土壤湿度变化对降水影响的观测证据外文翻译资料

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土壤湿度变化对降水影响的观测证据

降雨引起的土壤水分异常对后续降水的影响之间的土地大气反馈可能是地球气候系统的重要组成部分，但其在大陆尺度区域的存在从未被证实。在美国的50年观测降水数据中，寻求反馈的证据。降水方差和自相关场的特点是与大气总体循环模型（AGCM）产生的特征相一致（结构上虽然不是大小的。由于模型生成的特征已知单独由陆地气氛反馈产生的，因此观察到的特征提示了反馈本质上的存在。索引条款： 1818 Hydrology: Evapotranspiration;1833 Hydrology: Hydroclimatology; 1866 Hydrology: Soilmoisture; 3322 Meteorology and Atmospheric Dynamics: Land/atmosphere interactions; 3354 Meteorology and Atmospheric Dynamics: Precipitation (1854). Citation: Koster, R. D., M. J. Suarez, R. W. Higgins, and H. M. Van den Dool, Observational evidence that soil moisture variations affect precipitation, Geophys. Res. Lett., 30(5), 1241, doi:10.1029/2002GL016571, 2003.

1. 介绍

气候科学家长期以来猜测，这个潮湿时期的异常可能会通过大气反馈来维持，在这个反馈中，来自降水事件的湿润比正常土壤在随后的几周内保持高于正常蒸发，从而导致额外的降水。

完整的反馈循环（为了方便起见，这里在湿异常方面讨论）可以分为三部分：通过沉淀润湿土壤，增强随后的湿润土壤蒸发，以及通过蒸发增强沉淀。第一部分是简单直观的; 它在自然界中发生,无可争辩；第二部分，土壤润湿后蒸发的增加也是直观的，并且由各种局部蒸发仪器直接支持[例如，Cahill等，1999]。由于美国大部分地区存在降水 - 温度负相关性[Huang and Van denDool，1993]，这个论点是，由高沉积引起的湿土导致较高的表面潜热通量（蒸发蒸腾），而牺牲了表面敏感热通量，较低的显热通量又会导致较冷的近地表气温。

循环的第三部分，蒸发（土壤水分）对降水的影响是迄今为止最难以证明的数据。 当地的观测证据是非常有限的（例如，Barnston和Schickedanz [1984]对灌溉效应的研究），并且可能会受到矛盾的解释[Findell and Eltahir，1997; Salvucci等，2003]。 区域大陆尺度的观测证据根本不存在。虽然土壤湿度异常肯定会影响大气环流模式（AGCMs）的降水[例如，Oglesby和Erickson，1989; Dirmeyer，2000]，但是这些研究提出了一个明显的问题：模拟的大气反应性反映了现实，还是只是一个人造模型？

因为对反馈周期的第三部分的观察的难度，在自然界发生的整个周期仍然缺乏明确的证据。我们受到长期，空间广泛的土壤水分和蒸发数据的缺乏以及在高度互联的系统中识别因果关系的困难的限制。 （注意隔离影响，如果任何现有的反馈本来就是弱的话，背景噪声的反馈将是特别困难的。）提供这种明确的证明超出了本文的范围。相反，我们将AGCM结果与观察结果一起使用，以提供一些新的，间接的证据表明整个循环发生在自然界。这种做法让人联想到Huang和Van den Dool [1993]用来研究降水和表面温度之间的关系，来自一对AGCM实验的数据，一个将允许的反馈和禁用的反馈与AGCM的长期降水记录（第2节）中的反馈意见进行比较。然后在最近汇编的五年全面降水测量数据集（美国）中寻求签名（第3节）。

1. AGCM降水分析

2.1统计领域的结构

对来自与NASA季节到年际预测项目AGCM的四个并行全局模拟的统计数据，平均每个模拟跨越1948 - 1997年期间，以产生图1顶部的四个图。（模拟仅在其初始条件下不同，类似，单个模拟的情况未显示。）第一和第二图分别显示了7月降水的平均值和方差。第三个图显示了方差场除以美国大陆方差场的面积平均值。这个图突出了差异的空间格局，这将有助于以后的比较。顶部的第四个图显示了7月份之间的相关性的平均值。降水在一个五分之一（5天），降水两点五分之一。也就是说，它显示了7月1-5日至11日至15日之间，7月6日至10日和7月16日至20日之间的降水量与7月11日至25日的降水量之间以及在15-20和7月26日至30日。大概地，如果土地大气反馈有助于延长雨季和干旱期，那么这个延长时间应该反映在时间相关性（并且体现在每月方差上）。我们考虑两次去除的五元组之间的相关性，因为相邻五面体之间的相关性受到跨越它们的风暴的过度影响。图中的阴影部分与蒙特卡罗分析确定的近似显着性水平相关。

