抽象性
本文回顾过去十年中西非土地/大气层交互研究本文探讨四大问题:土地数据开发、季节间跨度土地/大气交互作用、中尺度研究和未来前景AMMA土地表面模型互比项目开发对土地表面状态和通量进行了有价值的分析,这些分析应用到许多大规模非洲区域研究中。西非季节性隔年气候研究中,卫星数据分析最新证据和建模研究确认,西非区域气候对陆地表面过程特别敏感,海面过程和区域气候在季节内/季节性尺度上紧密相联研究显示,适当的土地表面进程表示法和土地状况初始化将大大改善预测并增强西非气候的可预测性尺度研究揭示出对土壤水分异性如何影响二元周期内对流暴开发的新理解最后,对未来前景的若干重要问题作了简要探讨。
开工导 言
西非是一个多气候区,包括北段半干旱热带区和南段潮湿热带气候区现今,它是一个生物气候区,以每年草林为主,年均降水量在150至2500毫米之间(图图二)1(a))根据联合国定义一号包括16个非洲国家并覆盖面积约600万千米2.北部边界沿撒哈拉沙漠南端,大西洋西向南东边界没有共识,东边界常用线从喀麦隆山直达乍得湖绝大多数陆地海拔不到300米,尽管沿区域南岸的几个国家存在偏高点
(a)
(b)
(c)
d)
西非上个世纪曾经历重大气候异常北段被称为西萨赫勒,在20世纪遭受世界上最严重和最长的干旱自1960年代后期以来,每年降雨量持续低于长期平均数,1960年代后期和1980年代初期间发生毁灭性干旱(图二)(图二)1(b)并1(c))[2-5..自1980年代后期开始,相对非常干燥时期,雨量恢复(图解)1(b)并1(d))刘等人研究[6发现西非季风的大陆性有所增强,WAM向土地倾斜从1980年代后期转向1990年代和2000年代即反映了这一点。西非水力变异显示20世纪世界最强分叉信号7..区域人口在过去50年中快速增长[8..严重干旱和由此产生的饥荒具有破坏性环境和社会经济后果,连同科学挑战理解异常干旱和气候多变性的原因,为科学界研究西非气候多变性和萨赫勒干旱原因提供了强大的动机,其中大多数发生在西非。Sahel旱用法与WestAfrica旱用法互换已知萨赫勒干旱受海面温度异常强烈影响,无论是在全球还是在邻近非洲大陆区域[九九,10..同时,土地表面过程,包括土地使用和土地覆盖变化,也作为影响西非气候系统的主要因素之一得到广泛调查,而西非气候系统正是本文的重点
气候、土壤、植被、动物群、土地使用和人利用方面有悬浮的横向梯度,它们之间有很强的关联性11..大陆块和相对平面或语法显示地表/大气交互作用在区域气候中起重要作用。从1970年代中期到1990年代,为探索地表对西非气候的影响进行了多项研究。模拟研究在大气模型和土地表面参数化方面有不同复杂度,并一致表示萨赫勒是世界上土地/大气反馈在区域气候多变性中发挥重要作用的区域之一,LULC可能是萨赫勒持久干旱的重要推因[12-20码..相关土地/西非气候研究综合审查主要在21世纪前总结见Sauce et al[21号..
