中國南方春季土壤濕度對夏季干熱少雨復合事件的影響

摘要 針對中國南方極端氣候事件成因，本研究綜合考慮高溫、少雨和干燥三種極端事件，將其異常同時超出1959—2022年間1倍年際標準差定義為干熱少雨復合事件，通過合成分析和相似環流-動力調整方法，研究了春季土壤濕度對夏季干熱少雨復合事件的影響及物理機制，進一步對2022年夏季南方極端干熱少雨復合事件開展深入分析。結果表明：1）中國南方地區春季土壤濕度與夏季氣候局地耦合的熱點與2022年夏季氣溫、降水和相對濕度的變率高值區基本吻合;2）春季長江流域及黃淮地區土壤偏干，且東南地區偏濕時，夏季出現干熱少雨復合極端事件概率加大;3）春季土壤濕度通過調節局地蒸散和凈輻射能量的分配影響夏季氣候變率。本研究對改善干熱少雨復合事件的預測具有重要參考價值。

關鍵詞中國南方地區;復合極端事件;土壤濕度

在全球氣候變暖的背景下，氣候系統的不穩定性加劇，高溫、干旱等極端天氣氣候事件頻發。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次評估報告（AR6）全面評估了全球干旱熱浪復合事件的演變并歸因后，認為未來區域性復合事件發生概率將進一步升高（IPCC，2021）。高溫、少雨和干燥天氣往往是同時發生的，而這種復合極端事件對于人類和自然系統造成的損害，往往遠超過熱浪或干旱的單獨影響。高溫干燥條件可能會引起工廠爆炸、森林火災等災害發生，對于農業種植、水力發電等產業均有顯著影響。此外，近地面相對濕度還是影響氣溶膠光學效應、霧霾天氣的形成以及人體舒適度的關鍵要素（高慧等，2012;丁一匯和柳艷菊，2014）。氣候模式模擬研究結果表明，增暖背景下極端高溫和干旱事件同時發生的概率更高，平均降水的趨勢決定了未來復合干熱事件是否發生（Bevacqua et al.，2022）。我國相對濕度隨氣溫升高呈現下降趨勢，限制水汽輸送能力，使得極端降水概率對氣溫的響應呈拋物線式結構，若溫度峰值升高3～5 ℃引起響應曲線右移，則21世紀末中國暴雨量級將增長20％～30％（尹家波等，2021）。

2022年夏季北半球多地區經歷極端高溫事件，歐洲西班牙、法國等地遭遇高溫、干旱、野火肆虐，高溫導致超2 000人死亡。2022年我國暖干氣候特征明顯，春、夏、秋三季氣溫均為1951年以來的歷史同期最高，同時7月降水為歷史同期第二少（中國氣象局國家氣候中心，2023）。據水利部2022年8月17日發布會可知，長江流域降雨量較常年同期偏少4.5成，高溫少雨使得長江流域旱情發展迅速，四川、重慶、湖北、湖南、江西、安徽6省（市）耕地受旱面積1 232萬畝，83萬人、16萬頭牲畜供水受到影響（http：／／www.mwr.gov.cn／xw／slyw／202208／t20220817_1591663.html）。作為我國糧食主產區之一，長江流域水稻等秋糧作物的生長受到旱情影響，一季稻灌漿結實率下降。長江流域干流、支流水位下降甚至斷流，鄱陽湖、洞庭湖等水位持續下降，為歷史同期最低，淺灘和湖周干涸面積擴大，對湖區水產養殖、農業生態系統造成嚴重影響。

