陸面過程與天氣研究

　　摘要陸面作為大氣運(yùn)動的下邊界，通過動量、熱量及物質(zhì)交換與大氣發(fā)生復(fù)雜的相互作用。陸面過程被認(rèn)為是影響天氣氣候的關(guān)鍵過程之一。關(guān)于陸面過程對氣候的影響已經(jīng)開展了大量較為深入的研究，相比之下，陸面過程對天氣的研究并沒有受到足夠的重視。近年來，陸面過程與天氣研究也開始受到了越來越多的關(guān)注。本文從陸面基本要素、下墊面構(gòu)成、陸面誘發(fā)的局地環(huán)流三個方面，回顧了土壤濕度、地形、土地利用、山谷平原環(huán)流等要素和過程對強(qiáng)對流、暴雨、臺風(fēng)、高溫?zé)崂说忍鞖馐录�影響研究的相關(guān)進(jìn)展，以期為今后的研究提供參考。需要指出，盡管此方面的研究已取得了一定進(jìn)展，但關(guān)于陸面過程對天氣，尤其是極端(高影響)天氣的影響及機(jī)制還有待深入研究，進(jìn)而從陸面過程的角度來理解重要天氣形成、發(fā)生和發(fā)展的機(jī)理，從而為數(shù)值模式發(fā)展和天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供更有力的科學(xué)支撐。

　　關(guān)鍵詞陸面過程;天氣;研究進(jìn)展

　　0引言

　　陸面是天氣氣候系統(tǒng)的重要組成部分，而陸面過程是影響大氣環(huán)流和天氣氣候狀態(tài)的關(guān)鍵過程之一。陸面作為大氣運(yùn)動的重要下邊界，與大氣間存在著復(fù)雜的相互作用;陸氣間熱量、動量、水分交換可以有效地調(diào)節(jié)地表能量收支和水文循環(huán)。陸面水熱狀態(tài)通過地表潛熱感熱通量影響邊界層垂直結(jié)構(gòu)和混合過程，進(jìn)一步引起陸地本身、邊界層以及上方自由大氣的變化。

　　此外，由于陸面特殊的物理性質(zhì)，其對大氣的強(qiáng)迫具有很強(qiáng)的日變化、季節(jié)變化、記憶性、非均勻性等重要特征，深刻地影響著局地天氣氣候的時空分布與演變規(guī)律，是天氣氣候形成的一個重要影響因素。自從上個世紀(jì)70年代以來，陸面過程及其氣候效應(yīng)已受到廣泛關(guān)注。大量的研究表明陸面熱力狀況、土壤濕度、積雪、植被覆蓋等陸面要素通過改變陸面熱力狀況，進(jìn)而能對大氣環(huán)流、區(qū)域乃至全球氣候產(chǎn)生重要影響[1-7]。

　　土壤濕度是影響陸面熱力異常的重要因子，它可以影響地表蒸發(fā)、調(diào)控地表熱通量，從而對氣候產(chǎn)生局地、非局地影響[6,8-10]。而積雪通過高反照率、低傳導(dǎo)率和水文效應(yīng)三方面的氣候效應(yīng)，能顯著影響影響大氣環(huán)流、季風(fēng)活動等[11-13]。此外，植被覆蓋變化也可通過改變地表反照率、粗糙度、蒸散發(fā)等引起環(huán)流變化，是區(qū)域及全球氣候變化的重要影響因素[14,15]。

　　近年來，很多學(xué)者開始關(guān)注陸面過程對天氣的影響。陸面作為大氣的下邊界條件，直接影響了天氣過程的發(fā)生發(fā)展。早期關(guān)于陸面地表通量、陸面參數(shù)化方案的敏感性試驗(yàn)充分說明，考慮陸面過程有助于提高模式對一些關(guān)鍵天氣過程的模擬[16-20]。近年來，針對降水日變化、空間分布、觸發(fā)機(jī)制以及高溫?zé)崂司S持增強(qiáng)等天氣過程的研究發(fā)現(xiàn)，陸面過程在其中扮演了不可忽視的作用[21-23]。