土地/西非气候研究中有几个重要特征[21号..多数研究都以实验设计嵌入LULC变化的明示或隐含方式测试区域气候对几片土地参数的敏感度,如表反射和土壤湿度最近,在早期敏感度研究的鼓励下,西非气候研究引入了更精密植被模型(2) 萨赫勒干旱是这些研究的主要动机多数研究使用3D或2D并发大气/土地表面模型估计土地可能对干旱的贡献3) 少数网站只有几点测量由于当时西非区域观察数据有限,对区域气候和水文循环研究土地模型验证基本缺失然而,这些研究工作在公众和部分气象界达成了共识,即除SST外,土地表面过程是影响西非区域气候的重要组成部分,从而刺激这一领域更广泛的研究。
过去十年中,为更好地了解西非季风/土地间季间交互作用取得了重要进展,尤其是在非洲季风多科分析项目下[22号..过去十年中,我们将在本论文中讨论西非气候和土地进程交互研究的几个主要问题和成绩内段2介绍WAM研究新土地数据开发及其应用段内3侧重于季节性、跨年度和十进制的陆地/西非气候交互研究段内4讨论中尺度交互作用和分节5概述和未来前景
二叉开发西非monsoon研究土地数据
西非季风建模证明有难度,主要原因是时空分辨率不足观测,以及生物圈、大气和水圈对该区域相关进程复杂交互作用不同于前一次只覆盖一或几个网站的观察工作24码AMMA程序组织综合收集资料活动,以便加深理解并改进WAM/Land互动广度空间和时间尺度建模7..Lebel et al讨论全面审查AMMA现场运动关键成绩和从由几百名研究人员组成的社区所作的杰出努力中汲取的教益[25码..
应用多局部点观测大规模大气/土地交互研究总是因尺度差异而构成挑战AMMA地表模型互比项目[26)处理本问题在ALMIP中,一组最先进离线陆地模型(与主机大气模型脱钩)被迫使用最佳质量和最高空间和时间分辨率数据,以更好地了解关键进程及其相应尺度强制由短期数字天气预报低层大气变量和卫星降水混合组成(如热带雨量测量任务(TRMM,[TRMM27号下流辐射通量产品[28码数据从AMMA观察现场运动ALMIP2002-2007年LSM输出与卫星生成表光温度比较29卫星水储存估计30码并观察扰动通量26..评估中,现场扰动测量先升级到ALMIP区位网格比较31号..
总体看来 LSM间协议不错预测潜在通量与西非大都约5%至15%的变异系数完全一致,ALMIPLSM预测表层通量和陆地热水状态变量近似多模型面再分析产品研究32码显示使用多LSM模型模拟表面属性的优异性能组合信号噪声比表层动荡通量在大片区域相当大[约0.7比0.9三十三..
ALMIP数据覆盖西非大部,可视此数据集为当前大规模估计西非陆地表面状态应用最佳代理举例说,ALMIP结果用于AMMA内数度区级案例研究,如灰尘排放和大气反馈研究34号,35码区域大气氮平衡36号..在欧洲中程天气预报中心还利用结果检验初始土壤湿度对中程天气预测的影响[37号))此外,ALMIP结果最近被用于评价数值天气预测和中尺度模型中土地表分量38号区域气候模型三十九和泛环流模型40码))区域水预算估计41号ALMIP表面蒸发通量
ALMIP产品应用西非月光建模评价项目42号在非洲大规模土地/大气交互研究中清晰显示其实用性三十三..发现WAMMEGCMs和RCMs模拟净辐射基本与ALMIP相当一致分治扰动通量与ALMIP大相径庭 并大不相同部分原因似乎在于季风向北偏入大区和正降水偏偏,WAMME模型大都具有更大的蒸发潜在能量ALMIP还生成季风退时最大潜热通量,因为存储水在太阳辐射到达北冬小米前蒸发WAMME模型中只有6个具有这一特征,通常相当弱Hovmoller图中归纳这些特征2WAMME模型模拟隐热通量与ALMIP2004年比较对比ALMIP结果和局部尺度观察显示平均值合理热通量对净辐射约0.35时,该比从萨赫勒到西非南岸所有这些发现应有助于识别当前西非气候建模中的缺陷,理解WAM机制,并推进模型开发
大致而言,ALMIP提供地表变量和通量的稳健区域估计值,来自第一阶段实验中最先进地表模型组合卫星数据介绍(GRACE、AMSR-E等)用于ALMIP数据评价ALMIP数据处理AMMA内许多关键科学问题,例如模拟土地状态和通量并用模型并用并存并获取区域水量预算的更好估计开发数据是过去十年中的一项重大成就,应当为更多科学理解萨赫勒气候及其与土地表面过程和LULC变化关系铺路