土壤濕度是陸面過程中的關鍵要素，其變化對氣候預測具有重要意義（Delworth and Manabe，1989;林朝暉等，2008）。研究表明，亞洲夏季土壤濕度-降水耦合強度與土壤濕度閾值緊密相關，在年際尺度上前期土壤濕度的異常可能對降水產生極大影響（Liu et al.，2017）。由于土壤濕度反饋的非對稱性，在全球變暖背景下，其變化引起的陸面熱力異常對極端高溫和暴雨事件的發生概率存在顯著影響（馬柱國等，2000;Fischer et al.，2007;Orth and Seneviratne，2017）。中國東部地區，春季土壤濕度異常顯著影響夏季氣溫和降水異常（梁樂寧和陳海山，2010;李忠賢等，2012）。基于多源土壤濕度的統計預測模型研究表明，春季華南及中國東北北部土壤濕度偏干（濕），且中國西北偏濕（干）時，對應華南東部夏季極端高溫偏高（低），江淮偏低（高）（宋耀明等，2019）。也有研究表明，當春季華北到江淮地區土壤偏濕時，夏季長江中下游降水將偏多，而東南地區的降水則將偏少（Zhang et al.，2017）。

以往研究中針對我國夏季高溫和少雨極端事件的工作不在少數，而對與人體舒適度和作物生長緊密相關的近地面相對濕度的關注則相對不足。近幾十年來，我國的高速城市化進程使得裸土面積縮小，夏季相對濕度整體呈降低趨勢，且城區相比于郊區更加干燥（劉熙明等，2006）。醫療氣象研究表明，城市平均氣溫、相對濕度及其共同作用對呼吸系統疾病就診人數有顯著影響（王敏珍等，2016）。我國南方地區人口和建筑密集，城市熱島和干島效應并存（史軍等，2011），對于干熱少雨復合事件的研究迫在眉睫。

本研究以中國南方地區為研究區域，利用1959—2022年大氣再分析逐月數據，通過合成分析和相似環流-動力調整方法分析研究了春季土壤濕度異常對夏季干熱少雨氣候的影響過程及機制，并進一步針對2022年夏季南方地區高溫少雨干燥復合極端事件，深入探討了春季土壤濕度異常在此類事件形成中的作用。針對干熱少雨復合極端事件的研究對于有效防范其引發的各類災害和安全事故，切實保障人民群眾生命財產安全和維護社會生產秩序具有重要意義。

1 數據與方法

1.1 數據

本研究利用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF，European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）全球氣候的第五代大氣再分析數據（ERA5），其空間分辨率為0.25°×0.25°（Hersbach et al.，2020）。ERA5數據中氣溫、降水和土壤濕度等變量在中國適用性已經得到廣泛驗證（劉維成等，2022;姚飛等，2022），并發現同時能較好地捕捉極端事件的特征（劉婷婷等，2022）。選取1959—2022年6—8月2 m氣溫、2 m露點溫度、地面氣壓、總降水、500 hPa位勢、蒸發、感熱通量、潛熱通量、凈短波輻射、凈長波輻射，和3—5月0～7cm體積土壤含水量的月值數據。其中，500 hPa位勢的空間范圍為20°E～180°、0°～60°N，其余變量的范圍為100°～130°E、15°～35°N。

1.2 方法

由于ERA5數據沒有近地面相對濕度變量，本研究利用2 m氣溫、2 m露點溫度和地面氣壓，由實際水汽壓與飽和水汽壓的比值求得近地面相對濕度。采用修正的Tetens公式計算飽和水汽壓（劉健文，2005），則有：

其中：Rh為相對濕度（單位：％）;e為實際水汽壓（單位：hPa）;es為飽和水汽壓（單位：hPa）;t為2 m氣溫（單位：℃）;td為2 m露點溫度（單位：℃）。

對于極端氣候研究而言，氣候要素的變率相對于其絕對值更為重要。因此，在開展分析之前，先對各要素計算出相對于1959—2022年夏季平均的距平，并去除其線性趨勢。本研究中利用夏季（6、7、8月）平均的去趨勢后氣候要素距平作為年際和年代際變率的指標。極端事件年定義為某個夏季變量去趨勢后的距平絕對值超出1959—2022年夏季1個標準差的年份。其中，高溫年、少雨年和干燥年分別為氣溫正距平、降水負距平、相對濕度負距平的絕對值大于各自在研究時段內的1個標準差的年份，將同時滿足上述三個條件的年份定義為干熱少雨復合年。

