淮河流域表層土壤濕度時空特征及其與地面降水的關系

黃勇，邱旭敏，黃國貴

1. 安徽省氣象科學研究所 安徽省大氣科學與衛星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031；2. 壽縣國家氣候觀象臺，安徽 壽縣 232200；3. 天津市濱海新區氣象局，天津 300457

淮河流域表層土壤濕度時空特征及其與地面降水的關系

黃勇1,2，邱旭敏3，黃國貴2

1. 安徽省氣象科學研究所 安徽省大氣科學與衛星遙感重點實驗室，安徽 合肥 230031；2. 壽縣國家氣候觀象臺，安徽 壽縣 232200；3. 天津市濱海新區氣象局，天津 300457

土壤濕度是陸面與大氣能量和物質交換的關鍵物理量，除地面觀測外，衛星遙感也是獲取土壤濕度的重要手段。本文針對歐洲衛星氣象中心（EUMETSAT）基于衛星遙感而研發的面向水文氣象衛星應用產品（H-SAF）中的土壤水分指數（SM-DAS-2）產品，分析產品在淮河流域土壤水分監測中的適用性，為在淮河流域利用該產品開展農田生態監測奠定基礎。首先，分析了該產品監測得到的中國土壤表層水分空間分布特征，在此基礎上，總結淮河流域表層土壤濕度的時空分布特征；并結合中國氣象局發布的中國逐日降水量格點化產品，分析表層土壤濕度與降水量之間的相關關系，最后通過分析淮河流域土壤濕度與地面降水之間的對應關系，探討土壤濕度對降水的響應時間。從分析結果來看，對于全國而言，該產品能夠有效地反映出土壤濕度的分布特征，并且能夠刻畫出較細致的空間分布規律。在淮河流域，土壤濕度產品和人工觀測數值之間具有性較好的相關性（相關系數為0.51，通過置信度0.05的t檢驗），但SM-DAS-2產品指數偏低（SMDAS-2產品的年均值為0.6，地面觀測站監測的表層土壤濕度為0.69）。表層土壤濕度總體上保持“南高北低”空間分布特征，并且空間分布存在著季節性差異。山區和河流附近區域是土壤濕度的高值中心，這一特征在夏秋兩季最為顯著。表層土壤濕度與降水之間存在顯著的相關關系，而在山區和河流附近，兩者間的相關性變差。從時間上看，夏季是淮河流域表層土壤濕度與同期降水相關性最好的季節，總體上降水發生3 d以后表層土壤濕度才會對降水的變化產生響應，土壤濕度對降水變化的響應時間最長能延長到10~15 d。

淮河流域；SM-DAS-2；土壤濕度；降水

土壤濕度作為陸面與大氣能量和水分交換研究中的關鍵物理量，一直備受重視。Delworth et al.（1988）研究表明，在大陸上，土壤濕度和雪蓋對于氣候的“記憶效應”的作用幾乎同等重要。Dirmeyer（2000）通過GCM模式模擬，認為在干濕氣候的過渡地區土壤濕度對提高降水的可預報性具有較大意義。符淙斌等（1995）也指出氣候過渡帶在環境變化中比較敏感，氣候變率更加顯著。孫丞虎等（2005）通過分析中國東部1990—2000年旬平均土壤濕度的時空分布特征指出，表層土壤濕度異常的第一旋轉空間模態出現在淮河流域，正是淮河流域地表層對氣候變率最為敏感的反映。周娟等（2017）研究表明，土壤濕度與高原季風之間也存在顯著相關關系。李潤春等（2017）認為，渭河流域前一年秋季和當年春季土壤濕度與東亞夏季風強度指數呈顯著正相關，秋季和春季陸面土壤濕度狀況對東亞夏季風的強弱有正反饋的作用。此外，青藏高原的土壤濕度對中國東部地區的夏季降水有著顯著影響（李登宣等，2016；王靜等，2016）。以上研究均表明，土壤濕度除對農作物存在顯著影響（董彬，2012；沈振西等，2015；沈振西等，2016；付剛等，2017；）外，還對于天氣氣候有著重要的作用。

歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）和美國環境預報中心（NCEP）的再分析資料，全球土壤濕度計劃的資料（GSWP2），以及國家大氣研究中心（NCAR）利用觀測資料強迫“通用陸面模式”CLM所產生的土壤濕度資料，是幾種較為常用的土壤濕度資料。國內外學者也對4種土壤濕度資料的應用做了大量分析研究。張文君等（2008）對4種資料在中國的可靠性做了詳細分析。崔文瑞等（2009）對ECMWF的ERA40和NCEP的R-1中黑河流域的再分析資料進行對比分析。胡婭敏等（2009）將GSWP2資料同化進區域氣候模式BCC_RegCM1.0（簡稱RegCM）的土壤濕度場中，改進了區域氣候模擬。郭維棟等（2007）通過將一個土壤濕度反演模型引入IAP跨季度氣候預測系統中，探討了土壤濕度應用于季節降水預測的可行性及效果。王迪等（2015）對CLM4.5數據集的分析表明，CLM4.5存在高估表層土壤濕度的現象。

隨著衛星遙感技術的發展，越來越多的主被動微波傳感器資料在土壤濕度估計中得到了深入的應用。包括：2009年歐洲太空局（ESA）發射的土壤濕度與海水鹽度衛星SMOS；2015年美國國家航天局（NASA）發射的SMAP（Soil Moisture Active and Passive）衛星；以及Metop衛星上搭載的ASCAT（Advanced Scatterometer）和Aqua衛星上搭載的AMSR-E（Advanced Microwave Scanning Radiometer-Earth Observing System）（張秀英等，2010；蘭鑫宇等，2015；李哲等，2017）。這些衛星和探測器都為大范圍的土壤濕度數據收集提供了基礎的遙感觀測數據。

根區土壤水分指數（SM-DAS-2）產品，是歐洲衛星氣象中心（EUMETSAT）組織研制的一套土壤濕度產品。該產品是面向水文的氣象衛星應用產品（H-SAF）之一，通過同化ASCAT反演的表層土壤濕度產品后得到。作為一種土壤濕度資料，在歐洲經過地面觀測數據對比分析得出，同化后的土壤水分產品比ASCAT數據直接反演的土壤水分產品具有較小的偏差和均方根誤差。反演得到的地表土壤水分（表層2 cm）被向下擴展到地表下2.89 m，提供了4層土壤水分產品，分別是0~7、7~28、28~100、100~289 cm。

本文主要應用SM-DAS-2產品分析土壤濕度的時空特征及其與降水的相關性，以更好地應用這種土壤濕度數據。考慮到淮河流域為干濕氣候過渡帶，其表層對氣候變率最為敏感，且SMDAS-2產品中表層以下均由模式模擬得到，因此主要探討淮河流域表層土壤（0~7 cm）與降水的相關性。

1 資料和方法

所用資料包括土壤水分指數（SM-DAS-2）產品的表層（0~7 cm）土壤單位體積含水量，以及空間分辨率。該降水產品基于中國2419國家級地面氣象站日降水量觀測數據，采用“基于氣候背景場”的最優插值方法，實時生成格點化產品（沈艷等，2010）。

在分析土壤濕度與降水間相關關系時，分別計算時間相關系數和空間相關系數，并計算時滯相關系數。由于SM-DAS-2產品的空間分辨率0.225°×0.225°與日降水產品0.25°×0.25°的空間分辨率不相匹配，在計算空間相關系數時，以0.25°×0.25°降水網格為基準，采用間接重采樣的方法，將SM-DAS-2產品處理成0.25°×0.25°的產品，使之與降水產品的空間分辨率相一致，在此基礎上計算兩者的時空相關系數。

空間相關系數計算公式：

式中，A表示土壤濕度，B表示降水量；A 表示土壤濕度的空間平均值，B表示降水量的空間平均值；i，j為區域內網格點的橫、縱坐標，N、M為橫、縱向網格點的總數。

時間相關系數計算公式：

式中，A表示土壤濕度，B表示降水量；A 表示土壤濕度的時間平均值，B表示降水量的時間平均值；i表示一年中的第i天。

2 土壤濕度分布特征

圖1 中國區域土壤濕度指數年平均空間分布圖Fig. 1 Spatial distrbution of soil moisture index for China and nearby