3级西非气候多变性和陆地表面处理
过去十年中,西非气候/土地交互作用研究主要侧重于可预测性和预测,即引入适当的土地表面过程是否改善西非气候模拟并增强不同尺度和可能机制的可预测性西非气候以WAM系统为主monsoon循环由海陆热对比和潜热释放到大气中强制维护因此,WAM/Land交互作用是这些研究中的一个主要问题。
数据不足是评价模型生成土地/大气层交互作用的主要障碍。过去十年中,多件遥感产品现成可用某些衍生卫星产品,如归一化差异植被指数和光效辐射分片,被认为可测量绿化植被条件分析卫星产品和气候数据确认植被条件与不同尺度降水关系密切43号-46号上头只建议建模研究Martiny等[43号发现,在南萨赫勒,年度NDVI与并发年份和上发年份的年度降水高度相关另一项研究用植被绿化统计模型46号显示植被和萨赫勒雨间按月时间尺度和按年度时间尺度运行的植被内存有正面反馈研究显示上一年植物生长会影响下一年绿化
统计模型还发现,这些植被-雨量交互作用增加了萨赫勒降水量年间变异,占15摄氏度至20摄氏度间某些次萨赫勒区域年降水量变异的30%之多此外,一些研究也注意到季节性差异。例举Liu等[45码发现萨赫勒区域FPAR与降水关系在春季和夏季为正数,但在秋季和冬季为负数此外,这些卫星衍生产品及其主要模式的趋势和变异性也是某些诊断性研究的主题[47-49号..研究显示,1982-1999年期间,NDVI/LAI(页形索引)增加,撒赫勒表面反射下降[50码-52被解读为从1980年代干燥期恢复植被
尽管由于数据质量差错和数据处理差错、短时段、统计方法稳健性以及使用卫星产品表示实生植物条件的不确定性而使这些类型研究受限,但这些结果还是揭示实生植被/大气交互作用,为评价模型模拟植被/大气交互作用提供新值参考
同时,建模研究显示更多证据表明土地/大气交互作用在不同尺度对WAM系统产生深远影响GLACE研究53号研究土壤湿度/大气联动多环流模型时, 每种模型都进行了数组北夏模拟(6月至8月):用共16次模拟中,土壤湿度随模拟而变化,而在另一堆模拟中,指定的地表下水分时间序列被迫在16次模拟中相同模型模拟降水量不响应土壤水分,降水量差应小到极小土壤水分/大气联动强度图3显示十二大参与模型差差平均全局地图,高值表示土壤湿度条件对降水产生更高影响多重模型估计陆地大气联动强度显示,萨赫勒和其他一些区域(其中大部分沿半干旱区生态带)拥有世界上最强的土壤湿度/气候联动强度
GLACE结果与其他土壤水分反馈研究一致例举Douville等[54号,55号发现适当模拟非洲季风需要充足的土壤湿度信息,如全球土壤湿度项目提供土壤湿度数据56号..使用政府间气候变化专门委员会模型模拟结果noro57号并识别北非为土壤水分反馈强的区域Philippon和Fontaine58码sweet/monsoon调控机制 上年9月至11月萨赫勒雨量可影响7月至9月萨赫勒雨量建模研究59号,60码显示root-zone土壤湿度不作为雨异常效果对下一雨季产生效果的记忆,因此发现它与长期持续干旱无关使用区域气候模型研究61号发现表层条件在降水动态中的作用一般不压倒性,即使在土壤水分对表层蒸发有重大影响的条件下也是如此萨赫勒湿季中心,土壤水分充裕,几乎无法约束蒸发,排除强力陆地-大气层联动此外,Koster等[53号并显示,虽然平均12个以上参与模型模拟显示萨赫勒区域联动强度较高,但模型间存在巨大差异有必要深入调查土壤湿度问题
植被生物物理过程对WAM的影响是正在调查的另一个重要题目。VBP指那些与植被相关联的气候交互过程62..学长等[62分析二环流模型加三种不同土地模型,物理复杂性程度不等VBP对气候影响的重要性是根据两个GCM用不同土地模型模拟全球观察到降水的技能评估的。VBP对实气候系统有影响时,VBP应改善降水模拟,模拟降水和观察之间绝对偏差和根值差值统计化显著下降被采纳为识别VBP效果的标准图4显示5年降水模拟(或提高预测技巧)因GCMVBP过程下降绝对年均偏差西非再次显示世界最大影响进一步分析显示,在西非,土地表面过程在夏季和秋季影响最大,在春季产生一些影响。VBP对WAM的重要性还表现为应用卫星生成植被产品,如LAI和植被覆盖GCM通过使用遥感LAI数据集,与使用基于几场地面测量的LAI相比,在几个夏季季风区,包括西非,近地气候大有改善[63号..