基于相似環流型（Constructed Circulation Analogs）的動力調整方法（Dynamic Adjustment Approach）（簡稱CCA-DA方法）被廣泛地用于確定和分離氣候要素場中大氣環流的貢獻（Deser et al.，2016;Saffioti et al.，2016;郭瑞霞，2019;陳玥等，2022;Chen et al.，2023）。例如，Chen et al.（2023）采用CCA-DA方法定量分離了1980—2019年大氣環流對亞洲中低緯度地區夏季陸地降水的貢獻，研究表明大氣環流決定了夏季陸地降水的量級，而陸地-大氣耦合效應則主導了降水的趨勢，兩者對降水的年際變率同等重要。對于我國1979—2021年7月中國東部降水異常的動力調整強調了局地熱力作用對夏季極端降水的重要影響，同時由局地熱力因子變化引起的降水余項主導了2021年7月江淮到長江下游地區的異常強降水（陳玥等，2022）。

在上述工作的基礎上，本研究利用1959—2022年夏季平均ERA5中的500 hPa位勢高度作為大尺度環流因子，分別對去趨勢后氣溫、降水和相對濕度的距平進行動力調整。選擇環流因子500 hPa位勢高度場的范圍時（20°E～180°，0°～60°N）充分考慮了上游的主要影響系統（Merrifield et al.，2017），并將高緯大氣和海洋上空的影響系統的作用也包含了進來。在除目標年份外的所有63個位勢高度場中隨機選取50個，對目標年份的500 hPa位勢高度做最優線性擬合，得到最優線性擬合系數及最優擬合環流型。將上述最優線性擬合系數應用到與對應的50組氣溫、降水和相對濕度場，分別得到由大氣環流引起的距平分量。將上述隨機擬合過程重復100次，得到100組最優擬合環流型，其均值即為目標年份的相似環流，相應地100組環流對應的氣溫、降水、相對濕度距平分量場的均值則為其環流分量。三要素總距平與環流分量的差值稱為其余項。關于CCA-DA方法更詳細的介紹具體參照Chen et al.（2023）。

2 2022年夏季中國南方夏季干熱少雨復合事件

圖1a—c分別為2022年夏季我國南方地區（100°～130°E，15°～35°N）氣溫、降水和近地面相對濕度去趨勢距平的分布，其中參考氣候態為1959—2022年平均。從圖1a可以清楚看出，以長江流域為中心存在一條東西走向的高溫帶，升溫中心主要位于四川盆地附近。同時，長江流域降水相對于多年均值顯著偏少，從黃淮到南嶺以北地區呈經向“正-負”偶極子分布。降水低值中心位于長江下游和東南沿海地區，高值中心位于兩廣地區（圖1b）。近地面相對濕度的變化與氣溫和降水緊密相關，其分布近似與氣溫反位相，與降水同位相。長江流域相對濕度均偏低，其中四川盆地的濕度異常最大（圖1c）。進一步，通過分析1959—2022年夏季平均的相對濕度與氣溫、降水去趨勢距平的對應關系（圖1d）可知，相對濕度的異常與氣溫和降水異常的綜合變化緊密相關，其符號并非僅由氣溫或降水異常單獨決定。2022年夏季的情形位于第四象限，且相對濕度顯著偏低。也就是說，2022年夏季氣溫、降水和相對濕度的異常均遠超1959—2022年平均狀態，處于三種極端事件疊加的情形，表現出干旱少雨干燥復合極端事件的特征。