　　陸面強(qiáng)迫的日變化特征不僅僅對局地低層大氣溫濕狀態(tài)產(chǎn)生定常強(qiáng)迫，也通過陸面的空間非均勻性引發(fā)異常環(huán)流，使得降水系統(tǒng)穩(wěn)定地維持于特殊區(qū)域。然而，由于缺乏高時空分辨率的觀測數(shù)據(jù)和陸面過程模擬的不確定性，關(guān)于陸面過程影響天氣的研究仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。陸面過程影響天氣的過程十分復(fù)雜，涉及到不同的陸面要素和不同的陸地下墊面，而且通常還和陸面過程誘發(fā)的環(huán)流系統(tǒng)有關(guān)。

　　具體包括：(1)陸面基本要素的影響，例如粗糙度、反照率、地表水熱狀態(tài)(土壤濕度、地表溫度)等;(2)陸地下墊面構(gòu)成的影響，例如地形、植被、湖泊、城市等;(3)陸面引起非均勻環(huán)流的影響，例如海陸風(fēng)、山地—平原環(huán)流、邊界層輻合線等[24]。本文將從上述典型的陸面影響天氣的過程出發(fā)，回顧陸面影響天氣的相關(guān)進(jìn)展，以期對未來這方面的研究提供有益的參考與啟示。

　　1陸面基本要素對天氣過程的影響

　　1.1地表粗糙度

　　地表粗糙度是邊界層湍流參數(shù)化方案中重要的基本參數(shù)，反映了下墊面對大氣運(yùn)動的阻擋作用，廣泛應(yīng)用于地表通量的估算中，決定了地表和近地層大氣間動量、熱量和水汽交換，從而對天氣氣候產(chǎn)生了重要影響。陸地下墊面與海洋相比具有較大的粗糙度，這種粗糙度異�？梢詫�降水系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。陸面摩擦拖曳作用能降低近地層風(fēng)速，減緩降水天氣系統(tǒng)的移動速度。

　　例如，Wan和Zhong[25]利用集合模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)單個大型城市引起的粗糙度異常能延長暴雨系統(tǒng)停滯時間，增加城市附近的局地降水。Du等[26]在華南沿岸降水研究中發(fā)現(xiàn)，陸地較大粗糙度產(chǎn)生的摩擦輻合使得強(qiáng)對流降水在沿岸地區(qū)觸發(fā)加強(qiáng)，而在去除陸地的敏感性試驗(yàn)中，由于缺少摩擦輻合抬升運(yùn)動和水汽輻合條件，對流強(qiáng)度大幅度減弱。除了海陸粗糙度差異以外，田晨等[27]認(rèn)為不同植被覆蓋導(dǎo)致的粗糙度異常也能通過摩擦輻合影響強(qiáng)對流降水強(qiáng)度與空間分布。對于尺度更大的登陸臺風(fēng)來說，陸面較大粗糙度引起的地表摩擦也是重要的動力強(qiáng)迫。

　　根據(jù)Emanuel提出的最大潛在強(qiáng)度(MaximumPotentialIntensity)理論[28-30]，臺風(fēng)的能量來源是地表焓通量，能量耗散率則取決于地表摩擦。臺風(fēng)登陸后，陸地下墊面地表摩擦大幅度增強(qiáng)，削弱了臺風(fēng)地表風(fēng)速的同時也減弱了邊界層焓通量輸送，因而登陸后臺風(fēng)強(qiáng)度大多減弱[31]。另一方面，陸地下墊面粗糙度引起的地表摩擦也會破壞臺風(fēng)雨帶對稱結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)對流雨帶非對稱性[32-36]。Chen和Chavas近期通過理想試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)[33]，沿岸較大的粗糙度甚至能通過局地動力輻合，短暫加強(qiáng)登陸臺風(fēng)降水(登陸后前12小時)，隨著臺風(fēng)進(jìn)一步深入內(nèi)陸，在摩擦耗散下強(qiáng)度逐漸減弱。

　　1.2地表反照率

　　反照率能通過改變地表能量平衡影響局地大氣，進(jìn)而對大氣環(huán)流和天氣過程產(chǎn)生影響。當(dāng)?shù)乇矸凑章蕼p少時，陸地吸收短波輻射增加，地表熱通量增大，從而可以增強(qiáng)低層不穩(wěn)定，利于對流降水觸發(fā)增強(qiáng)[37]。