除季节平均值外,陆地对季节内大规模气候多变性的影响也是某些建模研究的一个题目三十九,64码-66号..研究表明,植被特性在西非降水和环流季节性变化中起了重要作用[64码季内水分波动强度足以回馈低层次多姿结构65码..另一项区域模型研究显示,VBP表示更现实化时序和平均季风降水幅度更接近观察,特别是季风前退时间跨几内亚海岸此外,非洲复活喷气机迁移和位置与再分析风更匹配三十九..
数项研究还审查了WAM上陆面/大气层交互机制,特别是在降水方面和WAM特征-AEJ等重要机制。中波层下方的大气温度向北(即撒哈拉上空)向南下方倾斜时,西热带非洲对面温度梯度呈正值,根据大气循环基本热动原理,热风(并因此喷气机)向东最大纬度温度梯度与热干表条件和撒哈拉深混合边界层相联67号-69..武等[70码表示不仅蒸发梯度与土壤湿度高度相关,而且植被特性和或色综合对维护平均气候AEJ也至关重要水分梯度、植被分布和交错生成AEJ,而不只是土壤水分梯度
建模研究进一步证明边缘热梯度、AEJ和WAM降水及其启动之间的密切关系WAMME第一次实验中,11GCM从4月至10月与多成员合并42号..基于观察数据和多模型模拟结果的常见实验函数分析,应用来描述WAM主要特征,并发现PCC1降水和PC1(Sahara模式)和PC2(Sahel模式)地表温度分别特征WAM降水演化和温度梯度北向运动,WAM向北移动/retreat与Sahl模式增增/增WAM进化速度和WAM降水带位置与热梯度开发密切相关研究发现WAM启动与撒哈拉热低开发关系密切:季风启动时间大约为撒哈拉夏温异常峰值后10至15天
分析还显示,对地热通量空间分布、表面温度和水分汇合与模拟降水空间分布密切相关表面潜热通量与AEJ密切关联42号..所有这些都表示地表分治在WAM系统中的重要作用,特别是热效果和表面诱导大规模循环变化,水分通量变化显示这一点。
4级中尺度环流多变和陆面处理
观察显示萨赫勒地区地表植被和土壤条件高度异性[71号..AMMA结果为这种异质如何影响二元周期内对流风暴开发提供了新理解蒸发需求高,撒赫勒植被稀疏,特别是在湿季初期,地表能源平衡受靠近表土水可用性强烈影响72..雨事件在土壤湿度方面产生强度中度变化,由此产生的合理和潜热模式被发现对下午开发新风暴发挥了重要作用。
使用卫星地面温度数据代理土壤湿度(湿面比干面冷达10K),AMMA期间飞机飞行以含湿土和干土为对象泰勒等人[73号发现对流边界层下午温度与陆地表面温度(即与土壤湿度相联的抗coor)大相联度为2.5千米,并发现表层诱发温度梯度与低度风有明显的关联性中尺度循环由土地诱导的进一步证据在森林-作物过渡上提交74号..
数值模型实验显示表面驱动聚合为启动深对流提供优选位置75,76..Taylor等人最近的一项研究强调了这一反馈机制的重要性[77号分析近4000暴风雨 从卫星数据云和先兆地表温度深入跟踪云顶温度回溯到第一场深云出现地点的中尺度渗透系统,能够检验土壤湿度空间结构与对流暴启动概率之间的关系发现与同质表面相比,暴风启动从干土向湿土向上10千米发生的可能性是两倍结果与数值建模研究相容75,76敏感热通量对比驱动环流 产生最大低级汇合5)研究估计,这种效果对该区域8分之一监控监启动具有重要意义,并隐含空间尺度对土壤水分降水反馈信号的非二次影响暴风雨往往启动干土(局部负反馈),但前雨生成异性是反馈的先决条件监控监接送多百公里, 转而产生新异性并偏爱后天更多启动表示对MCS规模有正面反馈,~100千米相似的中尺度进程很可能应负责优先启动覆盖广湿地的监控监工作,如尼日尔内陆三角洲78号..