圖1 為2012年SM-DAS-2土壤水分指數產品中表層土壤濕度指數全年平均值的空間分布。從圖中可以看出，表層相對濕度總體上呈現南高北低的空間分布，長江以南的區域為土壤高濕度區域，最大值中心區域位于中國西南中部（四川省一帶）；濕度最小的區域位于西北地區新疆、甘肅到內蒙西部一帶和青藏高原西北部。另外，中國東北地區土壤濕度也相對較高，遼寧—吉林一帶處于土壤濕度相對較高的中心。孫丞虎等（2005）利用1990—2000年狀況較好的中國114站的土壤濕度（土壤重量含水百分率）資料，得到中國土壤濕度空間分布的氣候特征：0~50 cm各層土壤濕度均呈“兩濕一干”分布，其中，東北、華東較為潮濕，華北則較為干燥，尤其河套地區是土壤干中心。與空間分布的氣候特征相比，SM-DAS-2土壤水分指數產品的空間分布特征總體上相似，但存在局部差異。與地面觀測站得到的氣候特征相比，SM-DAS-2產品的差異主要表現在，（1）干中心位置和濕區極值中心位置不同；SM-DAS-2產品的干中心主要位于西北地區和青藏高原西北部，濕區極值中心位于位于四川省一帶。（2）SM-DAS-2產品刻畫的空間分布更加細膩。這主要是因為地面站點的數量較少（114個）、空間分布不均勻（缺少西北地區的觀測站），導致氣候特征的空間分辨率和代表性不足，難以刻畫細致的空間分布，以及西北地區的土壤濕度分布。

從不同季節的空間分布（圖2）來看，空間分布規律總體上與年均分布相近，呈現出南高北低的特征。從馬思源等（2016）對歐洲航天局（European Space Agency）和歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）兩套再分析土壤濕度產品的對比分析結果來看，SM-DAS-2產品在春、夏、秋3個季節的土壤空間分布與這兩套再分析資料的結果相近，也就是SM-DAS-2產品能夠反映出中國春、夏、秋3個季節土壤濕度的分布情況。另外，就冬季而言，在40°N以北的區域以及青藏高原和西部地區，SM-DAS-2產品所獲取的數值均低于0.1，土壤濕度小。冬季地面積雪、結冰、凍土等現象均會影響微波遙感探測土壤濕度的能力，而SM-DAS-2產品是以被動衛星微波遙感探測為基礎的土壤濕度產品，故該產品會受到冬季地面積雪、結冰、凍土等因素影響而在中國北部、西部以及青藏高原地區表現出大范圍的低值中心。此外，在SM-DAS-2產品空間分布圖中，還存著一些空白的區域。由于地表水體對土壤濕度的微波反演也存在一定影響，在計算過程中需要剔除地表水體的影響。因此，SM-DAS-2產品中剔除了內陸大面積湖泊的土壤濕度反演數據，在空間分布圖中形成了一些零星分布的空白區域。

圖2 中國區域不同季節土壤濕度指數的空間分布Fig. 2 Spatial distrbution in difference season of soil moisture index for China and nearby

圖3 淮河流域全年平均的土壤濕度指數（左）和日降水量（右，單位：mm）空間分布Fig. 3 Spatial distribution of soil moisture (Left) and precipitation (Right, Unit: mm) for Huaihe River Basin and nearby

淮河流域作為干濕地區的過渡帶，干濕度隨季節變化明顯。從全年平均的空間分布（圖3左）來看，淮河流域的土壤濕度總體上呈現隨緯度升高而降低的“南高北低”空間分布規律。其中，淮河流域中部洪澤湖一帶出現了一個濕度大值中心。與地面觀測站監測的表層土壤濕度相比，2012年兩者相關性較好（相關系數為0.51，通過置信度0.05的t檢驗），但SM-DAS-2產品指數偏低（SM-DAS-2產品的年均值為0.6，地面觀測站監測的表層土壤濕度為0.69）。