在本文研究中检查的AGCM运行使用2°* 2.5°，因为计算的相关性部分取决于考虑的空间尺度，每个五元组2°* 2.5°在计算相关性之前，通过三维滤波器在子午线和纬向方向平滑沉淀场 - 在每个网格单元处检查的降水实际上是该网格单元的降水与紧邻的网格单元中的降水的混合。如果未经聚合或平滑分析原始AGCM数据，则即使该远程影响完全构成反馈，在相关性计算中也将不会吸收土壤水分对300公里以外的降水的影响。选择一个3点过滤器可以让我们检查一些非本地响应（高达几百公里）的同时保持相关领域的广泛的空间结构。为了图中的一致性，还从平滑数据中计算出月平均值和方差场。

在方差和自相关图中看到的模式是惊人的。 在方差图（和归一化方差图）中，在中心看到强大的最大值国家。 在相关图中，高度相关的广泛范围从墨西哥湾沿岸开始，并继续向该国的中心延伸，最终向西偏西太平洋西北。 东西方的相关性很小。

与AGCM进行了另外的50年模拟，其中土地 - 大气反馈被人为的禁用。在这个模拟中，随着Koster等人的研究[2000]，预定的气候季节性循环规定了地表的蒸发效率（蒸发与蒸发的比例）。 在该模拟中，蒸发效率产生与四个对照模拟中产生的相同的蒸发平均季节循环，而不允许湿度比普通的的土壤产生高于平常的蒸发速率。 潜在违反土壤水分平衡的行为被忽视，因为这种模拟重点是大气对地表条件的反应。实质上，这个实验的“控制量”是大气本身，而土地则是作为规定的边界条件，如同在对照模拟中一样，海面温度随年均而异。

图1中间行的归一化方差图显示了无反馈模拟的方差场的总体结构与有反馈的差别。 相关领域也大不相同 - 无反馈模拟几乎没有产生显着的降水相关性。 顶端图1的中间行提供了证据，证明在AGCM中，国家中心的正常化方差和高相关性的显着中位数最大值是独特的“大气反馈”的“签名”。 AGCM中的这些特征不是由SST异常，而是内部大气持久性或其他这些因素引起的。

2.2统计领域的部分解释

至少可以通过部分的考虑反馈周期的第二部分来解释相关行的位置：土壤水分蒸发的改变。 显然，如果蒸发对土壤水分变化的敏感性很小，则反馈周期将被破坏。 诊断敏感度图（使用Koster和Suarez [2001]概述的方法）显示，美国东部和西南部地区确实相对较小，完全符合这两个地区排名第一的低相关性 图1。

顺便说一下，美国东部和西南部的低敏感度并不意外。 在东部，蒸发受到大气接收水分而不是土壤水分供应的能力的限制; 蒸发由“大气控制”。 因此在东部，小的土壤水分异常不影响蒸发速率。 在西南地区，由于底层突然的水分含量和最小的植被覆盖率造成的蒸腾。对土壤水分来说，特别是较深的土壤水分的蒸发敏感度受到限制，由于底层突然的水分含量和最小的植被覆盖率造成的蒸腾。

反馈周期的第三部分，通过蒸发改变降水也影响相关领域。 对照可用势能（CAPE）的图表显，如预期的那样美国西南部的CAPE值低于其他地区。 低值意味着不可能的稳定的状态以通过蒸发来改变近地表面的空气来促进对流。 因此在西南地区，反馈和相关的降水时间相关性进一步被抑制。

对于图1顶部的降水差异，注意到任何数值的月度差异，次月时间相关性[Van den Dool和Chervin1986]通常会随着平均值的增加而增加。 相关性较大的地区差异较大，除非降水量较低（特别是西北地区）。 结果是方差的最大值。

AGCM结果的这种泛化有点过于简单，因为其他因素也影响图1中AGCM的方差和相关性内容。讨论简单地用于证明，至少首次排列顶行中的模拟场的结构是直观合理的。 在大致相同的地区，我们确实可以预想相同的物理特征（大气控制而不是土壤控制蒸发，缺乏蒸腾和低CAPE）限制反馈本质上的反馈。