监控监开发后,各种进程可支配土壤湿度和单个风暴反馈的强度甚至标志22号..Gantner和Kalthoff76显示成熟的监控监和成熟的广度沟面可加湿土壤加固,因为与AMMA观察案例研究一致,可增加对流潜在能72..视二元周期阶段、对冲抑制和综合状态以及湿补丁相对于大规模流的尺度和取向[75..
5级总结未来研究前景
1970年代后期至1990年代使用复杂程度不同的土地模型进行数值敏感度研究后,人们认识到,除SST外,土地表面过程是影响西非区域气候的重要成份,从而促进对该区域土地/大气层交互作用进行更广泛的研究。近几十年来,AMMA对西非进行了大规模现场测量ALMIP利用这一史无前例的努力,对土地表面状态和通量进行了宝贵的分析,这些分析应用到许多大规模非洲区域研究中。
同时,卫星数据分析和建模研究的最新证据确认,西非区域气候对土地表面过程特别敏感,土地表面过程与区域气候之间有强连通发现除海陆热对比外,西非季风开发还与撒哈拉和萨赫勒南部热梯度演化密切相关。西非气候系统变异与地表分治密切相关尺度研究揭示出对土壤水分异性如何影响二元周期内对流暴开发的新理解脉冲暴与与土壤干燥相关时间尺度土壤湿度强相联(几天)表明短期雨量预测可大有进展。所有这些研究都显示适当的土地表面过程表示法和土地状况初始化将大大改善预测并增强西非气候的可预测性
尽管取得了这些进展,但一些关键科学问题仍然存在。最近的观察证据支持以下概念:1950年代至2000年代萨赫勒和周边地区存在强烈的十大气候变异性,这不仅表现在降水方面,而且还表现在SST、植被覆盖、土地使用和土地覆盖变化以及喷雾器类型和空间分布上。WAM/Sahel降水变异与SST相关复杂交互作用仍然缺乏理解,土地表面和气溶胶强制作用仍然缺乏理解。多模型间实验必须进一步展开,以加深理解对SST、土地使用变化、植被和喷雾器在季节性到十进制尺度上可能的反馈WAM/Sahel降水变异的复杂性与这些变异性及其交互作用相关联,因此必须基本理解土地表层过程相对于萨赫勒区域水循环其他变异性的贡献/作用,评估土地相对贡献及其与生成/推广萨赫勒季节性十大气候变异性的其他变异性的互动关系,并理解相关机制例举Koster等研究53号和薛等62研究显示土壤湿度和VBP对西非季风的影响一致性和差异性深入探索背后机制非常重要。此外,有几个问题需要认真和适当处理。
LULC变化对西非干旱的影响是早期土地/大气交互研究的重点(见C节引用一号)然而,由于在土地退化程度和程度上存在争议,评估其对西非气候多变性的实际影响仍是一个未决问题。早期学习79将萨赫勒沙漠定义为撒哈拉沙漠扩展卫星观测缺乏扩展撒哈拉沙漠边界的证据80萨赫勒土地退化概念甚至在最近的一项研究中也失信46号..LULC变换地图甚至显示自1870年以来西非没有显性LULC变换,这可能导致低估其在区域的影响[81..研究显示西非土地退化像Patches,82-84..依据地面测量Hiernaux等[85发现西南尼日尔土地利用总趋势确认自20世纪中叶种植面积以2%的年率增长自20世纪中叶最近编译的历史土地使用数据还显示西非大面积土地使用转换86与全西非人口剧增一致此外,更精确高分辨率土地条件数据评估开始量化测量该区域土地条件变化