圖2為1959—2022年春季土壤濕度變率與夏季氣溫、降水和相對濕度點對點的線性相關系數的分布，可以看出，春季土壤濕度與夏季氣候要素高相關（耦合較強）的區域與分別2022年3要素變率高值區（圖1）有較好的對應關系。春季土壤濕度與夏季氣溫普遍呈負相關，高相關區主要位于西南地區和長江以北，2022年氣溫距平高值中心（圖1a）均處于顯著相關區域內。春季土壤濕度與夏季降水在長江上游和下游地區、廣東沿海地區顯著正相關，這些區域在2022年夏季都出現了較強降水異常（圖1b）。春季土壤濕度與夏季近地面相對濕度在整個研究區域內普遍顯著正相關，其中，四川盆地附近相關系數可達0.5以上，表明此區域的春季土壤濕度與夏季相對濕度關系緊密。對比圖1和圖2可以得出上述定性結論，系統研究春季土壤濕度對夏季氣候要素影響，及定量化貢獻需要進一步深入分析。

3 春季土壤濕度對夏季干熱少雨復合事件的影響

3.1 春季土壤濕度影響四類極端事件的熱點

圖3為1959—2022年，中國南方區域平均標準化后的春季淺層土壤濕度、夏季氣溫、夏季降水和夏季相對濕度時間序列。為了研究春季土壤濕度在不同類型的極端事件以及復合事件中的作用，分別將氣溫、降水和相對濕度超出一倍標準差的年定義為高溫年、少雨年和干燥年，并進一步將三種極端事件同時發生的年定義為干熱少雨復合年，由此得到1959—2022年期間有8個高溫年（1959、1960、1961、1967、1978、2006、2013和2022年），9個少雨年（1959、1972、1978、2004、2006、2009、2011、2013和2022年），9個干燥年（1959、1967、1972、2005、2006、2009、2011、2013和2022年），4個干熱少雨復合年（1959、2006、2013和2022年）。可以看出，2022年夏季我國南方地區同時具備高溫、少雨和干燥的復合特征。

圖4為分別將上述四類極端事件發生年對應的春季0～7 cm土壤濕度距平進行合成后得到平均分布，可知，四類極端事件對應的中國春季土壤濕度在105°E以西均顯著較高，而在105°E以東普遍較干。同時，長江以北存在一條春季土壤濕度距平的低值帶，沿長江呈緯向分布。此外，四類極端事件對應的春季土壤濕度都在四川盆地存在顯著干中心。四類極端事件對應的春季土壤濕度合成高低值區代表著土壤濕度與夏季氣象要素耦合的熱點。高溫和復合極端事件（圖4a、d）對應著東南沿海地區偏濕的特征，而少雨和干燥事件對應的土壤濕度（圖4b、c）空間異質性較低。也就是說，四種情形均對應著春季長江流域及黃淮地區偏干，若同時伴有東南地區偏濕的分布，則會出現南方地區夏季干熱少雨。考慮這種分布可能與副高位置以及我國主雨帶的推移有關，我們試圖將大尺度環流的作用分離出來，在移除其影響后再探討春季土壤濕度的作用。