　　積雪、植被等陸面覆蓋狀況決定了地表反照率的大小與空間分布。積雪導(dǎo)致的高反照率使得地表接收太陽短波輻射減少，局地地表溫度下降，抑制了地表感熱通量，更不利于融雪從而形成正反饋機(jī)制[38-40]。這種反照率效應(yīng)對于地表能量平衡有重要影響，因而積雪模擬或積雪參數(shù)化中的誤差會對大氣狀態(tài)和天氣模擬、預(yù)報(bào)結(jié)果產(chǎn)生很大影響[41,42]。積雪的非均勻分布也能通過反照率效應(yīng)產(chǎn)生局地?zé)崃Σ町�，誘發(fā)類似于海陸風(fēng)環(huán)流的“雪風(fēng)環(huán)流”(SnowBreeze)[43,44]。除此以外，Letcher和Minder[45]發(fā)現(xiàn)落基山山脈積雪引起的熱力異常還能影響山地—平原環(huán)流的強(qiáng)度，進(jìn)而調(diào)控相關(guān)地區(qū)的降水觸發(fā)、空氣污染擴(kuò)散等天氣過程。

　　人為排放的黑碳等氣溶膠顆粒能污染積雪使其反照率降低，從而影響短波輻射吸收和融雪過程，其氣候效應(yīng)近年來得到了很多關(guān)注[46-48]，但對短期天氣的影響及重要性仍不明確。植被增長也能起到降低反照率的作用，通過增加地表凈輻射使得局地氣溫升高。近年來關(guān)于毀林氣候效應(yīng)的研究表明，這種植被反照率效應(yīng)能使得中高緯度地區(qū)溫度下降[49-51]。而張寶慶等[52]關(guān)于植被恢復(fù)對黃土高原局地降水反饋效應(yīng)的研究表明，植被覆蓋度增加引起的反照率效應(yīng)對地表起到加熱作用，盡管植被蒸散發(fā)也能起到冷卻作用，但是反照率效應(yīng)的加熱效果更強(qiáng)，最終結(jié)果是黃土高原的植被恢復(fù)工程促進(jìn)了局地降水。

　　1.3陸面水熱狀態(tài)

　　土壤濕度是表征陸面水熱狀態(tài)的重要物理量，它可以通過蒸發(fā)參與水分循環(huán)過程，也能通過地表熱通量改變局地大氣狀態(tài)，在天氣系統(tǒng)發(fā)展演變過程中扮演著重要角色。土壤濕度—降水的局地反饋關(guān)系非常復(fù)雜，土壤濕度可以通過直接和間接作用影響降水。土壤濕度的直接作用是較濕的土壤可以通過蒸發(fā)增加局地水汽。而近年來，土壤濕度間接作用相關(guān)的正負(fù)反饋機(jī)制得到了更多關(guān)注[8,10,18,53]。

　　其主要的正反饋機(jī)制為：潮濕的土壤通過地表潛熱通量使邊界層大氣中的濕靜力能增加，即加濕過程，從而使得抬升凝結(jié)高度降低，利于對流觸發(fā)，降水增強(qiáng)[54-59]。另一種正反饋機(jī)制為：潮濕土壤降低了地表反照率，通過反照率效應(yīng)增加了地表凈輻射和地表氣溫，從而促進(jìn)邊界層濕靜力能增加[55]。

　　而負(fù)反饋機(jī)制則為：干燥的下墊面能產(chǎn)生較大的感熱通量，即增溫過程，使得邊界層高度迅速增加并超過自由對流高度，促使對流降水產(chǎn)生[57,60-62]。除了上述局地土壤濕度—降水反饋效應(yīng)以外，土壤濕度對降水的影響還取決于其空間分布，較大的土壤濕度水平梯度可以引起局地?zé)崃Ξ惓－h(huán)流，其相應(yīng)的抬升運(yùn)動決定了對流降水的空間分布[63-67]。

