灌溉如何改变对流环境？——基于GRAINEX试验的多维水热传输分析框架

《Journal of Hydrology》：A novel multi-dimensional water transfer analysis framework

本文推荐：为探究灌溉对对流环境的影响，研究人员基于大平原灌溉试验（GRAINEX）的每两小时一次探空观测数据，系统分析了灌溉与非灌溉下垫面对流有效位能（CAPE）、对流抑制能（CIN）、抬升指数（LI）、850?hPa露点差（DD850?mb）、可降水量（PWAT）以及地表至3?km、700–500?hPa层结曲线等诊断变量的日变化特征。结果表明，灌溉通过增加土壤湿度和潜热通量，使早晨和傍晚的对流环境更为有利，而非灌溉区则在午后更易形成对流。该研究为理解人类活动通过改变陆地水文过程影响局地天气提供了重要观测依据。

　　

在全球范围内，灌溉农业作为最显著的人类活动之一，正在深刻改变陆地表面的水分和能量平衡。以往研究表明，土地利用和土地覆盖变化（LULCC）可通过热力学和物理过程影响天气气候，例如改变地表能量收支、水循环以及地形、植被和环流特征。特别是在美国中西部等灌溉农业集中区域，灌溉导致土壤湿度增加、潜热通量升高，进而可能影响对流发展和降水格局。然而，由于缺乏高时空分辨率的观测数据，灌溉如何具体影响对流环境的日变化特征仍不清晰。为此，由内布拉斯加大学林肯分校高原区域气候中心领衔的研究团队，在2018年开展了大平原灌溉试验（GRAINEX），通过密集的探空观测，首次系统揭示了灌溉与非灌溉下垫面对流环境的昼夜演变规律，相关成果发表于《Journal of Hydrology》。

本研究主要依托GRAINEX试验获取的每两小时一次高频探空数据，覆盖早期生长季（IOP1，5月30日至6月13日）和峰值生长季（IOP2，7月16日至30日）。在灌溉区（ISS3、DOW8）、非灌溉区（ISS2、DOW7）和过渡区（DOW6）共五个站点同步释放探空气球，每日从当地时间05:00至19:00共进行8次观测，累计约1200次探空。研究人员计算了多项对流诊断变量，包括对流有效位能（CAPE）、对流抑制能（CIN）、抬升指数（LI）、850?hPa露点差（DD_850?mb）、可降水量（PWAT）以及地表至3?km和700–500?hPa的层结曲线。数据分析按IOP时段、云量条件（晴空与非晴空）分类，并进行了统计显著性检验，以揭示不同下垫面条件下对流参数的日变化特征及其物理机制。

3.1.1 IOP时段对比分析

从早期生长季（IOP1）到峰值生长季（IOP2），灌溉导致土壤湿度显著增加，潜热通量升高，感热通量降低。在IOP2期间，灌溉区（ISS3）的CAPE值在下午和傍晚显著高于非灌溉区（ISS2），例如15:00和17:00观测时CAPE差值分别达667?J·kg^–1和446?J·kg^–1。同时，灌溉区的CIN值更负（例如IOP2午后CIN平均为–110?J·kg^–1），表明对流抑制更弱，环境更有利于对流发展。PWAT在灌溉区普遍较高，尤其在IOP2的早晨和傍晚，比非灌溉区高出约2.9?mm，反映了灌溉增加大气湿度的作用。层结曲线分析显示，灌溉区在早晨和傍晚的地表至3?km层结更不稳定，而非灌溉区在午后层结不稳定度更高。

3.1.2 云量条件的影响

在晴空条件下，灌溉区在早晨和傍晚表现出更低的LI值（更负）和更高的PWAT，例如07:00和19:00观测时LI可达–3.1?°C，PWAT达28.5?mm，表明这些时段更有利于对流触发。而在非晴空日，灌溉区在午后的CAPE和层结不稳定度仍显著高于非灌溉区。值得注意的是，灌溉使大气湿度整体增加，DD_850?mb在灌溉区普遍降低，尤其在IOP2午后差值达4.3?°C，进一步证实灌溉通过增强蒸散使低层大气更湿润。

3.1.3 云量与IOP交互作用

在IOP2的晴空日，灌溉区在傍晚（19:00）的CAPE达到1586?J·kg^–1，显著高于非灌溉区，且700–500?hPa层结曲线更陡，表明中层大气不稳定性增强。而非晴空日的数据进一步显示，灌溉使对流环境的日高峰出现时间推迟：灌溉区最大CAPE出现在17:00–19:00，而非灌溉区在15:00左右。这种时序差异可能与灌溉导致的边界层升温和湿度累积延迟有关。

本研究通过GRAINEX试验的高频探空数据，首次系统揭示了灌溉农业对对流环境日变化的定量影响。结果表明，灌溉通过改变土壤湿度和地表能量分配，使早晨和傍晚的对流环境更为有利，而非灌溉区则在午后更易形成对流。这一发现不仅深化了对人类活动影响局地天气过程的理解，也为改进强对流天气预报和水资源管理提供了重要科学依据。未来研究可进一步关注灌溉对夜间对流的影响，以及不同气候区灌溉效应的普适性，为可持续农业与水循环管理提供更全面的理论支撑。