3.2 移除環流影響后的土壤濕度作用

以較大范圍500 hPa位勢高度為環流因子，分別對1959—2022年夏季氣溫、降水和相對濕度做基于相似環流型的動力調整，用于研究大尺度環流及去除環流后余項對要素特征的貢獻。類似于圖2的討論，分析春季土壤濕度與夏季氣溫、降水和相對濕度的環流分量和余項之間的相關性（圖5）。春季土壤濕度與氣溫環流分量的相關高值區主要位于長江中游北部地區，在陜西、重慶、湖北北部以及廣東沿海少數地區呈現顯著的負相關，表明這些區域春季土壤濕度對于夏季氣溫的影響是主要是通過調節大氣環流實現的。Fischer et al.（2007）研究發現2003年夏季歐洲地區的負土壤濕度異常引起盛行高壓系統進一步增強，使得熱浪強度加劇，同時抑制了水汽下沉，不利于降水形成。此外，基于大氣環流模式的研究表明，前期土壤濕度的變化可以通過行星波影響大氣環流，引起本地區及下游地區氣候異常（Koster et al.，2014）。2022年夏季西北太平洋副熱帶高壓范圍偏大、位置偏西北、強度偏強，在其作用下，我國南方地區整體受下沉氣流控制，天空晴朗少云，地面輻射吸收較強，使得大范圍高溫天氣持續發生（中國氣象局國家氣候中心，2023）。移除環流作用以后，氣溫距平余項與春季土壤濕度的顯著相關區位于西南地區和長江以南部分地區。而在整個研究區域內，除湖北和福建零星地區外，降水距平的環流分量與春季土壤濕度的相關均不顯著，降水距平余項與土壤濕度的顯著正相關區為一條從湖南到上海的西南-東北走向的帶狀區域，同時在福建沿海部分地區呈顯著負相關。這表明春季土壤濕度對于江南地區降水變率的作用主要是通過影響蒸散發實現的，這一結論與作者前期關于陸面過程對亞洲中低緯度夏季降水變率起主導作用的結論是一致的（Chen et al.，2023）。除四川、貴州、廣東地區外，夏季近地面相對濕度距平的環流分量與春季土壤濕度相關較弱（相關系數不足0.1），而其余項與春季土壤濕度存在顯著相關區，其中包括長江上游、江淮和江南大面積地區，也就是說，春季土壤濕度對于夏季相對濕度的關系主要體現在前者對移除了大尺度環流后的余項的作用上。因此，為了進一步理解上述過程，以及春季土壤濕度影響夏季氣候因子影響的機制，下面分析春季土壤濕度與夏季多個地表熱力學要素之間的關系。

選取蒸發、感熱通量、潛熱通量、凈短波輻射和凈長波輻射來描述陸面熱力過程，通過上述陸面要素與氣溫、降水和相對濕度CCA-DA前后的相關關系來分析余項的物理意義。我們計算了中國南方地區春季土壤濕度和夏季上述陸面熱力要素分別與夏季氣溫、降水和相對濕度的總量及其CCA-DA后各分量之間點對點相關系數，并統計顯著相關（pgt;95％）且分量與陸面要素之間的相關系數和總量與陸面要素之間的相關系數同號時的格點面積，然后將其表示為總面積的百分比（圖6）。全球氣候模式研究表明，土壤濕度對降水的正反饋機制主要為土壤偏濕增強蒸發，使得邊界層內大氣相對濕度上升，對流抑制能減小，有利于激發對流（Eltahir，1998）。土壤濕度通過調節蒸散發影響氣溫和降水，這一過程通過改變行星邊界層內的有效水汽，并影響陸面有效能量（凈短波輻射-凈長波輻射-地表熱通量，其中地表熱通量的變化量級較小，通常可忽略）在感熱通量和潛熱通量之間的分配實現（Seneviratne et al.，2010）。普遍來看，地面要素與氣溫、降水和相對濕度距平余項的顯著相關格點占比均高于環流分量。即移除對流層中層環流影響以后，氣溫、降水和相對濕度的余項可以較好地反映陸面過程的作用。且春季土壤濕度對夏季氣溫、降水和相對濕度變率的影響主要體現在余項中。

3.3 氣溫、降水和相對濕度及其分量的空間異質性

某一地區氣候要素空間異質性（不均勻性）通常用格點數據標準差來表征，其數值大小表示該要素空間變化（或梯度）幅度，變率較大表示極端值出現概率高，反之，則低。為了分析夏季氣溫、降水和近地面相對濕度的空間異質性的年際變化，我們計算了1959—2022年逐年各變量CCA-DA前后分量的空間標準差，并將各變量64 a的數值用箱線圖表示（圖7）。由圖7可以看出，CCA-DA后三要素距平余項的空間異質性相對于環流分量更高。氣溫距平的環流分量空間變率相對于總量較低，即大尺度環流引起的氣溫空間異質性較小，格點出現極端溫度可能性較低;而余項的空間變率相對于總量更高，空間變化梯度加大，出現極值中心概率增加。在全球模式中消除土壤濕度變率，會在不同時間尺度上使得中緯度、熱帶和副熱帶地區陸地氣溫變率降低10％～50％，降水變率降低0％～10％，而土壤濕度對于高溫（高達50％）和強降水（高達20％）變率的作用最強（Orth and Seneviratne，2017）。這印證了土壤濕度對于中國南方夏季氣候極值存在顯著貢獻。

