楊洋 林朝暉 駱利峰

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所國際氣候與環(huán)境科學(xué)中心，北京 100029

2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

3 美國密歇根州立大學(xué)地理環(huán)境與空間科學(xué)系，密歇根州東蘭辛 48824

1 引言

氣候系統(tǒng)是一個(gè)包含大氣、陸面、海洋、冰雪圈和生物圈在內(nèi)的復(fù)雜物理系統(tǒng)，占地球表面積近三分之一的陸面是其重要的組成部分（戴永久和曾慶存, 1996; 林朝暉等, 2008; Mei and Wang, 2011）。土壤濕度和土壤溫度作為關(guān)鍵的陸面變量，通過與大氣間進(jìn)行潛熱通量和感熱通量交換，影響著局地甚至大范圍區(qū)域的高溫、暴雨等極端天氣氣候異常（林朝暉等, 2001; Seneviratne et al., 2010; 管曉丹等, 2018）。Jaeger and Seneviratne（2011）利用區(qū)域氣候模式的數(shù)值模擬指出土壤濕度變化對(duì)歐洲極端高溫?zé)崂说陌l(fā)生發(fā)展有重要作用，其中土壤濕度的季節(jié)內(nèi)和年際尺度的異常可以分別解釋5%～30%和10%～40%的極端高溫異常。Ford and Quiring（2014）利用美國Oklahoma地區(qū)觀測的土壤濕度資料分析發(fā)現(xiàn)了極端高溫日數(shù)異常與土壤濕度異常有很強(qiáng)的線性關(guān)系。

大氣對(duì)于陸面狀態(tài)異常的響應(yīng)程度與局地氣候類型、地表覆蓋和所處的地理位置等因素密切相關(guān)，存在很強(qiáng)的時(shí)空非均勻性（Seneviratne et al., 2010）。為更為客觀地刻畫大氣—陸面間相互作用的強(qiáng)弱，已有很多研究提出了不同的陸氣耦合強(qiáng)度指標(biāo)，并被用于陸氣間相互作用的定量評(píng)估以及不同區(qū)域的比較（Lorenz et al., 2015）。利用16個(gè)參與GLACE-1（Global Land-Atmosphere Coupling Experiment）研究計(jì)劃的模式，Koster et al.（2004）設(shè)計(jì)了土壤濕度隨時(shí)間變化及保持固定不變的兩組數(shù)值試驗(yàn)，通過分析兩組數(shù)值試驗(yàn)降水模擬結(jié)果的差異，定義了可表征土壤濕度異常對(duì)降水異常影響比重的陸氣耦合強(qiáng)度指標(biāo)，并指出土壤濕度—降水耦合的“熱點(diǎn)”區(qū)域，主要出現(xiàn)在赤道撒哈拉地區(qū)、印度，以及美國中部大平原地區(qū)，東亞也存在土壤濕度—降水耦合較強(qiáng)的區(qū)域。此外，由于計(jì)算簡便、且不依賴于模式，相關(guān)系數(shù)也是用來衡量陸面—大氣之間耦合強(qiáng)弱的一個(gè)常用指標(biāo)（Seneviratne et al.,2006）。Miralles et al.（2012）基于改進(jìn)的相關(guān)系數(shù)法研究發(fā)現(xiàn)，北半球夏季土壤濕度—?dú)鉁伛詈系摹盁狳c(diǎn)”區(qū)域除了Koster et al.（2004）中提到的外，地中海地區(qū)也成為一個(gè) “熱點(diǎn)”區(qū)；而南半球夏季的“熱點(diǎn)”區(qū)域主要出現(xiàn)在撒哈拉地區(qū)、南非、巴西東部和澳大利亞北部地區(qū)；無論是南半球還是北半球，夏季陸氣耦合強(qiáng)度最強(qiáng)。Dirmeyer（2011）和Dirmeyer et al.（2014）認(rèn)為相關(guān)系數(shù)僅能代表陸面對(duì)大氣的潛在影響，提出了可同時(shí)考慮變量變率大小的耦合強(qiáng)度定義，以避免出現(xiàn)兩變量相關(guān)性強(qiáng)、但它們實(shí)際變化很小的情況；基于該指標(biāo)的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤濕度與潛熱通量強(qiáng)耦合區(qū)的分布與Koster et al.（2004）的多模式集合平均結(jié)果非常相似。該方法也已被廣泛應(yīng)用于基于觀測資料及數(shù)值模式模擬的耦合強(qiáng)度評(píng)估和比較的研究中（曾毓金和謝正輝, 2015; Phillip et al., 2017）。

針對(duì)陸氣耦合強(qiáng)度的研究，已有研究更多關(guān)注陸面過程對(duì)潛熱通量以及降水等與水分循環(huán)相關(guān)的變量的影響程度（Zeng et al., 2010; Xu et al., 2019;Lo et al., 2021），衡量氣溫與陸面過程耦合強(qiáng)度的研究相對(duì)較少，且大多數(shù)僅從土壤濕度方面考慮與氣溫的相互作用（Miralles et al., 2012; Gevaert et al.,2018）。近些年來，全球平均氣溫上升明顯且極端高溫事件頻發(fā)（Diffenbaugh et al., 2017; Mora et al.,2017），中國區(qū)域的極端高溫事件除了存在顯著的增強(qiáng)、增多的特征，也同時(shí)存在顯著的年際和年代際變化特征（孫建奇等, 2011; Qi and Wang, 2012）。已有研究表明，除了城市化（Sun et al., 2016）、人為溫室氣體排放（Ma et al., 2017）等因素的影響外，局地陸氣相互作用對(duì)極端高溫?zé)崂耸录呢暙I(xiàn)也不能忽略。由于土壤的熱容量要比空氣大很多，土壤溫度異常會(huì)直接影響入射總能量在感熱通量和潛熱通量中的分配，進(jìn)而可能會(huì)引起局地甚至大范圍區(qū)域的氣溫異常（王萬秋, 1991; 郭東林和楊梅學(xué),2010）。已有一些研究表明，在氣候干—濕過渡帶陸氣相互作用對(duì)氣溫變率的貢獻(xiàn)甚至可以超過一半，且相比較于平均氣溫，陸氣相互作用對(duì)最高氣溫的變化影響更大（Zhang et al., 2011）。

現(xiàn)階段雖然也有少量針對(duì)中國區(qū)域陸氣耦合強(qiáng)度的資料分析和模式評(píng)估研究（曾毓金和謝正輝,2015; Liu et al., 2015; Gao et al., 2018; Xu et al.,2019），但大都側(cè)重于考察單個(gè)陸面狀態(tài)變量或大氣要素間的耦合。此外，陸氣間的耦合強(qiáng)度還依賴于耦合指標(biāo)的定義和估算方式（亦即耦合過程），例如就土壤濕度與地表氣溫的耦合強(qiáng)度而言，基于潛熱通量或者感熱通量交換過程的耦合強(qiáng)度可能也是不一樣的。已有研究還表明，陸氣相互作用的強(qiáng)弱也與研究的時(shí)間尺度（Gevaert et al., 2018）和土壤垂直層次（Mei and Wang, 2011）密切相關(guān)?；贓RA-Interim 和CFSR再分析數(shù)據(jù)，Zeng and Yuan（2018）研究則指出隨著時(shí)間尺度增加，中國華北—東北地區(qū)一帶夏季土壤濕度與蒸散發(fā)，以及蒸散發(fā)與降水的相關(guān)系數(shù)均逐漸增強(qiáng)，且深層土壤與表層土壤有比較相似的變化規(guī)律。顯然，開展中國區(qū)域夏季地表氣溫與土壤濕度及土壤溫度的耦合強(qiáng)度的評(píng)估和比較，對(duì)深入認(rèn)識(shí)中國區(qū)域陸氣相互作用及其對(duì)夏季極端高溫的影響具有重要作用。