举例说Gavaerts和lattanzio51号使用Meteosat航天器数据比较从旱年(1984年)到湿年(2003年)撒赫勒测得的表层反射发现在12摄氏度至18摄氏度间,平均8-9-10月表反射减少约0.06,1984-2003年期间平均区间差最大达0.08与16摄氏度表面反射变化空间分布还显示,在萨赫勒期间表面反射总体下降,最大差值本地超过0.156)作者表示,虽然降水被确定为绿化趋势中决定性控制因子[87人的因素,包括改良土地管理等,也可能解释局部趋势88..根据联合国定义83号荒漠化由各种因素产生,包括气候变异和人类活动1970年代和1980年代大萨赫勒干旱预计会对土地退化产生重大影响,因为1984年至2003年期间即使是部分恢复雨量,都可能导致反照率变化约0.06年反照率变换规范在荒漠化影响研究中为0.115显示对区域气候有重大影响然而,迫切需要综合/识别/分辨人为土地使用变化和区域气候变化引起的土地退化的影响少数研究解决了这一问题举例说,NCE重新分析强制脱机建模研究d'Orgeval和Polcher89表示土地使用变化的影响远不如1951-2000年大西部集水区降水变化的影响重要更多研究加并发模型对进一步评估这一问题十分必要,特别是因为这一问题与未来气候预测关系重大。
数项研究探索西非气候/植被关系52,90..里安等人[90量化识别植被类型、LAI和气候变量(降水和表面温度)之间的强关系并使用卫星数据和现场测量区分植被/气候转换特征研究显示降水差异和对可用土壤水分的影响是该地区土地覆盖物过渡的主要驱动力分析显示对植被分区和结构夏季降水的支配性控制,木草原限制在每年降水量大于1000毫米的地区,浅木草原限制在>700毫米降水区,稠树草稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树稀树
双向植被/气候交互作用的重要性在建模研究中也得到了证明,其中一些侧重于非洲古气候91,92..王等[93调查大规模海洋强制作用和本地植被反馈使用全球生物圈-大气模型对萨赫勒降雨变异性的影响研究审查了将植被作为地球气候系统动态构件而非静态边界条件处理的效果植物动态模型实事求是复制萨赫勒区域雨量多叉度波动在同一模型中保持植被静态可形成雨量机制,特征为短得多时间尺度波动,显示植被动态作用为区域气候持久机制上文提到的DVM研究主要侧重于长期均衡条件研究未来气候变化和社会规划2集中度94-96短期应用DVM,例如跨年至十进制时间尺度,仍是一个巨大的挑战有必要用局部尺度/高分辨率卫星数据和现场数据检查DVM
此外,为了在区间完全并发大气建模方面取得实质性进展,并改进对气候变化及其影响的季节性预测和预测,并理解所涉机制,显然必须努力改善该地区特有的陆地表层和水文过程的表示方式(例如从土壤深层抽取、防水渗透效果、大规模子电网横向水转移),并提供数值天气预测模型,在土壤水分初始化方面提供更精确空间结构这需要开发技术同化与土地表面有关的卫星数据,最突出的是土壤湿度、土地表面温度和植被LAIALMIP第2阶段正在解决这一问题,即使用AMMA-CATCH剖面观察数据评估局部至流域级LSM和水文模型组合11..然而,Agusti-Panareda等人的研究实例[97提供警告注解在该研究中,ALMIP衍生土壤湿度用于初始化数列预测和输出,而标准土壤湿度初始化则基于屏级观测同化论文作者发现,萨赫勒降水模型中的实质性干偏对土壤湿度不敏感,表示其他过程(特别是辐射和对流)占主导地位只有当模型充分捕捉到决定季风系统的基本过程描述时,我们才期望额外土地表面信息的全部值提高预测值
感知感知
这项研究得到了美国国家科学基金会ATM-0751030赠款的支持作者也感谢Dr.兰迪科斯特 美国航天局EUMETSAT的Yves Govaerts为本文提供数字匿名评审者提供极具建设性和详细的评论/建议,大有助于改善本文件他们真的感谢评审者的努力和贡献