陈海山教授主持的国家杰出青年科学基金项目《陆气相互作用》（项目编号41625019），围绕东亚季风区陆气耦合系统的可预报性及相互作用机理这一主题，开展了较为系统深入的研究，经过陆气相互作用团队的努力，在东亚季风区陆气耦合系统的相互作用机理方面取得了一些创新性成果，发表项目资助论文55篇，其中SCI论文40篇。项目研究可为深入理解东亚季风区陆气相互作用的物理本质，为东亚季风和我国气候的变异机理提供更为坚实的理论依据和科学基础。主要进展如下。
主要进展-1：定量评估了土壤湿度持续性和海洋外强迫对土壤湿度可预报性的影响
土壤湿度是陆面过程的关键因子，加强土壤湿度可预报性的研究是深入理解陆面过程影响的基础。研究利用公共地球系统模型（Community Earth System Model，CESM）进行了20组AMIP类的长时间（50年）集合试验；通过典型相关和多元回归分析，深入探讨了土壤湿度自身持续性和海洋外强迫对土壤湿度可预报性的影响。研究发现：仅考虑土壤湿度的自身持续性，土壤湿度的可预报性仅为1-2个月，而考虑海温作为外强迫因子时，可以显著提高土壤湿度的可预报性；考虑海温外强迫之后，热带、北美和西亚地区土壤湿度可预报性提升最为显著，提升可达2-3个月左右（图1）；并给出了不同海温模态对土壤湿度可预报性的贡献及其空间图像（图2）。
图1 土壤湿度自身持续性和海洋外强迫对土壤湿度可预报性的贡献，LM为滞后月份，阴影为通过显著性检验区域（Zhu SG, Chen HS, et al. 2020 Climate Dynamics）
图2 不同海温EOF模态对土壤湿度可预报性的贡献及其空间分布（Zhu SG, Chen HS, et al. 2020 Climate Dynamics）
主要进展-2：揭示了欧亚冬季雪深对北极海冰变化响应的区域性差异及机理
研究发现伴随巴伦支海和喀拉海（BKS，30-100°E，75-85°N）秋末海冰的减少，欧亚大陆冬季雪深变化表现出明显的区域性差异，欧亚大陆北部（60°N以北）冬季雪深减少和欧亚中纬度雪深增加（图3）。进一步分析表明，北极涛动（AO）是联系BKS海冰与冬季雪深异常的重要桥梁，它通过影响欧亚大陆冬季的温度和降水，进而影响到冬季雪深。欧亚大陆高纬度地区，水汽输送是影响冬季雪深（通过冬季降雪）的决定性因素。正（负）BKS海冰异常通常会导致正（负）AO遥相关，同时增强（减弱）水平风场，增加（减少）了大西洋向欧亚大陆高纬度的水汽输送，导致冬季雪深的增加（减少）。而在欧洲及欧亚中纬度地区，温度是影响冬季雪深（降雪）的决定性因素。正（负）BKS海冰异常伴随AO遥相关正（负）位相的发生，增强（减弱）了大西洋输送的温度平流，从而导致欧洲温度升高（降低），最终使得冬季雪深异常减少（增加）。
图3 秋末北极海冰与冬季欧亚大陆雪深SVD分析第一奇异向量的空间分布（Xu B, Chen HS, et al. 2019 Atmospheric Research）
主要进展-3：揭示了中国东部陆-气耦合、土壤湿度对日间边界层高度的影响的区域性差异，量化了夏季土壤湿度对华北地区年代际增暖的反馈
（1）揭示了中国东部陆-气耦合的区域差异、季节演变特征：陆-气耦合是气候系统中的重要过程，已经有大量基于观测和数值模拟的研究提出了各种耦合机制。土壤湿度影响蒸散发进而引起地表温度异常是陆-气耦合研究中的重要组成部分。利用ERA- Interim再分析资料和CLM4.0模拟结果，研究探讨了土壤湿度/地表温度与蒸散发之间的关系，以更好地理解中国东部地区陆-气耦合的复杂性质(即空间和季节变化) 。发现陆-气耦合的两个诊断量(即土壤湿度与蒸散发的相关系数和地表温度与蒸散发的相关系数)的变化主要依赖土壤湿度和地表温度的气候状态，存在明显的空间变化和季节演变（图4）。结合两个相关系数，研究确定了中国东部的两个陆-气耦合的关键区: 西南和华北地区。在西南地区，土壤湿润，温度较高，但在旱季的时候土壤湿度显著下降，春季达到最低，因此春季表现为较强的陆气耦合。而在华北地区，土壤湿度在年内 维持在较低的水平，仅在较为温暖的季节才有足够的能量将土壤中的水分蒸发至大气，因此陆-气耦合强度随着温度的季节变化而发生改变，夏季最强。研究结果强调了 陆-气耦合对气候条件季节演变的依赖性，为未来有关陆面过程反馈的研究提供一定的参考。