值得指出的是，由于陸氣相互作用觀測資料的缺乏（Li et al., 2017），多源再分析資料已被廣泛應(yīng)用于陸氣相互作用及耦合強(qiáng)度的分析研究中（Williams et al., 2012; 曾毓金和謝正輝, 2015）。在本文研究中，我們將利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）提供的最新陸面再分析數(shù)據(jù)集ERA5-Land，采用Dirmeyer（2011）和 Dirmeyer et al.（2014）提出的耦合強(qiáng)度指標(biāo)，分別探討中國地區(qū)夏季地表氣溫與土壤濕度、土壤溫度耦合強(qiáng)度的分布特征及其差異，并考察陸氣耦合強(qiáng)度隨時(shí)間尺度、土壤垂直深度的變化規(guī)律。

2 資料與方法

2.1 地表氣溫與陸面過程耦合強(qiáng)度的計(jì)算方法

本文中的陸氣耦合強(qiáng)度代表地表氣溫與陸面狀態(tài)變量之間相互作用的強(qiáng)弱。我們采用了Dirmeyer（2011）和 Dirmeyer et al.（2014）提出的“兩步法”指標(biāo)，該指標(biāo)可用于衡量地表氣溫對(duì)陸面狀態(tài)異常的敏感程度。具體說來，該方法將總的陸氣耦合強(qiáng)度I分解為兩部分計(jì)算，即陸面分量和大氣分量，它們分別代表了中間變量（包括潛熱通量和感熱通量）對(duì)陸面變量（包括土壤濕度和土壤溫度）的敏感程度，以及氣溫對(duì)中間變量的敏感程度。Lorenz et al.（2015）給出了陸氣耦合強(qiáng)度I的計(jì)算公式，如下：

其中，下標(biāo)“1”代表陸面狀態(tài)變量（本文中指土壤溫度或土壤濕度），下標(biāo)“2”代表陸氣耦合中間過程變量（本文中指感熱通量或潛熱通量），下標(biāo)“3”代表大氣變量（本文中指地表氣溫）；由此，r12表示陸面變量與陸氣耦合中間過程變量的相關(guān)系數(shù)，包含4種：土壤濕度與潛熱通量的相關(guān)系數(shù)rSM?LH、土壤濕度與感熱通量的相關(guān)系數(shù)rSM?SH、土壤溫度與潛熱通量的相關(guān)系數(shù)rST?LH和土壤溫度與感熱通量的相關(guān)系數(shù)rST?SH；r23表示陸氣耦合中間過程變量與2 m氣溫的相關(guān)系數(shù)，包含2種：潛熱通量與氣溫的相關(guān)系數(shù)rLH?T以及感熱通量與氣溫的相關(guān)系數(shù)rSH?T； σ3表示2 m氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差。

從方程（1）可知，I的單位與大氣變量相同，因此在本文中與2 m氣溫相同，為°C；它的絕對(duì)值代表單位陸面變量的變化所引起的氣溫改變量；絕對(duì)值越接近于0，代表耦合強(qiáng)度越弱。I符號(hào)受兩組相關(guān)系數(shù)符號(hào)的影響，其中，對(duì)于土壤濕度—潛熱通量—?dú)鉁氐鸟詈蠌?qiáng)度（ISM?LH）及土壤濕度—感熱通量—?dú)鉁氐鸟詈蠌?qiáng)度（ISM?SH）來說，大部分地區(qū)呈現(xiàn)負(fù)值，而對(duì)于土壤溫度—潛熱通量—?dú)鉁氐鸟詈蠌?qiáng)度（IST?LH）及土壤溫度—感熱通量—?dú)鉁氐鸟詈蠌?qiáng)度（IST?SH）來說，大部分地區(qū)呈現(xiàn)正值；無論正負(fù)值，絕對(duì)值越大代表耦合強(qiáng)度越強(qiáng)。

在相關(guān)系數(shù)的計(jì)算過程中，大部分研究采用的是Pearson相關(guān)系數(shù)（Miralles et al., 2012），而本文采用的是非參數(shù)的Spearman秩相關(guān)系數(shù)r（李軍等, 2009），計(jì)算公式如下：

該方法是將長度為n的兩個(gè)原始序列數(shù)據(jù)xi和yi重新排序（同為升序或降序），Xi和Yi分別為原始數(shù)據(jù)xi和yi在排序后序列中所處的位置，則秩次差di=Xi?Yi。該方法不要求數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布，也對(duì)數(shù)據(jù)的異常值不敏感。與Pearson相關(guān)系數(shù)相比，Spearman秩相關(guān)系數(shù)更加穩(wěn)健可靠（Zhang et al.,2015）。

為考察陸氣耦合強(qiáng)度I對(duì)時(shí)間尺度的依賴性，本文分別計(jì)算了4組不同時(shí)間尺度（即日、候、旬和月）的耦合強(qiáng)度。在計(jì)算每組的耦合強(qiáng)度之前，我們首先對(duì)每一個(gè)格點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了去趨勢（基于1981～2013年整個(gè)時(shí)期）和去季節(jié)循環(huán)處理（Dirmeyer et al., 2014; Phillips et al., 2017）。夏季日—候—旬尺度耦合強(qiáng)度的計(jì)算方法是分別就每一年夏季92天的樣本進(jìn)行順序不重合取樣，基于取樣得到的新序列計(jì)算相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)而可以求出每一年夏季的耦合強(qiáng)度，最后計(jì)算多年平均得到氣候態(tài)分布。具體計(jì)算方法為：將某一年夏季92天的第1到N天數(shù)值計(jì)算平均得到X1，將N+1到2N天數(shù)值計(jì)算平均得到X2，以此類推得到一個(gè)新序列X1，X2，X3，…，XM，即序列Xi(N)，這里N=1, 5, 10分別代表了日、候、旬尺度的情形，M為當(dāng)年夏季N天平均的樣本總數(shù)，為M個(gè)樣本的平均值；那么對(duì)于每年夏季平均氣溫而言（即X為地表平均氣溫時(shí)），氣溫季節(jié)內(nèi)變率（標(biāo)準(zhǔn)差） σ3的計(jì)算公式如下：

根據(jù)以上思路，本文利用公式（2）計(jì)算了陸面狀態(tài)變量（土壤溫度、土壤濕度）與陸氣交換通量（感熱、潛熱通量）、以及陸氣交換通量與地表氣溫的相關(guān)系數(shù)，并與公式（3）計(jì)算得到的氣溫標(biāo)準(zhǔn)差相乘，得到每年夏季不同尺度的陸氣耦合強(qiáng)度，最后進(jìn)行了33年平均即為夏季氣候態(tài)的耦合強(qiáng)度。需要指出的是，對(duì)于旬尺度耦合強(qiáng)度的計(jì)算，由于每年夏季僅有9個(gè)旬平均的樣本，這樣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算相關(guān)系數(shù)時(shí)的樣本數(shù)偏少，會(huì)在一定程度上影響旬尺度耦合強(qiáng)度幅值的可靠性，因此在文中我們更多偏于分析日、候以及月尺度耦合強(qiáng)度的差異，以考察陸氣耦合強(qiáng)度對(duì)時(shí)間尺度的依賴性。

夏季月尺度的耦合強(qiáng)度是指夏季6～8月3個(gè)月耦合強(qiáng)度的平均值，每個(gè)月的耦合強(qiáng)度均是基于33年的時(shí)間序列計(jì)算相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差得到的。本文中的夏季指6～8月，研究時(shí)段為1981～2013年。

