清華新聞網(wǎng)10月11日電 土壤濕度-降水耦合是陸氣相互作用的關(guān)鍵，但不同氣候模式對(duì)于土壤濕度與降水耦合強(qiáng)度的模擬存在巨大分歧，其耦合的物理路徑即土壤濕度通過(guò)地表感熱通量（SH）還是蒸散發(fā)（ET）影響降水尚不明確。為了回答上述問(wèn)題，清華大學(xué)地學(xué)系陽(yáng)坤教授課題組揭示了全球表層土壤濕度-降水（SSM-P）強(qiáng)因果熱點(diǎn)區(qū)域及其耦合路徑，并應(yīng)用于評(píng)估主流氣候模式在陸氣耦合方面的模擬性能。
陽(yáng)坤課題組分別利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行了因果分析，結(jié)果表明，全球約有16%的陸地面積存在著土壤濕度對(duì)降水的強(qiáng)烈局地影響。強(qiáng)耦合往往發(fā)生在土壤濕度變異性較大的區(qū)域，包括八個(gè)耦合熱點(diǎn)地區(qū)，分別是青藏高原西部（WTP）、印度北部（NI）、伊朗高原（IP）、薩赫勒地區(qū)（SR）、大非洲之角（GHA）、熱帶非洲（TA）、墨西哥的太平洋沿岸（PCM）和巴西北部（NB）（圖1）。通過(guò)滯后因果分析發(fā)現(xiàn)，表層土壤濕度對(duì)降水的影響可持續(xù)到天氣甚至次季節(jié)尺度，但是區(qū)域差異明顯，其中印度北部和青藏高原西部的影響時(shí)間最短，巴西北部和伊朗高原的影響時(shí)間最長(zhǎng)。
圖1.衛(wèi)星觀(guān)測(cè)和再分析數(shù)據(jù)反映的強(qiáng)SSM-P因果關(guān)系
研究進(jìn)一步分析了SSM-P耦合相關(guān)的子過(guò)程。結(jié)果顯示，該耦合受大氣部分（ET→P和SH→P）的制約比受陸表部分（SSM→ET和SSM→SH）的制約更大（圖2a）。值得注意的是，SSM-P耦合在這八個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)呈現(xiàn)出了明顯不同的作用過(guò)程：在外來(lái)水汽充沛的印度北部，該耦合主要通過(guò)SSM→SH→P路徑實(shí)現(xiàn)，而SSM→ET→P的作用較弱；在相對(duì)干旱、邊界層高度比較穩(wěn)定的大非洲之角和熱帶非洲，SSM→ET→P路徑占主導(dǎo)地位，而SSM→SH→P很少發(fā)生；在其余五個(gè)熱點(diǎn)地區(qū)，兩條路徑的貢獻(xiàn)都相當(dāng)顯著（圖2b）。因此，這些路徑差異與外部水汽輸送強(qiáng)弱以及邊界層高度穩(wěn)定性有著密切的聯(lián)系（圖2c-d）。
圖2.表層土壤濕度影響降水的子過(guò)程的強(qiáng)因果關(guān)系及機(jī)制
根據(jù)以上揭示的過(guò)程級(jí)耦合特征，研究評(píng)估了CMIP6氣候模式的性能。結(jié)果表明，大多數(shù)模式無(wú)法再現(xiàn)SSM-P耦合的熱點(diǎn)地區(qū)，并且導(dǎo)致模式表現(xiàn)差的子過(guò)程存在區(qū)域差異（圖3a-e）。其中，表現(xiàn)較好的四個(gè)模式能捕捉到四至五個(gè)熱點(diǎn)，也能再現(xiàn)ERA5中強(qiáng)土壤濕度變異性–強(qiáng)因果性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而其他模式則不能（圖3f-g）。因此，氣候模式描述土壤濕度變異性與SSM-P因果性關(guān)系的能力，可以作為評(píng)價(jià)模式能否合理捕捉陸氣耦合的指標(biāo)。
圖3.對(duì)CMIP6氣候模式模擬的SSM-P因果性的評(píng)估和診斷，其中ERA5結(jié)果作為參考
研究為陸氣耦合提供了過(guò)程級(jí)的見(jiàn)解，并為評(píng)估和診斷氣候模式在表現(xiàn)該耦合方面的真實(shí)性提供了新指標(biāo)，有助于模式的開(kāi)發(fā)和氣候預(yù)測(cè)/預(yù)估。
研究成果以“全球土壤濕度-降水耦合的因果路徑”（Causal pathways underlying global soil moisture–precipitation coupling）為題，于10月8日在線(xiàn)發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)地學(xué)系博士后孫靜為論文第一作者，地學(xué)系教授陽(yáng)坤為論文通訊作者。合作作者包括新加坡國(guó)立大學(xué)助理教授何小剛、美國(guó)康涅狄格大學(xué)教授王桂玲、復(fù)旦大學(xué)教授王勇、北京大學(xué)助理教授俞妍以及清華大學(xué)地學(xué)系教授盧麾。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、博士后科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目以及清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-63999-7
供稿：地學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