日降水量分布（圖3右）也呈現“南高北低”空間分布規律，即空間分布上，土壤濕度和日降水量之間總體上有著較好的一致性：降水量大的區域，土壤濕度大；反之，降水量小的區域，土壤濕度小。

春季，淮河流域土壤濕度具有顯著的緯向分布特征（圖4左），隨著緯度的升高，土壤濕度逐漸降低。與全年平均土壤濕度的分布（圖3左）相比，洪澤湖附近的濕中心不是很顯著。日降水量的分布（圖3右）與土壤濕度保持很好的一致性。

夏季，淮河流域的土壤濕度呈現出多個高值中心，且隨緯度升高、土壤濕度降低的特征也不顯著（圖4）。淮河流域及周邊區域內，存在多個主要的濕區中心，分別位于淮河中部和東北部、大別山區、皖南山區、長江中游、山東丘陵區以及伏牛山附近。從降水的空間分布（圖4右）來看，大降水中心主要位于大別山區、皖南山區、長江中下游、淮河流域東部，以及淮河流域北側局部區域。從空間分布來看，除淮河東北部、大別山區和皖南山區這3個高濕度的區域存在相對應的大降水中心外，淮河中部、長江中游、山東丘陵區以及伏牛山附近的高濕度區域，未出現相應的大降水中心。也就是說，在夏季土壤濕度的空間分布與日降水量之間存在的一定的差異。長江中游、淮河中部均為主河道附近，長江和淮河周邊區域土壤相對較濕，即使在本地無大降水的情況下，上游的來水也能使得這些區域具有較高的土壤濕度。就山東丘陵區和伏牛山而言，山區內的植被覆蓋降低了土壤水分的蒸發，從而導致區域內的土壤具有相對較高的濕度。

秋季，土壤濕度的空間分布與夏季較為相似，只是伏牛山和山東丘陵的高值中心消失，并且在土壤濕度的數值上總體有所降低。降水的空間分布總體呈現“南多北少”，但是在淮河流域東部出現了2個降水大值中心。降水和土壤濕度的空間分布特征大體相似，但存在一些差異。主要表現為，（1）大別山區和大別山區的高土壤濕度區，均未對應有大降水中心；（2）沿淮區域出現的高濕度中心也未對應有大降水中心。淮河以南山區的植被降低了土壤水分的蒸發，故雖然大別山區和皖南山區的降水量不是區域最大，但其土壤濕度卻是區域最高的。淮河中的大量水體是造成沿淮區域土壤濕度偏高的主要因素。

圖4 淮河流域季節平均土壤濕度（左）和降水（右，單位：mm）的空間分布Fig. 4 Spatial distribution of soil moisture index (Left) and precipitation (Right, Unit: mm) in difference season in Huaihe River Basin and nearby

就冬季而言，土壤濕度在總體保持“南高北低”這種分布規律的基礎上，還在長江中游、皖南山區和沿淮出現了3個高濕中心。受冬季固態降水的影響，多數緯度偏北的觀測都難以有效評估包含了固態降水的降水總量，因此日降水產品的空間分布特征僅反映降水的大致分布（維持“南高北低”的特征），難以細致地刻畫出區域內降水的情況。因此，也就無法通過土壤濕度和降水的空間分布來評估土壤濕度和降水的相關性。

以上分析表明，SM-DAS-2產品能夠有效地描繪出中國土壤表層水分含量的空間分布，就淮河流域而言，土壤濕度呈現出了“南高北低”的特征，并且在山區和河流附近（沿長江、沿淮河），土壤表層的水分含量較高。從表層土壤濕度與降水量空間分布的對應關系來看，總體上兩者具有較好的對應關系，但這種對應關系在山區和河流沿岸存在著不一致性。