2.2 ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)介紹

ERA5是ECMWF發(fā)布的最新一代（第五代）再分析數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)使用了集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS）CY41R2模型版本中的4D-Var數(shù)據(jù)同化技術(shù)生成逐小時(shí)數(shù)據(jù)，空間上有了更高的分辨率，產(chǎn)品質(zhì)量也有很大提升 （孟憲貴等, 2018; Hersbach et al., 2020;Tarek et al., 2020）。ERA5-Land則是由 ERA5的陸面模式 H-TESSEL（the Tiled ECMWF Scheme for Surface Exchanges over Land incorporating land surface hydrology）在ERA5大氣強(qiáng)迫場強(qiáng)迫下離線運(yùn)行得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)品（Mu?oz-Sabater, 2019）（https://cds.climate.copernicus.eu/doi/10.24381/cds.e2161bac[2021-03-20]）。相比較于 ERA5而言，ERA5-Land中的地表氣溫等要素與觀測更為接近，此外ERA5-Land所采用的模式為更新版本的集成預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IFS CY45R1模型），同時(shí)也有著更高的水平分辨率（約為9 km）、更為細(xì)致的模式物理過程及其參數(shù)化方案，因此輸出的陸面產(chǎn)品更為準(zhǔn)確、可靠（Mu?oz-Sabater et al., 2021）。跟觀測資料的比較驗(yàn)證分析也表明，ERA5-Land數(shù)據(jù)集不但對(duì)地表溫度的空間分布和趨勢變化特征具有良好的刻畫能力，而且對(duì)風(fēng)速、水汽壓、地表凈輻射等變量也有較好的模擬能力（Pelosi et al., 2020; Liu et al., 2021）。本文選取ERA5-Land表層（0～7 cm）和次表層（7～28 cm）的逐小時(shí)土壤濕度和土壤溫度數(shù)據(jù)、逐小時(shí)潛熱通量和感熱通量數(shù)據(jù)以及逐小時(shí)2 m平均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析；逐日—月數(shù)據(jù)均由逐小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算平均得到。

3 夏季月尺度陸氣耦合強(qiáng)度的空間分布特征

圖1顯示的是1981～2013年夏季6～8月3個(gè)月平均的表層土壤—地表氣溫耦合強(qiáng)度的空間分布，從圖中可以看到4種耦合強(qiáng)度指標(biāo)，即ISM?LH、ISM?SH、IST?LH和IST?SH，在中國區(qū)域呈不均勻分布。在下文分析中，我們將這4種耦合強(qiáng)度按照不同陸氣交換通量的中間過程分成兩大類：一類是與潛熱通量影響地表氣溫有關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度指標(biāo)（ISM?LH和IST?LH，圖1a、1c），另一類是與感熱通量影響地表氣溫有關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度指標(biāo)（ISM?SH和IST?SH，圖1b、1d）。在兩類土壤—?dú)鉁伛詈线^程中，地表氣溫對(duì)于陸面狀態(tài)異常的敏感性有著明顯不同的空間分布。

圖1 中國區(qū)域1981～2013年夏季月尺度的表層土壤—地表氣溫耦合強(qiáng)度 I （單位：°C）的空間分布：（a） IS M?LH ；（b） I SM?SH；（c） IS T?LH ；（d） IS T?SH 。 I的絕對(duì)值越大代表耦合強(qiáng)度越強(qiáng)Fig.1 Spatial distribution of the monthly surface soil-surface air temperature coupling strength (°C) in China during the summer of 1981-2013: (a)ISM?LH; (b) I S M?SH; (c) I S T?LH ; (d) I S T?SH.The greater the absolute value, the stronger the coupling strength

對(duì)于耦合強(qiáng)度指標(biāo)ISM?LH和IST?LH來說，總體上看有兩大耦合“熱點(diǎn)”區(qū)（即絕對(duì)值大值區(qū)），分別出現(xiàn)在中國的西北大部分地區(qū)，以及長江流域，其中西北地區(qū)陸氣耦合強(qiáng)度較強(qiáng)。ISM?LH的分布顯示（圖1a）夏季耦合強(qiáng)度大值區(qū)主要出現(xiàn)在新疆西南部，可以達(dá)到-1.22°C，表明單位土壤濕度的變化可以引起地表氣溫改變1.22°C；其次是西藏西部、新疆北部和內(nèi)蒙古西部（耦合強(qiáng)度約為-0.8～-0.4°C）；長江中下游流域的大片區(qū)域耦合強(qiáng)度稍弱一些，大約為-0.4～-0.2°C，其他區(qū)域的耦合強(qiáng)度則相對(duì)更弱。IST?LH耦合“熱點(diǎn)”區(qū)的分布類似（圖1c），雖然西北地區(qū)的耦合強(qiáng)度最高可以達(dá)到1.39°C（表明單位土壤溫度的變化可以引起地表氣溫改變1.39°C），但是整體而言該區(qū)域基于IST?LH的耦合強(qiáng)度相較ISM?LH有所減弱?；跐摕嵬康?種耦合強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比顯示，中國南方大部分地區(qū)夏季單位土壤溫度的異常通過潛熱通量交換對(duì)地表氣溫的影響，要略強(qiáng)于單位土壤濕度異常通過潛熱通量交換對(duì)地表氣溫的影響，但在西北地區(qū)單位土壤濕度的變化通過潛熱通量交換對(duì)地表氣溫的影響則相對(duì)較強(qiáng)。

對(duì)耦合強(qiáng)度指標(biāo)ISM?SH和IST?SH而言（圖1b和1d），中國西北地區(qū)和長江流域的耦合強(qiáng)度大大減弱，此時(shí)耦合強(qiáng)度大值區(qū)主要出現(xiàn)在中國的河套—內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆西南部小區(qū)域、西藏西部和東北中部；長江以南的浙江—福建—江西一帶為中等耦合強(qiáng)度區(qū)域。ISM?SH的空間分布顯示新疆西部小區(qū)域耦合強(qiáng)度最強(qiáng)，可以達(dá)到-1.20°C，其次是西藏西部（大約為-0.8～-0.6°C）；河套—內(nèi)蒙古地區(qū)強(qiáng)耦合區(qū)的分布范圍最廣，且與東北中部的耦合強(qiáng)度比較接近，大約為-0.8～-0.4°C。與ISM?SH相比，IST?SH強(qiáng)耦合區(qū)在中國北方的面積和強(qiáng)度均有不同程度的減小，尤其是河套—內(nèi)蒙古地區(qū)?？傮w對(duì)比而言，中國北方地區(qū)單位土壤濕度異常通過感熱通量交換對(duì)地表氣溫的影響要稍強(qiáng)于單位土壤溫度異常的影響，但南方地區(qū)兩者的影響大致相當(dāng)；這個(gè)可能是由于北方地區(qū)遠(yuǎn)離海洋水分不足、土壤偏干，地表氣溫對(duì)于土壤濕度的改變更為敏感；而南方地區(qū)普遍水汽充足土壤濕潤，這部分抑制了大氣對(duì)于土壤濕度異常的響應(yīng)，使得氣溫變化受土壤濕度和土壤溫度異常的影響相當(dāng)。綜上所述，土壤濕度和土壤溫度，以及地氣間的潛熱通量和感熱通量交換，它們在不同區(qū)域土壤—地表氣溫的耦合作用過程中有著不同且都非常重要的作用。

此外，對(duì)比圖1a和1b，可以發(fā)現(xiàn)在新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)，基于ISM?LH和ISM?SH的陸氣耦合強(qiáng)度大值區(qū)較為重合，而基于IST?LH和IST?SH的強(qiáng)耦合區(qū)域也較為一致（圖1c和1d），這主要是由于上述區(qū)域感熱通量與潛熱通量之間存在顯著的相關(guān)（圖略）。對(duì)于長江流域，基于ISM?LH和IST?LH的耦合強(qiáng)度均較強(qiáng)（圖1a和1c），但在該區(qū)域基于ISM?SH和IST?SH的耦合強(qiáng)度并不強(qiáng)（圖1b和1d），這與長江流域夏季感熱通量與潛熱通量之間的相關(guān)偏弱有關(guān)（圖略）。

