其如此。在上一节中，我们提出湿土壤增强了从地表到边界层的总热通量。因此，在其他一切相同的情况下，湿土应该有利于大气边界层中更大的湿静能。该论述默认假设，和响应土壤水分条件变化的波动相对于F中的相应波动较小。虽然这可能是和的情况，但先前的研究表明对土壤湿度条件的变化有显著反应 [Betts等人，1994；Betts and Ball，1998]。潮湿的土壤应该与少量的显热和少量的夹卷相关。后者对应于形成较浅的边界层。因此，在湿土壤条件下，相对大的热通量产生于从地表到较浅的边界层。这两个因素都会增加单位质量边界层大气的湿静能。这个问题将在第4节进一步讨论。

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