圖5為淮河流域逐日土壤濕度與降水量的時序圖，從圖中可以看出，總體上土壤濕度對降水有較好的響應，降水過程發生后，大部分土壤都出現了濕度增加的現象。但是，夏季流域內存在著土壤濕度隨降水發生而持續降低的現象。如2012年7月初，雖然有間斷性的降水發生，但是土壤濕度卻出現了持續的降低。由于7月初淮河流域處于梅雨期，持續性的降水使得淮河流域的土壤濕度出現了飽和（土壤濕度指數接近1）。土壤飽和以后，降水過程無法再增加土壤濕度，而是形成地表匯流向主河道匯集。這也是造成7月初土壤濕度與降水之間相關關系較差的主要原因：土壤中水分飽和以后，降水無法再補充土壤水分。而在其他季節，由于土壤中的水分沒有達到飽和，降水的發生能夠有效地補充土壤中的水分，使得土壤濕度增加，此時土壤濕度與降水量之間具有很好的對應關系。

3 土壤濕度與降水之間的關系

為進一步了解淮河流域土壤濕度與降水之間的關系，選取相關系數評判兩者之間的同步關系。圖6所示為淮河流域及周邊地區逐日土壤濕度與降水量之間相關系數的空間分布。總體上，土壤濕度與降水呈顯著正相關，且都通過了置信度0.05的t檢驗。區域內相關性最好的區域位于淮河流域中部和西部地區。

圖6 全年土壤濕度與降水間相關系數的空間分布Fig. 6 Spatial distribution of the correlation coefficient between soil moisture and precipitation

從4個季節相關系數的空間分布（圖7）來看，春季相關系數最大的區域位于長江中游附近，此外在淮河流域東南側（長江下游）、山東丘陵和伏牛山附近分別存在1個相關系數大于0.5的區域。沿淮流域西北部及西側山區土壤濕度和降水之間相關程度較低，相關系數在0.2以下，部分區域相關系數接近0，表示無相關性。

夏季的相關性最好，淮河流域大部分區域的相關系數都大于0.6，北部地區相關系數超過0.9，表現出很好的一致性變化。但是，在長江流域（包括中游和下游），兩者的相關系數較低。尤其是在長江下游，相關系數小于0.2，部分區域接近0。

秋季是一年四季中土壤濕度和降水相關性最差的季節，大部分區域相關系數都在0.2~0.4之間，只有極個別小區域的相關系數超過0.4。此時，長江中游土壤濕度和降水的相關性最大，而大部分區域相關系數都小于0.2。

圖5 土壤濕度指數與降水量的逐日變化Fig. 5 Time series of soil moisture index and precipitation

圖7 不同季節土壤濕度與降水間相關系數的空間分布Fig. 7 Spatial distributions in different seasons of correlation coefficient between soil moisture and precipitation

冬季土壤濕度和降水相關系數呈現“南北低、中間高”的分布特征，相關性最好的區域位于研究區域的中部，其中，淮河流域西側山區的相關系數最大，相關系數最大值超過0.6。相關系數最小的區域位于淮河流域西北部，最小值接近0，表示無明顯相關性。另外，在長江下游，相關性也較差，相關系數在0.3以下，部分區域低于0.1。

圖8 淮河流域土壤濕度和降水量相關系數時序圖Fig. 8 Time series of correlation coefficient between soil moisture and precipitation

圖9 時滯相關系數（負X軸為降水超前，正X軸為降水滯后）Fig. 9 Lag correlation coefficient (negative X axis: precipitation ahead, positive X axis: precipitation lag)

從相關系數的逐日變化（圖8）可知（注：流域降水為0時，無法計算當日相關系數，因此對其作滑動平均處理），土壤濕度與當日降水間的相關關系存在著明顯起伏式變化，但總體上存在顯著的相關性。從時滯相關系數（圖9）可知，當降水超前土壤濕度時，可維持10~15 d的顯著正相關；而當降水落后土壤濕度時，能維持3~55 d的顯著正相關。同時，從圖9中可以看出，在降水超前3 d時，相關系數最高。也就是說，降水發生后，大多數情況下3 d以后表層土壤濕度才會對降水的變化產生響應。土壤濕度對降水變化的響應時間最長能延長到10~15 d。

4 結論

利用歐洲衛星氣象中心（EUMETSAT組織）的SM-DAS-2土壤水分指數產品，在對比分析了土壤濕度空間分布特征與已有研究成果之間一致性的基礎上，討論了淮河流域表層土壤濕度的空間分布特征，及其與降水之間的關系。結果表明：