图4 ERA(a)和CLM模拟(b)的土壤湿度与蒸散发的相关系数(RSM-ET)与 土壤温度与蒸散发ST-ET 相关系数(RST-ET)的散点图，颜色代表土壤湿度状态(单位:1%）（Gao CJ, Chen HS, et al. 2018 Advances in Atmospheric Sciences）
（2）揭示了不同热力状态下土壤湿度对日间边界层高度的作用及其区域性差异。土壤湿度作为陆面过程中的重要参量，可改变地表感热及潜热通量，进而影响边界层演变。研究探讨了不同热力状态下土壤湿度对日间边界层高度的作用及相关机理（图5），结果发现：日间对流与中性边界层高度和土壤湿度存在较强的负相关，而日间稳定边界层高度与土壤湿度则呈显著正相关。当边界层处于稳定状态时，间歇性干扰取代了感热通量成为调节边界层演变的主导因素，而较高的土壤湿度会引起较多水汽和流体的间歇性扰动。此外，边界层高度对土壤湿度的依赖性存在区域性差异，日间对流与中性边界层高度在干区与气象要素关系更密切，而在湿区与土壤湿度关系更密切。干区感热通量和边界层高度的相关性强于湿区；湿区较高的潜热通量通过复杂的物理过程抑制边界层发展。
图5 土壤湿度对边界层发展影响的示意图：对流 (上)、中性 (中)和稳定边界层(下)；左为湿区，右为干区。黑色水平实线和虚线分别表示边界层高度的平均及其相应的异常。红色箭头表示感热通量，蓝色向上箭头表示潜热通量，黑色箭头表示湍流。黑色箭头的数目表示湍流强度，蓝色和红色箭头宽度表示热通量大小，(e)和(f)中的空心箭头表示很少出现向下的潜热通量。（Xu ZQ, Guo JP，Chen HS, et al. 2021 Geophysical Research Letters）
（3）定量化分析了华北地区夏季土壤湿度对局地热力状态所造成的反馈。发现随着华北地区年代际增暖，土壤湿度呈现下降趋势，导致土壤湿度对局地热力状态和极端高温事件的负反馈能力得到加强（图6）。1961-2012年间，该地区土壤湿度的反馈贡献占气温变化的6%，而在1994-2012年，华北增温后，反馈贡献达到36%。土壤湿度对平均气温的反馈主要反映在对日最高气温的影响，同时在增温后也有所加强。进一步也说明土壤湿度对极端高温事件的增加也起到很大的贡献。分析表明，土壤湿度引起的地表热量通量（潜热和感热）的异常变化是引起局地热力反馈的重要原因。此外，随着土壤湿度的下降，潜热表现出明显的减少趋势，因此使得更多的能量分配给感热，波文比在90年代以后迅速增加，陆面加热大气的能力加强，导致夏季华北地区夏季局地土壤湿度的热力反馈出现年代际增强。
图6 冷期1961-1993 (a 和 c)和暖期1994-2012 (b 和 d)华北地区土壤湿度对平均气温的反馈参数(a 和 b，单位:°C (1%)-1)及方差贡献(c 和 d，单位:1%)，打点区域表示显著性通过 90%的置信水平。（Xu B, Chen HS, et al. 2019 Theoretical and Applied Climatology）
主要进展-4：揭示了东亚夏季风主模态的热力驱动因子及陆面的潜在贡献
基于1979-2016年ERA-Interim、NCEP和JRA-55三套再分析资料对25个常用东亚夏季风指数进行分类，在此基础上探讨各类季风指数与降水、环流异常的联系及其热力驱动因子。结果表明东亚夏季风指数可以分为两类:第一类指数表征东亚夏季风的年际模态，与低纬环流异常和EAP遥相关型关系密切，对应夏季降水的经向三级型分布，主要受热带海温异常的影响；而第二类指数表征东亚夏季风的年代际模态，与中高纬环流异常和EU遥相关型紧密相关，对应夏季降水的经 向偶极型分布，其异常信号主要位于极区和欧亚大陆中高纬，体现了欧亚大陆热力异常对东亚夏季气候的影响（图7-8）。
图 7 第一类（左图）、第二类（右图）东亚夏季风指数回归得500hPa高度场（阴影）和850hPa（矢量线），其中a、d为ERA-Interim，b、e为NCEP，c、f为JRA55的结果（Ye M, Chen HS, 2019 AOSL）