1. 观测降水分析

3.1数据说明

本研究中使用的降水数据集是Higgins等人的多年代（1948 - 1997年）每日降水再分析。 [2000]。 重新分析的输入数据为一个美国的统一测量数据库（URD），包括美国多个来源的日常测量报告，包括河流预报中心（每天约7000个站点），国家气候数据中心（NCDC），日常合作网络（约6000个 每日点数）和NCDC小时降水网（HPN）（每天约2500个站点;汇总成日常积累）。 对日常测量数据应用了几种类型的质量控制，包括重复站检查，伙伴检查，标准偏差检查和NEXRAD雷达QC（详见Higgins等[2000]）。

每日降水资料分辨率为1/4°*1/4°，使用Cressman在区域范围140°W-60°W，20°N-60°N[1959]具有修改的方案[Glahn等人，1985; Charba等人，1992]。 为了与AGCM数据的处理完全一致，每天的1/4°*1/4°数据集是将空间和时间聚合成1/2°*2 1/2°五元组数据集，然后使用3点滤波器在每个方向上平滑水平场。

3.2观察到的自相关场的结构

图1的下方排列出了7月降水的平均值和方差以及7月份从观测数据集两次去除的降水五分位数之间的相关性。 观察结果表明，AGCM高估了美国东部的降水，并高度估计了中部地区的降水差异和时间相关性。 由于相关性仅由AGCM中的反馈引起，所以我们可以得出结论，AGCM中的反馈相对于本质上的反馈水平是过大的。

尽管存在这些缺陷，图1的底行确实显示了美国中心的最大降水差异。 实际上，归一化方差场的总体模式已经非常接近AGCM所预测的。 此外，七月份的显着相关性虽然较弱和较薄，但与AGCM中的条纹基本相同。 这个共同点显示了大自然中确实存在的土地 - 大气反馈，因为AGCM中的这些模式完全源于反馈。

观察信号的其他潜在贡献者也值得考虑。 为了研究降水资料中潜在的长期趋势的影响，我们重复了上述观测分析，使用了偏离的数据，即从线性时间趋势（从最小二乘回归分析中确定）从 每个网格单元的降水时间序列方面考虑。 结果（未显示）与图1底部所示的结果基本相同。确定其他贡献者（如季风动力学）的相关性并不简单; 然而，我们可以说，如果这些其他贡献者产生观察到的统计结构没有反馈的帮助，那么在图1的顶部和底部行之间看到的任何联系是完全巧合的。

AGCM在6月份（未显示）产生的相关性较弱，8月份的相关性相当强劲，虽然不如7月份那样强劲。 “无反馈”固有的相关性模拟和观测数据在6月和8月几乎是微不足道的。 因此，一方面6月和8月的结果进一步支持了这一结论：AGCM高估了土地 - 大气反馈的力量。 另一方面，我们注意到7月是AGCM的最大相关时期。 在最大限度的时间上的重合是一个额外的证据，反馈本质上是另一个巧合。

1. 讨论

鉴于土地—大气反馈对于改善短期和长期天气预报的潜在重要性，表明存在反馈大自然将是巨大的价值。在图1的两个最右边的列中提供的证据并不是决定性的，甚至是主观的。此外，它不解决潜在的遥感影响（距离几百公里）的土地水分降水。然而，证据是有趣的，因为它是第一个有意见地支持在大陆尺度上存在大气反馈。证据特别暗示，因为方差的位置观察数据的相关结构在反馈控制的上下文中具有直观的意义（第2.2节）。所需的明确证据可能需要等待几十年的计划的设计和实施，以积累大面积的土壤水分和蒸发数据。或者，通过对准确的土壤水分初始化对短期或长期降水预报技能的影响的详细分析，可以更早地获得反馈的明确证据。

致谢。 Ping Liu和Phil Pegion帮助处理了AGCM数据，Guido Salvucci提供了批判性的阅读材料。 NSIPP模型运行由NASA总部的地球科学企业通过EOS跨学科科学计划和NASA季节到年际预测项目（NSIPP）资助，由NASA计算科学中心提供的计算资源。

References

Barnston, A. G., and P. T. Schickedanz, The effect of irrigation on warm season precipitation in the southern Great Plains, J. Clim. Appl. Meteorol.,23, 865– 888, 1984.

Cahill, A. T., M. B. Parlange, T. J. Jackson, P. Orsquo;Neill, and T. J. Schmugge,Evaporation from novegetated surfaces: Surface aridity methods and passive microwave remote sensing, J. Appl. Meteorol., 38, 1346 –

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