（1）SM-DAS-2土壤水分指數產品能夠較好地反映中國表層土壤濕度的空間分布規律，并且具有較高的空間分辨率，能夠刻畫出較細致的空間分布特征。

（2）淮河流域的表層土壤濕度總體上呈現“南高北低”的空間分布特征，并且還存在著季節性變化。山區和河流附近土壤濕度都較高，并且這一特征在夏秋兩季最為明顯，冬季最不顯著。

（3）淮河流域降水與表層土壤濕度有顯著的季節性特征，且二者空間分布特征較為相似；但對于山區和河流附近土壤而言，降水與土壤濕度間的關系存在著不一致性。夏季是淮河流域表層土壤濕度與同期降水相關性最好的季節，春秋季節較差。

（4）對于淮河流域而言，總體上在降水發生3 d以后表層土壤濕度才會對降水的變化產生響應。土壤濕度對降水變化的響應時間最長能延長到10~15 d。

致謝：感謝歐洲衛星氣象中心和國家氣象信息中心數據服務網提供的土壤濕度和網格化降水產品；感謝審稿專家提供的寶貴意見。

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HUANG Yong, QIU Xumin, HUANG Guogui.

The Relationship between Surface Soil Moisture and Precipitation in Huaihe River Basin

HUANG Yong1,2, QIU Xumin3, HUANG Guogui1,2
1. Anhui Meteorology Institute Anhui Key Lab of Atmospheric Science and Remote Sensing, Hefei 230031, China; 2. Shouxian Climatology Observatory, Shouxian 232200, China; 3. Tianjin Binhai New Area Meteorological Bureau, Tianjin, 300457, China

Soil moisture is a key factor for the energy and matter exchange between land surface and atmosphere. In addition to the field observation, satellite remote sensing is also an important method for the soil moisture measure. In this study, the soil moisture index in the roots region product (SM-DAS-2) which is developed by EUMETSAT Hydrology Satellite Application Facility (HSAF) is applied in Huaihe River Basin, and the applicability of this produce in soil moisture monitoring is analyzed to provide better foundation for the application of this product. In this paper, the ability of monitoring the soil moisture over China is analyzed at the first step. And then, the spatial and temporal characters of soil moisture in Huaihe River basin were studied, and its relationship with the precipitation was analyzed with daily precipitation products from China Meterological Administration (CMA). At last, the relationship of SM-DAS-2 and precipitation is calculated to discuss the response time of soil moisture to precipitation downloaded from CMA. As the results shown, SM-DAS-2 data could embody the spatial characteristics of soil moisture distribution in China. As to Huaihe River Basin, the soil moisture indexes of SM-DAS-2 were similar to the observed data in Meteorology Observatory (correlation coefficient was 0.51, which was tested by T with confidence level of 0.05). But soil moisture indexes of SM-DAS-2 were lower than observation data (annual data of SM-DAS-2 was 0.6, and the observation data was 0.69).The surface soil moisture shows a “Dry North, Wet South” pattern, and it was changed with season. The wet center is located in the mountain and the river areas which are stronger in summer and autumn. The study also shows that the soil moisture was obviously increasing with the rainfall. However, the relationship was less obvious in the mountain and the river regions. In summer, this relationship is even stronger when compared with other seasons. In general, the surface soil moisture response 3 days after the rainfall. And the longest period of rain affecting surface moisture could be 10~15 days later.

Huaihe River basin; SM-DAS-2; soil moisture; precipitation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.04.003

P933; X16; X14

A

1674-5906（2017）04-0561-09

黃勇, 邱旭敏, 黃國貴. 2017. 淮河流域表層土壤濕度時空特征及其與地面降水的關系[J]. 生態環境學報, 26(4): 561-569.

國家自然科學基金項目（41275030）；公益性行業（氣象）科研專項（GYHY201306040）；安徽省自然科學基金項目（1508085MD64）；中國氣象局項目（CMAGJ2015M28）

黃勇（1980年生），高級工程師，博士，主要從事大氣遙感應用技術研發工作。E-mail: hy121_2000@126.com

2017-01-06