為了深入了解陸氣相互作用的過程，根據(jù)耦合強(qiáng)度的定義，圖2分別展示了土壤濕度、土壤溫度與潛熱通量、感熱通量相關(guān)系數(shù)（即r12）的空間分布。分析土壤濕度與潛熱通量相關(guān)系數(shù)的空間分布（圖2a），可以發(fā)現(xiàn)其空間分布呈南北符號(hào)相反的特征：在中國北方大部分地區(qū)（包括西北、西藏西部和華北大部分地區(qū)和東北西部）土壤濕度與潛熱通量呈顯著的正相關(guān)（西北地區(qū)r12大部分在0.8以上）；但在東北東部以及黃河以南地區(qū)，土壤濕度與潛熱通量的相關(guān)為負(fù)，與前述區(qū)域相反，表明夏季平均土壤越濕，地氣間的潛熱通量反而減小。究其原因，主要是由于中國北方干旱半干旱區(qū)夏季多晴朗天氣，太陽光照輻射能量充足，在月—季節(jié)時(shí)間尺度上，土壤水分的多寡是影響地氣潛熱通量交換的主要因子，因此上述區(qū)域夏季土壤越濕，地氣間的潛熱通量越大；但在中國南方地區(qū)及東北東部，夏季土壤水分相對(duì)來說比較充足，此時(shí)影響月—季節(jié)尺度地氣間潛熱通量交換的主要因子是地表凈太陽輻射，夏季相對(duì)偏濕的土壤對(duì)應(yīng)著較多的降水和云量，以及偏少的地表凈太陽輻射，反而使得上述區(qū)域地氣間的潛熱通量偏少，從而表現(xiàn)為夏季平均的土壤濕度與潛熱通量間的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值。這些結(jié)果與Li et al.（2017）的發(fā)現(xiàn)也是相一致的。

圖2 中國區(qū)域1981～2013年夏季月尺度的表層（a）土壤濕度—潛熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS M?LH）、（b）土壤濕度—感熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS M?SH ）、（c）土壤溫度—潛熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS T?LH ）和（d）土壤溫度—感熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS T?SH）的空間分布。打點(diǎn)區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.2 Spatial distribution of the monthly correlation coefficients between surface (a) soil moisture and latent heat flux (r SM?LH), (b) soil moisture and sensible heat flux (r S M?SH ), (c) soil temperature and latent heat flux (r S T?LH ), and (d) soil temperature and sensible heat flux (r S T?SH), in the summer of 1981-2013 over China.Areas with black dots indicate the correlation coefficients are significant at 95% confidence level

圖2c給出了土壤溫度與潛熱通量相關(guān)系數(shù)的空間分布，從圖中可以發(fā)現(xiàn)其空間分布同樣呈南北符號(hào)相反的特征，在中國北方大部分地區(qū)土壤溫度與潛熱通量呈顯著負(fù)相關(guān)（西北地區(qū)r12大部分在－0.6以下）；在東北東部以及黃河以南地區(qū)，土壤溫度與潛熱通量間呈顯著正相關(guān)。這表明在北方干旱半干旱區(qū)，伴隨著土壤溫度的升高，地氣間感熱通量增加，潛熱通量減少，這與該區(qū)域夏季平均潛熱通量與感熱通量呈顯著負(fù)相關(guān)相一致（圖略）。而在中國南方大部地區(qū)，土壤溫度的正異常同樣伴隨著感熱通量的增加，但由于該區(qū)域潛熱通量與感熱通量呈顯著正相關(guān)（圖略），因此該區(qū)域陸氣間的潛熱通量同時(shí)增加。對(duì)照圖2c和2a可以發(fā)現(xiàn)，土壤溫度—潛熱通量間的相關(guān)系數(shù)與土壤濕度—潛熱通量間的相關(guān)基本上呈反位相分布的特征，這與夏季中國區(qū)域的感熱通量與潛熱通量在北方呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，而在南方呈同位相變化的特征相一致。

對(duì)于土壤濕度與感熱通量的相關(guān)系數(shù)（圖2b），整個(gè)中國區(qū)域均呈現(xiàn)出一致的負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中華北大部分地區(qū)、青藏高原西部、新疆、中國東南部分地區(qū)土壤濕度與感熱通量的負(fù)相關(guān)較強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)的幅值均要大于0.7；而在中國南方大部地區(qū)的負(fù)相關(guān)相對(duì)偏弱。就土壤溫度與感熱通量的關(guān)系而言，則在整個(gè)中國區(qū)域呈現(xiàn)為一致的正相關(guān)（圖2d），相關(guān)系數(shù)大值區(qū)主要位于華北、河套、黃淮、新疆西部以及南方部分地區(qū)，其中在河套地區(qū)可以達(dá)到0.8以上。比較圖2b和2d可以發(fā)現(xiàn)，在北方地區(qū)rSM?SH的大值區(qū)范圍要略大于rST?SH的大值區(qū)范圍，但在南方地區(qū)rST?SH的大值區(qū)范圍要大于rSM?SH的大值區(qū)范圍，尤其在中國西南地區(qū)。

基于本文采用的陸氣耦合強(qiáng)度指標(biāo)的定義，陸氣耦合的強(qiáng)弱除了依賴于陸面狀態(tài)變量與中間變量的相關(guān)系數(shù)（r12）外，還取決于潛熱、感熱通量與地表氣溫的相關(guān)系數(shù)r23，以及地表氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差 σ3。圖3給出了中國地區(qū)1981～2013年夏季平均的潛熱、感熱通量與地表氣溫的相關(guān)系數(shù)（即rLH?T和rSH?T）、以及地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布。從圖3a可以發(fā)現(xiàn)，rLH?T在中國北方大部均為負(fù)值，但在中國東北、黃河以南的大部地區(qū)，潛熱通量與地表氣溫均呈現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。這表明在西北和華北大部分地區(qū)，潛熱交換越強(qiáng)（蒸發(fā)吸熱越多），導(dǎo)致氣溫越低，而南方地區(qū)和東北東部相反，且正相關(guān)性大值區(qū)范圍（主要在長江流域和華南地區(qū)）要大于負(fù)相關(guān)性大值區(qū)的范圍（主要在新疆西部）。圖3b中rSH?T呈現(xiàn)出全國基本一致的正相關(guān)分布，表明感熱交換越強(qiáng)氣溫越高，高相關(guān)區(qū)域主要分布在中國的河套地區(qū)、新疆西部、華南沿海地區(qū)和云南等地。圖3b中還可以發(fā)現(xiàn)一些區(qū)域（如青海東部、新疆天山附近和西藏中部等）的感熱通量與地表氣溫的相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，這可能是由于這些區(qū)域?yàn)楹?、積雪融水區(qū)，夏季水面（湖面）溫度低于氣溫，使得大氣向水面（湖面）輸入能量（感熱通量向下為負(fù)），且氣溫越高，向下的感熱通量輸送越強(qiáng)，從而導(dǎo)致氣溫與感熱通量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（杜娟等, 2020）。

如方程（1）陸氣耦合強(qiáng)度的定義可知，即使陸面變量、地表氣溫與陸氣感熱（潛熱）通量的相關(guān)性很強(qiáng)，但如果氣溫的變率很小時(shí)，陸氣耦合強(qiáng)度也較弱，表明單位土壤濕度、土壤溫度異?？蓪?dǎo)致的地表氣溫的變化也將很小，亦即地表氣溫對(duì)陸面狀態(tài)的變化不敏感。圖3c給出了夏季平均地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差（亦即夏季地表氣溫的年際變率）的空間分布，我們發(fā)現(xiàn)北方地區(qū)氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差要大于南方地區(qū)，北方地區(qū)大部分為0.9～1.3°C，新疆西部、內(nèi)蒙古東部地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差最高可超過1.3°C；中國東南地區(qū)普遍為0.5～1.1°C，西南地區(qū)地表氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差更低，約0.3～0.9°C。

