地表干旱性指数（aridity index，AI；降水比潜在蒸散发）是一个反映陆地长期平均水分与能量特征的指标，但在刻画短时间尺度水分与能量相互作用方面存在局限。为了弥补这个不足，研究基于陆气耦合特性，提出了一个新的地表干旱性分类框架，专注于短时间尺度内的水分供需关系的分析。研究运用条件互信息方法，在排除因子间相互作用的情况下分析了土壤湿度、太阳辐射与蒸散发之间的关联性。研究通过一个的显著性水平阈值（I0），将蒸散发的变化划分为水分限制区、能量限制区及过渡区，并引入一个指标（
）来比较土壤湿度和太阳辐射对蒸散发的作用，进一步细化过渡区的分类（图1）。
利用ERA5-Land再分析数据，研究对比了基于陆气耦合特征的新框架与传统AI干旱指数框架之间的差异（图2）。分析发现，一些过去传统上认为是比较湿润的地区，如长江流域，也可能有部分过渡区存在较强的陆气耦合。在这些区域的雨后干期，土壤湿度的快速下降引起感热增加、温度和水汽压差上升，从而进一步消耗土壤湿度，形成一个正反馈过程，有利于诱发极端高温和干旱事件。相比之下，华南和东北的湿润区域则表现出对干旱和极端高温更强的抵抗能力。新的分类方法能够更准确地刻画这些短期（日尺度）水分和能量相互作用特征对应的地表干旱性分类，而基于长期气候状态的AI指数无法准确捕捉这些特征的空间细微变化。此框架为理解和预测地表干旱性及陆气耦合提供了更准确的新方法，对于应对气候变化带来的挑战具有重要意义。
此外，基于CWRF模式不同参数化方案的模拟，研究还分析了模拟的地表干旱性对于模式参数化方案的敏感性。结果显示，此框架对积云对流方案最为敏感，其次是辐射传输和微物理过程方案，而边界层方案的影响相对较弱。值得注意的是，过渡区作为地表干旱性和陆气耦合分析中的关键领域，对参数化方案变化的响应最为显著（图3）。这一结论对于更准确地模拟水分与能量交互作用，进一步优化参数化方案具有指导意义。
研究近日发表在地学权威期刊GRL，作者为硕士生单昱峰、其导师魏江峰教授，以及昝蓓蕾博士。
图1.基于陆气耦合特征的地表干旱性划分框架的(a)定义和(b)示意图。D、T和W分别表示干旱、过渡和湿润区域；第二层符号使用下标E和W分别表示能源受限和水分受限条件；C和M分别用来代表控制因素和主要因素；d表示SM和ET的脱钩，而eq表示SM和Rs对ET同等重要
图2. 基于ERA5-Land再分析资料的地表干旱性空间分布。(a) 基于陆气耦合特征，(b) 基于长期气候平均的AI干旱指数；图(a)中，根据图1所定义的标准，地区被划分为六个不同的类别，而图(b)中的AI指数分类遵循联合国环境规划署（UNEP）的标准分类规则；图(c)-(f)展示了华南（I）、长江中下游（II）、华北（III）和东北（IV）部分区域在雨后干期的气象要素变化特征；阴影和误差条表示每个干燥日的一个标准差范围
图3. CWRF模拟中不同（a）积云对流，（b）微物理，（c）辐射和（d）边界层参数化方案模拟的地表干旱分区标准差。不同的颜色方案代表着地表干旱条件，橙红色表示水分控制的干旱区，蓝色表示过渡区，黄绿色表示能量控制的湿润区
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Shan, Y., Wei, J., & Zan, B. (2024). Improving estimates of land–atmosphere coupling through a novel framework of land aridity classification.Geophysical Research Letters, 51, e2023GL106598. https://doi.org/10.1029/2023GL106598
