科研解读 | ACP-高温天气对土壤湿度的敏感性：WRF模式的个例研究

本成果以“Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture: a case study using the WRF model”为题，发表在大气科学顶级期刊SCI一区期刊Atmospheric Chemistry and Physics上。由河海大学水文与水资源学院曾新民教授和南京大学教育部中尺度灾害性天气重点试验室汪彪助理研究员等人共同完成。该成果受到国家自然科学基金（41275012和41205073）的资助。

进入21世纪以来，在全球气候变暖的背景下，世界范围内的高温热浪事件频频发生。2003年夏季，欧洲大陆遭遇持续的异常高温热浪袭击，欧洲大部分地区的夏季平均气温比30年（1961~1990年）平均气温高约3℃，部分地区高出5℃，据WHO统计，此次高温热浪事件造成死亡人数达到22000~35000（Fischer et al. 2007）。同期，中国江南及华南地区也出现持续的异常高温天气（Wang et al. 2006，Lin et al. 2005，Yang et al. 2005，Zeng et al. 2011）。2010年夏季，东欧及俄罗斯大块地区出现持续的异常炎热天气；俄罗斯西部地区的区域平均最高气温比2003~2009年夏季平均高出8℃~10℃，这次异常高温热浪事件造成的不利影响在强度和空间范围上均超过2003年的热浪事件；2003年和2010年的超级热浪事件很可能打破了欧洲近一半地区500年来夏季最高气温记录（William et al. 2012，Barriopedro1 et al. 2011）。2012年7月初，美国半数以上地区遭遇持续一周左右的热浪袭击，多地最高气温突破历史记录。

极端高温天气不仅严重威胁人体健康（Tan et al. 2007），而且容易引发森林大火和干旱，给整个生态系统带来严重危害。由于其对人类社会影响巨大，近年来，许多学者从不同角度对高温热浪的形成原因进行了深入研究；其中土壤湿度异常对高温天气的影响受到了广泛关注（Wolfson et al. 1987，Fischer et al. 2007，Fennessy et al. 2011，William et al. 2012）。如，Wolfson等（Wolfson et al. 1987）利用一系列数值预报试验研究了北太平洋海表温度异常、美国大陆土壤湿度异常（由观测的降水和表面温度推导出）、太阳辐射强迫三者在1980年夏季美国极端热浪的维持和减弱中的作用。结果表明，一旦暖、干的环境形成，土壤湿度偏低对其维持是有利的。Fischer等Fischer et al. 2007）在研究2003年欧洲高温热浪时指出，高温期间土壤湿度严重偏低，显著地降低了潜在的冷却作用，因而放大了地面温度异常。敏感性试验表明，土壤湿度对于欧洲热浪的演变是一个重要的参数，若无春季土壤湿度异常偏低，一些地区夏季的异常高温能降低40%左右。Fennessy等（Fennessy et al. 2011）利用最新的Center for Ocean—Land—Atmosphere Studies （COLA）的大气环流模式(AGCM)研究发现，局地正SST异常和局地干土壤条件都是产生2003年夏季欧洲热浪的重要原因。William等（William et al. 2012）研究认为，2010年夏季俄罗斯高温热浪与由大尺度Rossby波列激发出的异常偏强、持续时间长的中高纬阻塞高压的发展有关；大气阻塞高压与其下大片土壤湿度偏低的陆地之间通过表面能量通量的变化形成一种正反馈机制，这种机制增强了高温热浪。张井勇等（Zhang et al. 2011）利用2个长期的含有和没有土壤湿度—大气相互作用的WRF区域气候模式模拟评估了陆—气耦合对中国夏季高温热浪的影响。结果表明陆—气耦合增加了中国的高温热浪，尤其是在中国东部和西南的大部分地区，高温热浪的增加都有统计上的显著性；在这些地区，陆—气耦合能够贡献30%~70%的高温热浪。这些研究大都利用天气或气候模式进行较长时间（如季节）的连续积分，研究高温事件中土壤湿度的影响，并认为，前期土壤湿度偏低或者高温热浪期间土壤湿度偏低有利于热浪的产生、维持或者增强。

综观以往的研究发现，基本未见有人考察土壤湿度异常对短期（如24小时）高温天气模拟的影响。事实上，土壤湿度是陆气相互作用中一个重要物理量，在天气和气候模式中有着重要作用，其初值对模拟结果影响非常大（Du et al. 2008）。研究认为，土壤湿度在气候变化中的作用是仅次于SST的重要参量，在陆地上甚至超过SST的作用（1994）。在短期气候模拟中，Ferranti等（Ferranti et al. 2006）的模拟研究表明，大气对根区（土深1m）土壤水含量初始扰动的非线性响应可持续2个月，并且土壤越干，响应越强；而整层（土深2.89m）扰动可增大大气异常的幅度，并持续达3个月。初始土壤干异常对大气的影响大大超过了海洋边界强迫的影响。Trier等（Trier et al. 2008）研究表明，初始土壤湿度对热力学变量有重要影响，尤其是在日间地面加热最强的时段及紧随其后的时段内。那么短期（24小时）高温天气模拟对土壤湿度变化是否敏感？如果敏感，敏感程度如何？同时，我们注意到，前人的研究主要集中在土壤湿度较正常偏低的情况，那么在土壤湿度较正常偏高的情况下，高温天气模拟对增大土壤湿度的敏感程度将出现怎样的变化？对这些的回答，都可增进我们对高温天气中土壤湿度影响的理解，并可通过较好土壤湿度指数的预报来提高高温天气预报的准确率。

该成果利用连续的24小时天气研究和预测模型WRF模拟，我们研究了2003年7月下旬在华东地区发生的短程高温天气事件对土壤初始水分的敏感性。对NOAH陆地表面方案中的初始土壤水分(SMOIS)进行了调整(相对于控制实验，CTL)，分别为DRY25（变干25%）、DRY50（变干50%）、WET25（增湿25%）和WET50（增湿50%）。每组执行10个24小时积分。

与以往关于气候热浪事件的研究不同时间尺度，本文给出了模拟的灵敏度主要以短期炎热天气对初始土壤水分的影响，并强调在模拟炎热天气时，适当的土壤水分初值的重要性。

Citation: Zeng, X.-M., Wang, B., Zhang, Y., Song, S., Huang, X., Zheng, Y., Chen, C., and Wang, G.: Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture: a case study using the WRF model, Atmos. Chem. Phys., 14, 9623-9639, doi:10.5194/acp-14-9623-2014, 2014.

论文引用格式：Zeng, X.-M., Wang, B., Zhang, Y., Song, S., Huang, X., Zheng, Y., Chen, C., and Wang, G.: Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture: a case study using the WRF model, Atmos. Chem. Phys., 14, 9623-9639, doi:10.5194/acp-14-9623-2014, 2014.