圖3 中國區(qū)域1981～2013年夏季月尺度的（a）潛熱通量—地表氣溫相關(guān)系數(shù)（ rL H?T ）、（b）感熱通量—地表氣溫相關(guān)系數(shù)（ rS H?T）和（c）地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差（單位：°C）的空間分布。（a、b）中打點(diǎn)區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.3 Spatial distribution of the monthly correlation coefficients between (a) latent heat flux and surface air temperature (r LH?T), (b) sensible heat flux and surface air temperature (r SH?T), as well as the (c) standard deviation of surface air temperature (°C) , in the summer of 1981-2013 over China.Areas with black dots in (a-b) indicate the correlation coefficients are significant at 95% confidence level

結(jié)合相關(guān)系數(shù)（即r12和r23）與地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的分布一起來看，中國西部的新疆西南部和北部、內(nèi)蒙古西部和河套地區(qū)，陸面變量（或氣溫）與陸氣交換通量的相關(guān)性強(qiáng)，同時(shí)氣溫標(biāo)準(zhǔn)差也比較大，因而上述區(qū)域的陸氣耦合強(qiáng)度較強(qiáng)；此外，這些地區(qū)主要位于干濕過渡帶或者半干旱區(qū)，陸面異常通過潛熱通量交換影響地表氣溫的過程主要受土壤水分的限制。對(duì)于中國南方大部分地區(qū)來說，地表氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)較小，而與r12、r23對(duì)應(yīng)的兩類相關(guān)系數(shù)的幅值總體來說也較西北地區(qū)偏小，因而與北方地區(qū)相比，上述區(qū)域總的陸氣耦合強(qiáng)度偏弱；此外這些地區(qū)夏季土壤水分比較充足，因而陸氣間潛熱通量交換更主要受地表凈太陽輻射多寡的影響。

4 陸氣耦合強(qiáng)度隨時(shí)間尺度的變化特征

為了探討夏季不同時(shí)間尺度上地表氣溫對(duì)陸面狀況變化的敏感性，圖4給出了中國區(qū)域日、候、旬尺度基于潛熱通量交換的表層（0～7 cm）土壤濕度—地表氣溫耦合強(qiáng)度（ISM?LH）的空間分布及其差異。分析圖4a-4c可以發(fā)現(xiàn)，中國地區(qū)日、候、旬時(shí)間尺度上的耦合強(qiáng)度（ISM?LH）空間分布十分相似，且與月—季節(jié)尺度的結(jié)果也較為接近（圖1a）。具體說來，ISM?LH在中國區(qū)域存在兩個(gè)大值區(qū)，分別是西北地區(qū)和長江流域，且西北地區(qū)的耦合強(qiáng)度要強(qiáng)于長江流域的耦合強(qiáng)度，說明單位土壤濕度的變化通過潛熱通量交換對(duì)地表氣溫的影響在西北地區(qū)更顯著。此外在西北地區(qū)，耦合強(qiáng)度的分布也不是均勻一致的，比如新疆西南部地區(qū)耦合強(qiáng)度最強(qiáng)（大部分絕對(duì)值高于0.8°C），而新疆塔克拉瑪干沙漠東部地區(qū)土壤濕度與地表氣溫的耦合強(qiáng)度則很弱（大部分絕對(duì)值低于0.6°C）。從3個(gè)不同時(shí)間尺度耦合強(qiáng)度的差異來看（圖4g-4h），全國大部分地區(qū)ISM?LH隨著時(shí)間尺度增加而逐漸減弱，只有西藏西部、新疆東南部和河套—內(nèi)蒙古中部的小部分地區(qū)耦合強(qiáng)度增強(qiáng)；在日尺度上，長江流域ISM?LH是較強(qiáng)的，而到了旬尺度上，長江流域的耦合強(qiáng)度則變得很弱。在耦合強(qiáng)度減弱的區(qū)域中，新疆北部、甘肅—青海一帶和長江流域減小的幅度最大（絕對(duì)值平均能達(dá)到0.2°C左右）；而在少部分耦合強(qiáng)度增強(qiáng)的區(qū)域中，河套—內(nèi)蒙古中部增加最為明顯，在日—候尺度上的增量要大于候—旬尺度上的增量。對(duì)照旬尺度與月—季節(jié)尺度的耦合強(qiáng)度（圖1a），可以發(fā)現(xiàn)全國大部分地區(qū)月—季節(jié)尺度的耦合強(qiáng)度ISM?LH要顯著弱于旬尺度的耦合強(qiáng)度，其中新疆西南部減弱程度比較小，平均減弱0.2°C左右，其他耦合“熱點(diǎn)”區(qū)的減弱則比較明顯。

圖4 中國區(qū)域1981～2013年夏季（a、d）日、（b、e）候、（c、f）旬尺度的表層土壤濕度—地表氣溫耦合強(qiáng)度 I（單位：°C）的氣候態(tài)分布：（a-c） I S M?LH ；（d-f） IS M?SH。 耦合強(qiáng)度（g、h） I S M?LH 、（i、j） I S M?SH在不同時(shí)間尺度上的差異：（g、i）日與候尺度的差異；（h、j）候與旬尺度的差異。藍(lán)色調(diào)表示耦合強(qiáng)度減弱，紅色調(diào)表示耦合強(qiáng)度增強(qiáng)Fig.4 Spatial distribution of the multi-timescales (a, d) daily, (b, e) pentad, and (e, f) ten-day surface soil moisture-surface air temperature coupling strength (°C) in China during the summer of 1981-2013, including the metrics of (a-c) I S M?LH , and (d-f) I S M?SH, and the differences between three timescales for (g-h) I S M?LH and (i-j) I S M?SH.The difference between daily and pentad scales is shown in (g, i); while the difference between pentad and ten-day scales is shown in (h, j).Blue and red tones indicate the decrease and increase in coupling strength, respectively

對(duì)于夏季日、候、旬尺度上基于感熱通量交換的表層土壤濕度—地表氣溫耦合強(qiáng)度ISM?SH的空間分布（圖4d-4f），從圖中可以發(fā)現(xiàn)ISM?SH整體的強(qiáng)度要弱于ISM?LH，ISM?SH大值區(qū)（“熱點(diǎn)”區(qū)域）的范圍都要小于ISM?LH對(duì)應(yīng)的區(qū)域范圍。具體來說，ISM?SH的“熱點(diǎn)”區(qū)域主要位于河套—內(nèi)蒙古西部地區(qū)，以及浙江、福建和江西部分地區(qū)；除此之外，新疆西南部小部分地區(qū)的耦合強(qiáng)度也比較強(qiáng)。對(duì)于中國西北、西藏、東北及長江流域部分地區(qū)，基于ISM?SH指標(biāo)的耦合強(qiáng)度隨著時(shí)間尺度增加而逐漸增強(qiáng)，其中在新疆和內(nèi)蒙古東部地區(qū)，從日到候時(shí)間尺度，陸氣耦合強(qiáng)度增強(qiáng)的幅值約為0.1～0.3°C，而從候到旬尺度上的增加約0.1～0.2°C；上述區(qū)域以外的地區(qū)耦合強(qiáng)度大都隨時(shí)間尺度的增加而逐漸減小。從旬到月尺度，西藏西部、華北北部—東北中部一帶耦合強(qiáng)度幅值的增加可達(dá)0.2°C左右。