图 8 第一类（上图）、第二类（下图）东亚夏季风指数与冬季（a、c）、夏季（b、d）表面温度相关的空间分布，打点区域表示显著性通过 95%的置信水平（Ye M, Chen HS, 2019 AOSL）
主要进展-5：揭示了中国东部土壤湿度的次季节变率特征，发现土壤湿度对东亚夏季风次季节进程中的降水有重要反馈作用并揭示了相关的影响机理
（1）考察了中国东部土壤湿度的次季节变率的时-空分布特征。利用多源的土壤湿度资料，包括SMAP卫星资料、GLDAS全球陆面同化系统资料、NCEP和ERA的再分析资料，配合中国东部的站点观测资料，考察了中国东部土壤湿度次季节变率的时-空分布特征。研究发现SMAP卫星资料，相较于陆面同化资料和再分析资料，能够更好地表征中国东部的土壤湿度变率，可以作为站点观测的补充资料。通过分析发现中国东部的土壤湿度存在显著的10~30周期变化，这一周期变化主要出现在中国东部的雨季（图9）。然而，这一次显著的次季节周期并非完全由降水的周期造成，可能与土壤的其它特性有关。
图 9 中国东部两个代表站土壤湿度的小波分析（a）六合站（b）淳安站（Zhou Y, Dong X，Chen HS, et al. 2020 Climate Dynamics）
（2）发现土壤湿度对东亚夏季风次季节进程中的降水有重要反馈作用并揭示了相关的影响机理。研究发现，土壤湿度在东亚夏季风次季节进程中对后期降水具有重要的影响。研究通过观测分析发现7月华南地区的土壤湿度与后期（8月）黄淮的降水具有密切的联系，数值模拟进一步证实了上述影响：7月华南土壤湿度异常，通过陆气相互作用造成局地垂直水汽输送变化和潜热加热异常，导致经向环流异常进而对我国8月黄淮流域降水产生影响（图10）。7月华南土壤异常湿润（干燥），由于土壤湿度的记忆性，土壤异常湿润（干燥）能持续到8月，有利于低层大气湿度增加（减小）；在季风垂直环流作用下，地表向中低层大气垂直输送的水汽增加（减弱），增强（减弱）潜热对大气的加热作用，强迫出异常经向环流，导致华南为异常上升（下沉）运动，而在黄淮则为异常下沉（上升）运动，最终引起黄淮流域8月降水减少（增加）。在上述过程中，由于土壤湿度异常导致的地表热力变化和感热加热的作用并没有起到主导的作用，而由于土壤湿度引起的水汽变化及潜热加热是关键，这是对现有认识的一个重要补充。值得注意的是，土壤湿度与降水的次季节尺度相互作用过程在夏季风演变过程中存在显著的差异。成果可以为夏季风和降水的次季节预测提供一定的参考。
图10 华南7月土壤湿度影响8月黄淮降水的可能物理机制示意图（Dong X，Zhou Y，Chen HS, et al. 2021 Climate Dynamics）
主要进展-6：揭示了局地陆气相互作用和欧亚春季融雪对东亚中纬度夏季非均匀增暖的贡献及其影响机理
（1）东亚中纬度是陆面过程影响气候的关键区域，研究发现1990年代中期以来该区域夏季陆面出现了显著的非均匀性增暖现象，尤其以50°N及其以北的贝加尔湖地区的增暖最为显著。
（2）研究 表明与气旋活动减弱相伴随的局地大气强迫和陆面过程反馈对夏季东亚中纬度陆面异常增暖具有重要作用。一方面，陆面异常增暖与局地大气强迫有关：夏季气旋活动偏弱，贝加尔湖及其附近区域为异常高压系统和异常反气旋性环流所控制，大尺度环流产生的异常暖的水平温度平流和下沉绝热增温，有利于陆面异常增暖。另一方面，陆面过程反馈也对陆面增暖有十分重要的贡献:夏季气旋活动偏弱导致云量/降水减少，太阳辐射增加，陆面蒸发冷却减弱，二者共同作用最终导致陆面异常增暖（图11）。研究为深入理解陆面异常增暖的成因提供了新的思路。
图11 陆气相互作用影响东亚中纬度夏季陆面非均匀增暖的物理机制示意（Chen HS, Yu B，et al. 2020 Journal of Climate）
（3）以积雪为切入点，就前期春季欧亚融雪对夏季东北亚陆面异常增暖的影响及相应机制进行了阐释。发现新地岛以南的东欧-西西伯利亚地区春季融雪增多与东北亚夏季地表温度升高存在密切联系。春季融雪会通过土壤湿度与地表热力异常的持续引起大气环流响应与东传波列的加强，进而促进东北亚陆面增暖（图12）。
图12 春季融雪影响东北亚夏季陆面增暖的示意图（Sun Y，Chen HS, et al. 2021 Journal of Climate）
