局地与远距离陆—气相互作用在西南地区一次长历时复合干旱高温事件中的作用

《Weather and Climate Extremes》：The role of local and non-local land-atmosphere interactions in a prolonged compound drought and hot extreme event in Southwest China

　　

全球变暖导致复合干旱高温事件（compound drought and hot extreme events，CDHEEs）频繁发生，陆—气相互作用在其发展过程中发挥着重要作用。除局地陆—气相互作用外，非局地陆—气相互作用近年来在CDHEEs演变中受到越来越多的关注。本研究以一次长历时CDHEE为例，探讨了2019年西南地区（Southwest China，SWC）季风前季节（3—6月）局地与非局地陆—气相互作用的作用。结果表明：（1）此次CDHEE始于3月，受影响面积在4月和5月迅速扩大，并于5月达到最大范围。基于标准化土壤湿度指数（Standardized Soil Moisture Index，SSMI）的显著下降，此次长历时CDHEE被划分为三个阶段。其起始于缅甸沿海，随后向东和向北扩展，最终发生在西南地区的云南省。（2）在此过程中，局地感热贡献了95%，而非局地平流感热仅贡献了5%。这种局地与非局地平流感热的比例主要是在大尺度异常高压系统背景下产生的，并且与该高压系统的东移有关，而西南地区的特殊地形削弱了平流热量输送。（3）关于局地陆—气相互作用，耦合模式由“辐射限制型”转变为“土壤湿度限制型”，从而增强了陆地与大气之间的能量通量。这一机制促进了西南地区CDHEE的发生和发展。因此，与非局地陆—气相互作用相比，局地陆—气相互作用在西南地区CDHEE的发展中占主导地位。

论文解读：局地与远距离陆—气相互作用在西南地区一次长历时复合干旱高温事件中的作用

研究背景与科学问题

在全球变暖背景下，复合干旱高温事件（CDHEEs）的发生频率和强度显著增加。这类事件不仅会导致水资源枯竭、农业生产受损、生态系统破坏，还会增加能源需求与野火风险，对人类健康及社会经济可持续发展构成严重威胁。陆—气相互作用是驱动CDHEEs发生与发展的核心物理过程。早期研究多聚焦于局地陆—气相互作用，即土壤湿度减少导致潜热（latent heat flux，LHF）降低、感热（sensible heat flux，SHF）升高，进而加剧高温干旱的正反馈机制。然而，近年来的研究指出，非局地陆—气相互作用同样关键，即上游地区通过改变能量或水汽输送，能够影响下游区域的天气气候。尽管学界对局地机制已有较好认识，但局地与非局地过程在极端事件中相对重要性仍不明确。西南地区（SWC）位于热带与亚热带交界处，干湿季分明，是CDHEEs的高发区。2019年季风前季节，该地区遭遇了一次历史罕见的长历时CDHEE。值得注意的是，在此次事件发生前，上游的缅甸和印度地区也经历了严重干旱。这引发了研究人员的思考：2019年西南地区CDHEE的发展主要受控于局地还是非局地效应？上游干旱区的热力强迫是否通过非局地陆—气相互作用影响了下游？为此，研究人员以此次事件为例，深入剖析了局地与非局地陆—气相互作用的物理机制。本研究成果发表在国际期刊《Weather and Climate Extremes》上。

关键技术方法

为实现上述研究目标，研究人员采用了多源数据与先进的诊断追踪技术。首先，研究使用了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5小时再分析数据集，涵盖近地表气象要素（如2米气温、降水、地表感热与潜热通量、净太阳辐射等）以及多层大气环流场（风场、位势高度、比湿等）。同时，结合了中国气象局国家气象信息中心提供的CRA_LAND土壤湿度（soil moisture，SM）数据和中国地面站逐日观测数据作为验证与补充。在研究方法上，研究人员构建了三个核心框架：一是基于拉格朗日模型的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型（Hybrid Single Particle Lagrange Integrated Trajectory Model，HYSPLIT），用于追踪气块的后向轨迹并计算干空气静态能量（EDS）的变化，从而定量分离局地感热与非局地平流感热的贡献；二是引入两步耦合指数（Two-step Coupling Index，TCI），通过计算土壤湿度与潜热通量（TCI_SM-LHF）以及潜热通量与抬升凝结高度（lifting condensation level，LCL）（TCI_LHF-LCL）的协变关系，诊断陆—气耦合的类型与强度；三是采用标准化土壤湿度指数（SSMI）与标准化降水指数（Standardized Precipitation Index，SPI）定义干旱等级，并以日最高气温超过1981—2019年气候态第90百分位阈值定义高温，将两者同日发生定义为CDHEE。