4 2022年夏季中國南方地區干熱少雨復合極端事件的成因

進一步探討2022年夏季干熱少雨復合極端事件發生的可能原因。圖7中星號標識出了2022年夏季的情形，可以看到由大尺度環流因子（500 hPa位勢高度異常）主導的氣溫、降水和相對濕度距平空間異質性遠低于各要素對應的由余項主導的部分。1959—2022年間，研究區域內氣溫距平的空間標準差年際中位數為0.42 ℃，而2022年的標準差高達0.80 ℃，表明2022年氣溫距平的空間異質性非常高，極端性強。2022年夏季降水異常的空間變率接近1959—2022年中的中位數，而余項的標準差約處于75百分位處，表明局地陸面過程在該年夏季降水異常中起主導作用，且遠超多年平均水平。2022年夏季近地面相對濕度異常的空間變率及其分量的標準差均超過研究時段內的75百分位，表明大尺度環流和局地陸面過程對于相對濕度的空間異質性均有重要貢獻。

為了進一步分析2022年夏季研究區域氣候要素的空間分布特征，圖8給出了2022年夏季氣溫、降水和相對濕度去趨勢距平的環流分量和余項的分布型，及分量與總變率的空間相關系數。氣溫距平的環流分量（圖8a）與總量（圖1a）的分布型相似，均有北高南低的特征，但環流分量的量級遠小于總量，二者間空間相關系數僅有0.56;溫度余項分布與總量非常相似（空間相關系數0.82），移除環流作用后整個中國東部地區氣溫均偏高，且能反映總量的高值中心（圖1a）。從江西到上海的高溫帶與1959—2022年春季土壤濕度與夏季氣溫余項的顯著負相關區域（圖5d）一致。也就是說，此區域內春季土壤偏干有利于夏季氣溫升高。長江下游以南地區，環流分量呈現負異常（圖8a），與圖1a高溫異常分布不符，但該地區氣溫正異常在余項中有很好的體現（圖8d）。也就是說，2022年夏季500 hPa環流系統異常使得長江下游至東南地區氣溫偏低，余項（陸面）的貢獻主導了該地區氣溫的正異常。在長江中上游地區，氣溫距平兩個分量均呈現出正異常，兩者疊加共同引起高溫異常。

同時，長江下游以南地區的降水環流分量異常偏高（圖8b）。2022年夏季風偏弱，6月中旬至7月中旬西北太平洋副熱帶高壓脊線相較于常年偏南，活躍的東北冷渦限制其北移，引導冷空氣頻繁南下，華南前汛期降水為1961年以來歷史同期第二多（中國氣象局國家氣候中心，2023）。前夏的環流系統的異常可以解釋上述區域的降水距平環流分量正異常。此外，長江以北部分地區的降水距平環流分量的正異常可能與7月中旬以后西北太平洋副熱帶高壓的異常偏北有關。2022年夏季大氣環流的顯著季節內變化造成了夏季平均環流分量與總異常之間的差異（空間相關系數為-0.08）;降水余項在長江流域存在顯著虧缺，且負值中心接近于春季土壤濕度影響夏季降水的熱點區域（圖4b），表明2022年長江流域春季土壤濕度異常是夏季的氣象干旱的成因之一。相對濕度距平余項的分布和量級均與總量相似（空間相關系數為0.76），河南湖北和華南地區的干燥現象僅由余項貢獻產生，而四川盆地的干中心是大尺度環流和局地陸面過程的協同作用的結果。大尺度環流引起的氣溫和降水異常影響了相對濕度環流分量的分布，在河南湖北和華南地區存在正異常。即在對流層中層系統異常作用下，上述區域的氣溫偏低，降水偏多，使得相對濕度也偏高。

