基于土壤湿度-植被-大气相互作用的干旱自我强化机制研究

Land drought is amongst the most damaging natural disasters in China; with the changing climate, its occurrences and severity have increased significantly. In addition to precipitation deficit, the soil moisture-vegetation-atmosphere interactions have considerable effects on land water and heat fluxes, which may act as an important self-intensification mechanism of severe drought. However, little is understood with this regard especially in China. Using approaches of statistical diagnosis and numerical simulations, the following studies will be carried out. Firstly, sophisticated mathematical approaches will be used and developed to disentangle the directed signals of the soil moisture-vegetation-atmosphere interactions and to identify the hotpoints of these interactions over China. Secondly, the long-term satellite soil moisture product (1981-2015) will be assimilated into the RegCM4.6 regional climate model, and the land vegetation parameterizations (LAI and PFTs) of this model will also be improved; and then numerical experiments will be performed to reveal the possible impacts of land-vegetation-atmosphere interactions on terrestrial water and heat fluxes. Through these experiments, in-depth understanding of the drought self-intensification mechanism will be achieved and its contributions to the long-term drought changes (including occurrences and severity) over China will be assessed, thereby so as to improve the predictability of severe drought in the warming climate.

地表干旱是我国最严重的水文气象灾害之一，在气候变暖条件下发生频率和强度都显著增加。除了降水异常这一原因外，土壤-植被-大气之间的相互作用显著地影响地表水热通量，是重大干旱事件的一种自我强化机制；但是，这种干旱自我强化机制对我国干旱的影响，尚有待系统和深入的研究。本项目拟综合采用诊断分析和数值模拟手段，开展以下研究：采用并开发严谨的数学分析方法，分离土壤-植被-气温相互作用的信号并识别其关键区域；将长序列(1981-2015年)卫星遥感土壤湿度同化到RegCM4.6区域气候模式，并改进其陆面植被参数化方案，进而模拟土壤湿度-植被-气温之间的相互作用；理解土壤湿度-植被-气温相互作用对地表水热通量的影响，揭示重大干旱事件的自我强化机制，并量化该强化机制对我国干旱（频率、强度等）长期变化趋势的影响，提高气候变暖环境下我国重大干旱灾害的预警预报能力。

陆面大气相互作用是当前的研究热点，国内外研究表明，土壤-植被-大气之间的相互作用显著地影响地表水热通量，这是重大干旱事件的一种自我强化机制；但是，该机制对极端干旱事件及其长期变化的具体贡献尚有待深入研究。本项目重点开展了以下几个方面的研究：1）基于深度学习遥感大数据融合技术和地表微波辐射传输模型，采用中国气象局风云气象卫星资料，建立了了长序列全球逐日土壤湿度、蒸散发、气温产品。2）采用基于能量平衡的诊断方法研究土壤湿度-气温反馈的热点区域主要在过渡区，发展了基于信息流理论，气候系统“驱动-响应”机制诊断方法，分离气候变量之间的双向反馈关系并实现其在时频域的定量表达，为研究多变量相互作用提供了严谨的数学工具。3）基于土壤湿度-大气相互作用，评估气候变暖条件下其对我国干旱长期变化的影响及其影响机制。4）研究植被变化产生的水文气候效应对干旱的影响机制，发现降水控制了全球干旱地区蒸散发年际趋势变化，净辐射Rn主导了热带地区蒸散发趋势变化，而饱和水汽压差VPD对北半球中高纬度蒸散发年际变化。本项目共发表SCI论文31篇，发表中文核心论文2篇，获得已授权国内发明专利9项，美国专利2项，累计培养硕士研究生10人，博士研究生6人，获得2022 年度中国发明协会创业奖成果奖二等奖，2021 年度江苏省科技进步一等奖。2019 年度中国地理信息产业协会科技进步二等奖。