研究结果

2019年CDHEE的演变特征

通过对1981—2019年西南地区前汛期气象变量的分析发现，2019年的高温日数（hot extreme days，HED）和干旱日数（drought days，DD）均达到历史最长，而土壤湿度（SM）降至历史第二低，表明该年极端性显著。此次CDHEE始于3月，4月和5月受影响面积迅速扩大，并于5月18日达到最大。基于SSMI的显著下降，研究人员将事件划分为三个阶段：第一阶段（3月10日至30日）、第二阶段（4月9日至26日）和第三阶段（5月5日至21日）。在空间移动路径上，事件最初起源于缅甸沿海，随后向东和向北扩展，最终中心移至云南省。

CDHEE期间感热的局地与非局地加热效应

利用HYSPLIT模型追踪气块来源，结果显示影响西南地区的气块主要来自三个通道：西侧（印度半岛经缅甸）、东南侧（南海至孟加拉湾）和东北侧（中国中部）。其中，西侧来源占比高达97.8%以上。通过干空气静态能量变化估算热量收支，研究发现局地感热贡献了总感热的约95%，而非局地平流感热仅占5%。这表明虽然上游存在热平流，但局地地表加热才是导致此次高温的主导热源。这种比例分配与大尺度异常高压系统的控制及其东移有关，同时西南地区西侧的高大横断山脉地形阻挡了气块的进入，削弱了非局地热输送。

CDHEE期间的局地陆—气相互作用

在环流背景方面，2019年3月至6月西南地区受深厚下沉运动异常控制，抑制了对流降水，导致雨季推迟。同时，水汽输送呈现异常南撤，孟加拉湾异常反气旋和东海异常气旋的配置进一步减少了西南地区的水汽输入。在能量交换方面，由于云量减少，地表接收到的太阳净辐射（surface net solar radiation，SSR）大幅增加，导致地表感热通量（SHF）显著升高，而潜热通量（LHF）持续偏低。通过TCI指数诊断发现，随着干旱加剧，陆—气耦合模式发生了根本性转变：从早期的“辐射限制型”（radiation limited，即土壤水分充足，蒸散发受辐射控制）完全转变为“土壤湿度限制型”（soil moisture limited，即土壤水分匮乏，蒸散发受水分供给限制）。在“土壤湿度限制型”下，TCI_SM-LHF为正且增强，TCI_LHF-LCL为负，意味着随着土壤变干，潜热进一步减少，抬升凝结高度（LCL）增加，极不利于对流降水的形成，从而形成了干旱—高温加剧的恶性循环。直到6月末季风爆发带来大量降水，土壤湿度恢复，耦合类型才重新转回“辐射限制型”，事件随之结束。

讨论与结论总结

本研究通过定量的拉格朗日追踪与陆—气耦合诊断，揭示了2019年西南地区长历时CDHEE的发生机制。研究确认，尽管上游非局地感热平流存在，但其贡献微乎其微，局地陆—气相互作用才是主导因素。这种局地主导性与西南地区特殊的地理位置和地形屏障密切相关，不同于中国北方等平坦地区易受非局地影响的情形。研究结论强调，在此次事件中，大尺度高压控制下的异常少雨导致了土壤严重缺水，触发了强烈的“土壤湿度限制型”耦合，使得地表能量分配由潜热转向感热，进而加剧了高温和干旱的复合效应。这项研究不仅厘清了特定地形条件下极端事件的物理机制，也为未来极端气候的预测和归因提供了重要的理论依据。