圖9給出了由1959—2022年夏季中國南部地區陸面熱力要素的去趨勢距平的分布，并標出了2022年的值。2022年春季土壤濕度、夏季蒸發、感熱通量、潛熱通量、凈短波輻射和凈長波輻射均處64年間較極端的年份，其中春季土壤濕度距平位于75百分位處，相較于往年顯著偏濕。2022年春季中國南方地區春季土壤濕度較高，夏季感熱和潛熱通量、凈長波輻射、蒸發均較高，而凈短波輻射較低。研究表明，中國東部由于陸-氣相互作用，偏濕的土壤會引起潛熱通量增加，降水量增加，同時感熱通量減小引起氣溫降低，邊界層內擾動減弱，不利于氣團的抬升凝結形成降水（楊揚等，2021）。WRF模式試驗研究表明，河北到江淮地區的土壤濕度負異常會引起潛熱通量異常偏低，對1999年夏季局地干旱有顯著貢獻（Wu and Zhang，2013）。由于土壤的記憶性，春季土壤偏濕狀態會延續到初夏，造成夏季地表反照率減小，地面凈短波輻射加強，蒸發和潛熱通量異常偏高，增加大氣中水汽，長波輻射加強，而氣溫偏高增加感熱通量。此外，Zhang and Zuo（2011）發現春季土壤濕度異常還可以通過改變大尺度環流影響夏季氣候，春季華北到長江中下游的土壤偏濕使得春末地表溫度降低，從而引起海陸溫差發生改變，導致東亞夏季風減弱，造成夏季長江流域降水偏多，同時華南降水偏少。由歸因分析可知，2022年中國南方地區春季土壤偏濕狀態會延續到初夏，不利于氣團抬升形成降水，同時地表反照率減小，長波輻射加強引起氣溫偏高，近地面相對濕度降低。也就是說，春季土壤濕度異常顯著加劇了中國南方地區2022年夏季干熱少雨復合極端事件的強度。

5 結論與討論

本研究利用ERA5再分析數據，采用合成分析和環流相似-動力調整方法對1959—2022年中國南方地區春季土壤濕度與夏季氣溫、降水和近地面相對濕度之間的關系進行探究。尤其，針對2022年夏季中國南方地區出現干熱少雨復合事件的成因進行了深入分析。得到以下主要結論：春季長江流域及黃淮地區土壤濕度偏低時，夏季降水和相對濕度偏低。若同時出現東南地區偏濕的分布特征，則南方地區夏季容易發生干旱燥熱復合極端事件。移除對流層中層大尺度環流（500 hPa位勢高度場）作用以后發現，陸面過程引起的余項主導了夏季江南地區氣溫、降水和相對濕度的變率，這一過程主要是通過春季土壤濕度調節局地蒸散和凈輻射能量的分配實現的。2022年夏季中國南方地區氣溫、降水和相對濕度的變率均遠超1959—2022年平均狀態，出現高溫、少雨和干燥三種極端事件疊加的特征。同時春季土壤濕度與夏季氣候耦合的區域與2022年氣候三要素變率高值區基本吻合。2022年春季中國南方地區土壤濕度相較于往年顯著偏濕，引起夏季陸面熱力要素均處1959—2022年間的極端水平，使得夏季氣溫偏高、降水偏少、相對濕度嚴重偏低。