就土壤溫度與地表氣溫間的耦合強(qiáng)度而言（圖5），在夏季日、候、旬尺度上，基于潛熱通量交換的表層土壤溫度與地表氣溫耦合強(qiáng)度（IST?LH）的空間分布及其“熱點(diǎn)”區(qū)域，則與ISM?LH的分布相類似，但是整體上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)西北地區(qū)IST?LH的耦合強(qiáng)度較ISM?LH偏弱，而在中國東北地區(qū)、長江流域、甚至長江以南地區(qū)IST?LH的耦合強(qiáng)度則比ISM?LH略微增強(qiáng)；因而長江流域與西北地區(qū)耦合強(qiáng)度的區(qū)域差異比ISM?LH對(duì)應(yīng)的要小。隨著時(shí)間尺度增加，新疆南部耦合強(qiáng)度增加明顯（圖5g-5h）。表層的IST?SH與ISM?SH相比，隨時(shí)間尺度增加，東北地區(qū)耦合強(qiáng)度增加明顯（圖5i-5j）。對(duì)于這兩種土壤溫度—?dú)鉁伛詈现笜?biāo)來說，月尺度的耦合強(qiáng)度相比較于短時(shí)間尺度來說也均有不同程度的減弱。

圖5 中國區(qū)域1981～2013年夏季（a、d）日、（b、e）候、（c、f）旬尺度的表層土壤溫度—地表氣溫耦合強(qiáng)度 I（單位：°C）的氣候態(tài)分布：（a-c） IS T?LH ；（d-f） IS T?SH 。耦合強(qiáng)度（g、h） IS T?LH 、（i、j） IS T?SH在不同時(shí)間尺度上的差異：（g、i）日與候尺度的差異；（h、j）候與旬尺度的差異。藍(lán)色調(diào)表示耦合強(qiáng)度減弱，紅色調(diào)表示耦合強(qiáng)度增強(qiáng)Fig.5 Spatial distribution of the multi-timescales (a, d) daily, (b, e) pentad, and (c, f) ten-day surface soil temperature-surface air temperature coupling strength (°C) in China during the summer of 1981-2013, including the metrics of (a-c) I S T?LH , (d-f) I S T?SH, and the differences between three timescales for (g-h) I S T?LH and (i-j) I S T?SH.The difference between daily and pentad scales is shown in (g, i); while the difference between pentad and ten-day scales is shown in (h, j).Blue and red tones indicate the decrease and increase in coupling strength, respectively

綜上，基于4種指標(biāo)的陸氣耦合強(qiáng)度分布特征的分析表明陸氣耦合強(qiáng)度及“熱點(diǎn)”區(qū)域的分布與不同地區(qū)陸氣交換通量緊密相關(guān)。此外，耦合強(qiáng)度隨時(shí)間尺度變化的關(guān)系表明，針對(duì)日、候、旬時(shí)間尺度，受潛熱影響的耦合強(qiáng)度在全國大部分地區(qū)隨時(shí)間尺度增加而減弱，而受感熱影響的耦合強(qiáng)度在北方大部分地區(qū)隨時(shí)間尺度增加而增強(qiáng)，其余地區(qū)則減弱?？傮w來說，4種耦合強(qiáng)度指標(biāo)均顯示月尺度耦合強(qiáng)度較短時(shí)間尺度的耦合強(qiáng)度在大部分地區(qū)均有不同程度的減弱。

究竟是什么原因?qū)е铝笋詈蠌?qiáng)度隨時(shí)間尺度增加有了上述的變化？圖6分別給出了日—候—旬尺度r12的分布。從圖6可以發(fā)現(xiàn)，rSM?LH和rST?LH有著相似的空間分布特征，雖然相關(guān)系數(shù)的符號(hào)是相反的，對(duì)rSM?SH和rST?SH而言也是如此。就相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間尺度的變化來看，rSM?LH在西北地區(qū)的相關(guān)性隨著時(shí)間尺度增加逐漸增強(qiáng)，且在日—候尺度上的改變更加明顯：在日尺度上，西北地區(qū)相關(guān)系數(shù)大部分地區(qū)在0.7左右，只有小部分區(qū)域超過了0.8；在候尺度上，有超過半數(shù)的面積相關(guān)系數(shù)在0.8以上；到了月尺度上（圖2），西北絕大多數(shù)區(qū)域的相關(guān)系數(shù)均高于0.8。

圖6 中國區(qū)域1981～2013年夏季日（左）—候（中）—旬（右）尺度的表層（a-c）土壤濕度與潛熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS M?LH）、（d-f）土壤濕度與感熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS M?SH ）、（g-i）土壤溫度與潛熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS T?LH） 和（j-l）土壤溫度與感熱通量相關(guān)系數(shù)（ rS T?SH）的空間分布。打點(diǎn)區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.6 Spatial distribution of daily (left), pentad (middle), and ten-day (right) correlation coefficients between the surface (a-c) soil moisture and latent heat flux (r S M?LH ), (d-f) soil moisture and sensible heat flux (r S M?SH ), (g-i) soil temperature and latent heat flux (r S T?LH), and (j-l) soil temperature and sensible heat flux (r S T?SH), during the summer of 1981-2013 in China.Areas with black dots indicate that the correlation coefficients are significant at 95% confidence level

對(duì)于華北地區(qū)，隨著從日—候—旬時(shí)間尺度的增加，土壤濕度與潛熱通量的相關(guān)系數(shù)（rSM?LH）逐漸由負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān)，且正相關(guān)系數(shù)的幅值也逐漸增加，在月尺度上達(dá)到了最強(qiáng)。對(duì)于中國其它區(qū)域，rSM?LH的符號(hào)在日、候、旬尺度上大都保持不變，但土壤濕度與潛熱通量顯著負(fù)相關(guān)的區(qū)域在日尺度范圍最大，候和旬尺度上顯著相關(guān)的區(qū)域明顯減少。

rST?LH隨 時(shí)間尺度的變化特征與rSM?LH相類似，在日—候—旬時(shí)間尺度上，南方地區(qū)和東北地區(qū)土壤溫度與潛熱通量均保持為正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間尺度的增加而減小，且顯著相關(guān)區(qū)域也相對(duì)減少。對(duì)于中國西北地區(qū)，日尺度上rST?LH的幅值相對(duì)最弱，且rST?LH隨日—候—旬尺度的增加逐漸增強(qiáng)，但兩者顯著相關(guān)的區(qū)域則在縮小，這可能與旬尺度分析中的樣本數(shù)較少有關(guān)；但在月尺度上，西北絕大部分區(qū)域土壤溫度和潛熱通量均呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)的幅值可達(dá)0.4以上，這表明西北地區(qū)土壤溫度的年際變化可顯著影響該區(qū)域陸氣間潛熱通量的年際變化。

對(duì)于rSM?SH（圖6d-6f），在日尺度上河套—內(nèi)蒙古地區(qū)的相關(guān)性較強(qiáng)（大約-0.7～-0.5），而西北地區(qū)的相關(guān)性較弱；隨著時(shí)間尺度增加到候、旬，河套—內(nèi)蒙古地區(qū)的相關(guān)性明顯增強(qiáng)，在月尺度上，整個(gè)北方大片區(qū)域的相關(guān)性均強(qiáng)于-0.8。相對(duì)而言，rST?SH的幅值較弱（圖6j-6l），并隨日—候—旬時(shí)間尺度的增加有微弱的增加，然而同樣可以發(fā)現(xiàn)顯著相關(guān)的區(qū)域隨時(shí)間尺度的增加而減少。