主要进展-7：揭示陆地非均匀增暖影响东亚中纬度地区气旋进而影响东亚夏季风的物理机制
研究发现东亚中纬度地区的表层土壤温度在35年间表现为明显的增暖特征，50°N及其以北的贝加尔湖地区的增暖最为显著，陆地非均匀增暖表现出明显的非均匀性；夏季东亚中纬度气旋生成频率大值区主要位于贝加尔湖以南的蒙古地区，温带气旋生成频率表现出明显的年代际减弱：20世纪80年代气旋生成频率整体偏多，在1990年前后存在转折，20世纪90年代至今一直处于偏少阶段。进一步研究表明东亚中纬度地区的表层土壤温度和温带气旋生成频率的联系十分紧密（图13）：50°N以北关键区表层土壤温度偏高，导致关键区南部气旋源地表层土壤温度经向梯度为负异常，大气斜压性偏弱，这将使时间平均有效位能和涡动有效位能的斜压转换项为负异常，涡动有效位能减弱，涡动有效位能向涡动动能的斜压转换减少，从而使得天气尺度涡动从时间平均气流中获得的能量减少，温带气旋生成频率偏少（图14）。进一步的研究发现90年代初之后，东亚中纬度气旋活动减弱是造成东亚夏季风年代际减弱的一个重要原因。
图13 夏季东亚中纬度区域平均的气旋活动频率（a）、区域平均表层土壤温度（b）时间系统及气旋活动频率（表层土壤温度）回归得到的表层土壤温度（c）（气旋活动频率，d）的空间分布（Chen HS, Teng FD, et al. 2017 Journal of Climate）
图14 东亚中纬度陆面非均匀增暖影响夏季中纬度气旋活动的能量转换示意（Chen HS, Zhang WX, et al. 2019 Journal of Geophysical Research -Atmosphere）
主要进展-8:揭示了西亚春季地表热力异常与我国北方气候的联系及其可能影响机制。
研究发现西亚春季西亚地区的地表热力异常与我国北方气候的联系（图15）。研究发现，西亚地表热力因子可能通过影响大气环流分布并通过遥相关型影响我国初夏东北地区温度和降水。春季西亚陆面热力异常增暖时，初夏中国华北降水异常增多，东北降水异常减少而温度异常升高。进一步研究表明，春季西亚陆面异常增暖可通过加热上空大气激发异常波动向东传播，利于初夏环球遥相关模态增强，导致中国北方上空环流异常，进而影响当地的降水和温度（图16）。
图15 西亚春季陆面温度（SWALT）与中国北方初夏降水（JNCP）SVD第一模态的（a）标准化时间序列（右上角为二者的相关系数，**表示通过了99%的信度检验）及（b-e）异性相关系数空间分布，打点区域通过了90%的信度检验。（Yang JQ， Chen HS， et al. 2021 J Climate）
图16 春季西亚陆面增暖影响初夏中国北方气候机制图。WA、NC和NEC分别代表西亚、中国华北和东北的位置，A和C代表反气旋和气旋型环流异常，粗箭头代表风的方向，200hPa上的细箭头代表Rossby波的传播方向，200hPa上的填色区域表示西风急流（深/浅色分别对应急流的强/弱）（Yang JQ， Chen HS， et al. 2021 J Climate）
主要进展-9：评估了土壤热含量(焓)、土壤湿度和土壤温度在季节性降水预测中的作用
土壤焓（H）综合考虑陆面过程中土壤湿度（w）和土壤温度（T）的变化。比较了H对w和T的敏感性，以及三者在季节性降水预测中的能力。结果表明，T对H的贡 献为正，而w对H贡献的符号受到土壤水相态的影响;深层土壤中w的年际变化较弱，H对T的变化更加敏感。此外，在比较H、w和T在降水（P）预测能力的过程中，H-P表现出较强 的相关性，且最有效的P预测信号存在于初夏P与前期5月H之间（图17）。总之，H较单一的陆面因子而言，能够更加全面地表征陆面热力状况，并具有提高降水预测的能力，为进一步开展以土壤焓表征下的陆面过程研究提供参考。
图17 5月土壤焓(a)、土壤温度(b)、土壤湿度(c)与 6月降水的相关（实点通过 p<0.05的显著性水平）（Zhao CY, Chen HS, et al. 2018 AAS）
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