通過本研究，表明中國南方區域春季土壤濕度對夏季極端氣候事件發生具有重要的指示作用。如果說大尺度環流是陸地氣候變化的驅動因子，那么陸面要素異常則是極端氣候發生的加速器。春季土壤濕度異常，由于其記憶，可以持續到夏季，通過影響夏季陸-氣熱力學要素，如近地面輻射、湍流通量及邊界層對流，對夏季降水、溫度及相對濕度產生影響，該影響與環流異常影響疊加在一起，進一步加劇了極端事件的發生。本研究對于極端氣候預測，如干熱少雨復合事件重要參考價值。另外，本研究是針對中國南方區域極端氣候事件開展的研究，研究方法可用于其他的研究。需要指出的是，在全球變暖背景下，極端高溫、降水和相對濕度之間本身并不是完全獨立的，三要素之間存在非線性影響。例如，研究表明，大氣中可降水量是高溫條件下極端降水的決定因素，當地表溫度達到26 ℃以上時，大氣最大相對濕度和可降水量顯著下降，進而會限制日尺度極端降水發生（Rhys et al.，2010）。同時，氣溫升高會加劇全球范圍內小時內至日尺度極端降水的發生（Utsumi et al.，2011）。關于三要素相互作用更詳細地討論需要在未來的工作中借助數值模式進一步展開。

此外，本研究主要從水汽來源的角度區分了大尺度大氣輸送和局地蒸散的貢獻，尚未考慮土壤濕度通過調節環流對間接影響降水的情形（Conil et al.，2007;Zeng and Yuan，2021）。前人研究揭示了，土壤濕度異常并沒有直接改變大氣環流模式，而是調節了空氣的某種屬性（例如相對或絕對濕度），而這些屬性反過來又受到大尺度環流的平流作用向下游輸送（Liu et al.，2017;Yang and Wang，2019）。由此可知，土壤濕度異常不會直接影響大尺度環流本身，基于上述結論可以認為在本研究中使用基于相似環流的動力調整方法來區分環流和局地土壤濕度的貢獻是合理的。在下一步研究中，我們將考慮借助數值模式做敏感性試驗來分析陸面過程對降水的間接影響。

致謝：感謝ECMWF提供了ERA5再分析資料的在線下載服務，數據下載鏈接為https：／／cds.climate.copernicus.eu／cdsapp＃！／home。

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·ARTICLE·

Effects of spring soil moisture on compound events of high temperature，low humidity，and rainfall in South China

CHEN Yue1，2，WANG Aihui2

1College of Atmospheric Sciences，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China;

2Nansen-Zhu International Research Centre，Institute of Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China

Abstract The summer of 2022 exhibits significant characteristics of high temperature，low humidity，and rainfall in South China.Previous studies have focused on extreme events of high temperature and low rainfall in summer，whereas attention to near-ground relative humidity，which is closely related to human comfort and crop growth，has been relatively insufficient.In this study，we define events of positive temperature anomaly，negative precipitation anomaly，and negative relative humidity anomaly exceeding one time of the interannual standard deviation between 1959 and 2022 are as compound events of summer high temperature，low humidity，and rainfall.Monthly ERA5 atmospheric reanalysis data of 1959—2022 are used in this study.We study the effect of spring soil moisture on the compound events in summer by composite analysis and a dynamic adjustment approach based on constructed circulation analogs，and the physical mechanism is analyzed.The results show that：1） The hot spots of the coupling between spring soil moisture and summer climate in south China are basically consistent with the high variability of summer temperature，precipitation，and relative humidity in 2022.2） When the soil in the Yangtze River Basin and Huang-Huai area is dry in spring and the southeast area is wet，the compound events of drying and heat will occur in summer.3） The effect of spring soil moisture on summer climate variability is mainly realized by adjusting the distribution of local evapotranspiration and net radiation energy.The study of the compound extreme events of high temperature，low humidity，and rainfall is of great significance in effectively preventing all kinds of disasters and safety accidents caused by them，protecting peoples lives and property，and maintaining social production order.

Keywords southern China;compound extreme events;soil moisture

doi：10.13878／j.cnki.dqkxxb.20230303001

（責任編輯：張福穎）