對(duì)比r12及耦合強(qiáng)度的變化，我們可以發(fā)現(xiàn)在短時(shí)間尺度（即日—候—旬）內(nèi)，隨時(shí)間尺度增加，南方大部分地區(qū)r12變化不大或者略有減弱，然而對(duì)應(yīng)的耦合強(qiáng)度有明顯減弱；對(duì)于北方地區(qū)，其中西北地區(qū)r12相關(guān)性增強(qiáng)，東北地區(qū)r12變化不大，然而北方地區(qū)受感熱交換影響的耦合強(qiáng)度在大部分地區(qū)緩慢增強(qiáng)，受潛熱交換影響的耦合強(qiáng)度在除新疆南部和河套—內(nèi)蒙古地區(qū)外，其余大部分地區(qū)則明顯減弱。從短時(shí)間尺度增加到月尺度，不同區(qū)域的r12相關(guān)性均明顯增強(qiáng)，但是陸氣耦合強(qiáng)度卻在減弱。為什么會(huì)出現(xiàn)這種變化特征呢？這主要是因?yàn)楸狙芯克捎玫鸟詈蠌?qiáng)度（亦即敏感度）的定義，除了取決于兩個(gè)變量的相關(guān)性外，還與變量自身的變率緊密相關(guān)。兩個(gè)變量的相關(guān)性較強(qiáng)，僅代表兩個(gè)變量間相互影響的潛在能力較強(qiáng)，但是實(shí)際的影響能力和影響程度還與自變量或因變量的變化幅度有關(guān)。

由此，我們在圖7中分別給出了日、候、旬尺度下地表氣溫與潛熱通量、感熱通量的相關(guān)系數(shù)，以及氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的空間分布。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，從日—候—旬尺度，地表氣溫與潛熱通量在西北地區(qū)的負(fù)相關(guān)（rLH?T）隨時(shí)間尺度增加呈略微增強(qiáng)趨勢，但其余區(qū)域的正相關(guān)則明顯減弱，此外隨著月內(nèi)時(shí)間尺度的增加（日—候—旬），地表氣溫與潛熱通量的顯著相關(guān)區(qū)域均明顯減小。就rSH?T而言，中國絕大多數(shù)地區(qū)均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且隨著日—候—旬時(shí)間尺度的增加，地表氣溫與感熱通量的相關(guān)性在南方地區(qū)明顯減弱。但對(duì)比月時(shí)間尺度上地表氣溫與潛熱通量、感熱通量的關(guān)系（圖3），可以發(fā)現(xiàn)中國大部分區(qū)域地表氣溫的年際變化與潛熱通量、感熱通量的年際變化間存在較為顯著的相關(guān)性。已有研究也表明，從月內(nèi)的短時(shí)間尺度（日、候、旬）到月、季節(jié)的較長時(shí)間尺度，來自高頻天氣尺度的擾動(dòng)信號(hào)（比如降水的瞬時(shí)擾動(dòng)等）對(duì)土壤濕度和土壤溫度產(chǎn)生的影響會(huì)逐漸減弱甚至消失，從而使得地氣通量與陸面變量及氣溫之間相關(guān)性逐漸增強(qiáng)（Zeng and Yuan, 2018）。此外，在全國范圍內(nèi)，氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差（變率）隨著時(shí)間尺度增加逐漸減?。▓D7g-7i），大部分地區(qū)月尺度氣溫的變率不到日尺度的一半，這會(huì)使得月尺度的耦合強(qiáng)度明顯減弱。

圖7 中國區(qū)域1981～2013年夏季日（左）—候（中）—旬（右）尺度的（a-c）潛熱通量與地表氣溫相關(guān)系數(shù)（ rL H?T）、（d-f）感熱通量與地表氣溫相關(guān)系數(shù)（ rS H?T）和（g-i）地表氣溫標(biāo)準(zhǔn)差（單位：°C）的空間分布。（a-f）中打點(diǎn)區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.7 Spatial distribution of daily (left), pentad (middle), and ten-day (right) correlation coefficients between (a-c) latent heat flux and surface air temperature (r LH?T ), (d-f) sensible heat flux and surface air temperature (r SH?T), and the (g-i) standard deviation of surface air temperature (°C),during the summer of 1981-2013 in China.Areas with black dots in (a-f) indicate the correlation coefficients are significant at 95% confidence level

綜上我們發(fā)現(xiàn)，從日到旬尺度，西北地區(qū)與感熱交換相關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度隨時(shí)間尺度的變化主要受相關(guān)系數(shù)r12的影響，與潛熱交換相關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度則受氣溫變率的影響較大；兩種相關(guān)系數(shù)（r12和r23）對(duì)東北地區(qū)與感熱交換相關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度都有重要影響，同時(shí)氣溫變率對(duì)東北地區(qū)與潛熱交換相關(guān)的陸氣耦合強(qiáng)度的影響也不能忽略；在南方大部分地區(qū)，耦合強(qiáng)度減弱主要受相關(guān)系數(shù)r23和氣溫變率的共同影響。

5 陸氣耦合強(qiáng)度隨不同土壤深度的變化特征

除了與時(shí)間尺度有關(guān)外，陸氣耦合強(qiáng)度的分布與變化也可能與土壤深度有一定關(guān)系，本節(jié)將以月尺度為例進(jìn)行分析，其他尺度也有類似的特征。需要說明的是，除表層土壤外，其他層次土壤狀態(tài)異常均是通過表層土壤傳遞進(jìn)而影響地表氣溫變化的，本文分析中將次表層（7～28 cm）土壤通過表層土壤傳遞與地表氣溫相互作用的強(qiáng)度簡稱為次表層土壤—地表氣溫的耦合強(qiáng)度，圖8展示了其空間分布特征及與對(duì)應(yīng)的表層耦合強(qiáng)度的差異。與表層土壤—地表氣溫的耦合強(qiáng)度相比，基于不同指標(biāo)的次表層土壤—地表氣溫耦合強(qiáng)度有不同的變化特征。首先對(duì)于次表層的ISM?LH和ISM?SH來說，西北地區(qū)（尤其是新疆南部）的耦合強(qiáng)度大大減弱，大部分區(qū)域耦合強(qiáng)度接近于零，強(qiáng)耦合的“熱點(diǎn)”區(qū)域范圍也大大縮??；以上表明西北地區(qū)地表氣溫對(duì)次表層土壤濕度的異常變化不太敏感。此外，ISM?LH在華北—內(nèi)蒙古東部強(qiáng)度有微弱的增強(qiáng)，其余地區(qū)強(qiáng)度則呈減弱特征；耦合強(qiáng)度ISM?SH在中國中東部呈微弱的增強(qiáng)特征，但總體來說耦合強(qiáng)度的變化并不明顯（大部分小于0.05°C）。其次，對(duì)于與次表層土壤溫度影響相關(guān)的指標(biāo)（即IST?LH和IST?SH），其強(qiáng)度在中國大部分地區(qū)均要弱于表層對(duì)應(yīng)的數(shù)值，但總體變化較小（大部分小于0.05°C）。這說明西北地區(qū)地表氣溫對(duì)表層土壤濕度異常有著較強(qiáng)的敏感性，但對(duì)次表層土壤濕度的變化并不敏感；就土壤溫度而言，西北地區(qū)表層、次表層的土壤溫度異常均可顯著影響到當(dāng)?shù)氐乇須鉁氐淖兓?；而在中國東部地區(qū)，次表層與表層土壤溫度和濕度的異常對(duì)該區(qū)域地表氣溫的影響是大致相當(dāng)?shù)摹?/p>

圖8 中國區(qū)域1981～2013年夏季月尺度的次表層（a-d）土壤—地表氣溫耦合強(qiáng)度的空間分布以及（e-h）對(duì)應(yīng)指標(biāo)的次表層與表層耦合強(qiáng)度的差異（單位：°C）：（a、e） IS M?LH ；（b、f） IS M?SH； （c、g） IS T?LH ；（d、h） IS T?SH。（e-h）中藍(lán)色調(diào)代表耦合強(qiáng)度減弱，紅色調(diào)代表耦合強(qiáng)度增強(qiáng)Fig.8 Spatial distribution of the monthly (a-d) subsurface soil-surface air temperature coupling strength (°C) and (e-h) the corresponding differences between subsurface and surface coupling strength for each metric in China during the summer of 1981-2013: (a, e) I SM?LH , (b, f) I SM?SH, (c, g)IST?LH , and (d, h) I S T?SH.Blue and red tones in (e-h) indicate the decrease and increase in coupling strength, respectively

進(jìn)一步比較圖9a、9b與圖2a、2b顯示的相關(guān)系數(shù)分布，我們可以發(fā)現(xiàn)與表層土壤的相關(guān)性相比，次表層土壤濕度與潛熱通量、感熱通量的相關(guān)性在西北地區(qū)減小最多，而在其他區(qū)域相關(guān)系數(shù)與表層相比變化不大，從而引起西北地區(qū)ISM?LH和ISM?SH大幅度減弱。究其原因，這是由于在新疆南部地區(qū)，次表層土壤含水量很少，如塔克拉瑪干沙漠的大部分區(qū)域土壤濕度都在0.01 m3/m3以下（圖10）。此外，上述區(qū)域次表層土壤濕度的變率相對(duì)表層來說更?。瓷顚邮芡饨缬绊戄^小），從而造成該區(qū)域耦合強(qiáng)度有明顯減弱；除新疆南部外的西北其他區(qū)域，雖然其次表層的土壤濕度相對(duì)于表層有一定增加，但仍然無法抵消次表層土壤濕度變率減小造成的影響（如圖11，中國西北部次表層和表層土壤濕度的年際變率分別為0.0066和0.0085 m3/m3），此時(shí)氣溫對(duì)次表層土壤濕度變化的敏感性也會(huì)減弱。除西北以外的區(qū)域，次表層土壤濕度相對(duì)于表層土壤濕度的絕對(duì)變化值和相對(duì)變化值均比較小，所以這些區(qū)域耦合強(qiáng)度變化不大。以上結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了Koster et al.（2004）指出的只有在土壤干濕配比合適的條件下，陸氣耦合強(qiáng)度最強(qiáng)；土壤過濕或過干時(shí)，耦合強(qiáng)度均會(huì)有不同程度的減弱。

圖9 中國區(qū)域1981～2013年夏季月尺度的次表層相關(guān)系數(shù)的空間分布：（a） rS M?LH ；（b） rS M?SH ；（c） rS T?LH ；（d） rS T?SH。其中打點(diǎn)區(qū)域代表相關(guān)系數(shù)通過了置信水平為95%的顯著性檢驗(yàn)Fig.9 Spatial distribution of the monthly correlation coefficients between subsurface (a) soil moisture and latent heat flux (r SM?LH), (b) soil moisture and sensible heat flux (r S M?SH ), (c) soil temperature and latent heat flux (r S T?LH ), and (d) soil temperature and sensible heat flux (r S T?SH), in the summer of 1981-2013 in China.Areas with black dots indicate the correlation coefficients are significant at 95% confidence level

圖10 中國區(qū)域1981～2013年夏季平均的（a）表層和（b）次表層土壤濕度的空間分布Fig.10 Spatial distribution of the summer-averaged (a) surface and(b) subsurface soil moisture in China during 1981-2013

圖11 1981～2013 年夏季中國西北部（36°N～48°N，72°E～107°E）區(qū)域平均的次表層和表層土壤濕度（單位：m3/m3）的年際變化曲線。其中實(shí)線對(duì)應(yīng)次表層的土壤濕度，虛線則為表層結(jié)果Fig.11 Time series of regional-averaged surface and subsurface soil moisture during the summer of 1981-2013 in Northwest China (NWC;36°N-48°N and 72°E-107°E).Solid and dashed lines represent the soil moisture of subsurface and surface layers, respectively

6 結(jié)論與討論

本文利用最新的ERA5-Land再分析數(shù)據(jù)集，分別計(jì)算了4種基于敏感度的中國夏季土壤—?dú)鉁氐鸟詈蠌?qiáng)度，并給出了它們的氣候態(tài)空間分布特征及隨時(shí)間尺度、土壤深度變化的特征。研究表明，對(duì)基于潛熱通量、感熱通量的陸面變量—地表氣溫耦合強(qiáng)度而言，強(qiáng)耦合區(qū)域的空間分布有明顯差異。其中基于潛熱通量交換的陸面變量—地表氣溫耦合“熱點(diǎn)”區(qū)主要位于中國西北—西藏西部地區(qū)和長江流域；而基于感熱通量交換的陸面變量—地表氣溫耦合“熱點(diǎn)”區(qū)則分別位于中國的河套—內(nèi)蒙古地區(qū)、新疆西南部的小部分區(qū)域，以及長江以南的浙江—福建—江西一帶。就同一類陸氣耦合強(qiáng)度的分布而言，其“熱點(diǎn)”區(qū)域的位置相對(duì)比較固定，這正體現(xiàn)了地表氣溫對(duì)土壤濕度、土壤溫度變化的敏感性的區(qū)域差異。

已有研究表明陸氣相互作用存在大氣主導(dǎo)和陸面主導(dǎo)兩種機(jī)制，一般情況下是上述兩種機(jī)制的共同作用決定了陸氣耦合的強(qiáng)弱。對(duì)于通過潛熱交換影響地表氣溫的耦合過程（如西北地區(qū)的陸氣耦合），其陸氣相互作用過程主要受土壤水分控制，為陸面主導(dǎo)機(jī)制；而對(duì)于中國南方等濕潤地區(qū)，由于夏季普遍水汽充足、土壤濕潤，此時(shí)影響月—季節(jié)尺度地氣間潛熱通量交換的主要因子是地表凈太陽輻射，因此基于潛熱通量的陸氣耦合強(qiáng)度主要受地表凈入射能量的控制，可認(rèn)為是大氣主導(dǎo)。就通過感熱交換影響地表氣溫的陸氣耦合過程而言，土壤溫度的高低直接影響感熱通量的大小，進(jìn)而影響地表氣溫；而土壤溫度直接取決于地表凈入射能量的大小，也會(huì)間接受到土壤濕度變化的調(diào)制，因此該耦合過程實(shí)際上也會(huì)受到大氣入射能量多寡的影響。

此外，陸面變量—潛熱通量—?dú)鉁伛詈系膹?qiáng)度在全國大部分地區(qū)隨時(shí)間尺度增加而減弱，只有新疆南部和西藏西部，以及華北—東北部分地區(qū)耦合強(qiáng)度增強(qiáng)；而陸面變量—感熱通量—?dú)鉁伛詈系膹?qiáng)度在北方大部分地區(qū)都有增強(qiáng)趨勢，南方大部分地區(qū)則為減弱趨勢。與表層土壤—?dú)鉁伛詈蠌?qiáng)度相比，次表層土壤濕度—?dú)鉁叵嗷プ饔玫膹?qiáng)度在西北地區(qū)有明顯減弱，而在其他區(qū)域變化不明顯；而次表層土壤溫度—?dú)鉁叵嗷プ饔玫膹?qiáng)度隨土壤垂直層次的變化不大。

值得指出的是，本文研究雖然采用了最新的ERA5-Land陸面再分析數(shù)據(jù)，但與觀測數(shù)據(jù)相比肯定還存在一定偏差，因此采用更多的野外陸氣相互作用觀測資料、并結(jié)合氣候模式的數(shù)值模擬試驗(yàn)來進(jìn)行陸氣相互作用過程和機(jī)理的認(rèn)識(shí)，是下一步值得深入開展的研究工作。