　　在土壤濕度—降水的反饋?zhàn)饔弥�，何種機(jī)制占主導(dǎo)地位更多地取決于對流發(fā)生時的天氣背景條件，因而需要針對具體的天氣過程展開分析[68]。從降水的水汽條件來看，前期土壤濕度異常能通過增強(qiáng)地表蒸發(fā)為水汽平流較小的降水過程提供額外水汽從而增強(qiáng)降水[69]。陳海山等[37]發(fā)現(xiàn)土壤濕度對于大尺度和中尺度對流降水的影響機(jī)制并不一致，土壤濕度能分別通過地表熱通量和低層環(huán)流影響對流降水和大尺度降水的分布與強(qiáng)度。

　　在更小尺度上，土壤濕度也能通過調(diào)制對流系統(tǒng)中的冷池，影響后續(xù)降水[70-72]。更干的地表有利于冷池強(qiáng)度增強(qiáng)、數(shù)量增多，這進(jìn)一步增強(qiáng)了陣風(fēng)鋒并抑制夾卷，從而促進(jìn)后續(xù)對流降水[73,74]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，如果潮濕土壤能類似于暖洋面提供足夠的地表潛熱通量，就能維持登陸臺風(fēng)強(qiáng)度，促進(jìn)登陸臺風(fēng)降水，這種作用被稱為“褐海效應(yīng)”(BrownOceanEffect)[75]。

　　最早Emanuel等[76]針對澳大利亞登陸颶風(fēng)陸上加強(qiáng)的過程提出一種假設(shè)：溫度較高的沙土儲存了大量熱量，被外雨帶濕潤后能迅速釋放大量的潛熱通量從而使登陸臺風(fēng)獲得大量能量，促進(jìn)其在陸上維持或加強(qiáng)。之后很多學(xué)者通過颶風(fēng)“Erin”、“Harvey”、“Oswald”、“Utor”等個例分析都證明了褐海效應(yīng)加強(qiáng)臺風(fēng)降水的可能性[77-83]。這種過程說明了在大氣水汽充足條件下，土壤濕度與降水存在正反饋?zhàn)饔谩?/p>

　　除了對降水過程有重要影響外，土壤濕度還對高溫?zé)崂说忍鞖膺^程具有十分重要的作用。例如2003年歐洲夏季熱浪過程中，較低的土壤濕度限制了地表蒸發(fā)并加強(qiáng)了地表感熱通量，促進(jìn)低層氣溫升高的同時放大了反氣旋環(huán)流異常信號，從而形成了土壤濕度—高溫正反饋過程，延長了高溫?zé)崂耸录�的持續(xù)時間[84-86]。一些研究通過區(qū)域氣候模式或個例研究發(fā)現(xiàn)，這種陸氣耦合過程也能顯著增加中國高溫?zé)崂耸录�頻率和強(qiáng)度[87-89]。地表溫度是陸面熱力狀態(tài)重要的表征指標(biāo)，隨著太陽輻射具有很強(qiáng)的日變化規(guī)律[90]。

　　地表溫度午后快速升高并通過地表感熱通量加熱低層大氣，從而產(chǎn)生局地不穩(wěn)定條件，這是陸面熱力強(qiáng)迫影響局地對流天氣最直接的方式[59,91,92]。通過增加分辨率或引入同化資料從而精確表征地表熱力狀態(tài)的空間分布能有效地改善地表熱通量和低層環(huán)流場的模擬效果，提高暴雨等天氣過程的模擬能力[17,93]。近年來，關(guān)于融雪的水文效應(yīng)對局地天氣氣候過程的影響也得到了很多關(guān)注[13,41,94,95]。Wallace和Minder[95]發(fā)現(xiàn)融雪能通過增加土壤濕度、抑制地表溫度并吸收熱量從而改變陸面水熱狀態(tài)，影響對流降水，在氣候變暖的背景下這種過程更加值得關(guān)注。

　　2陸地典型下墊面對天氣過程影響

　　陸地下墊面具有很強(qiáng)的非均勻性。地形、土地利用和土地覆蓋造成的陸面熱力、動力強(qiáng)迫的空間差異使得陸面影響天氣的過程十分復(fù)雜。

　　2.1地形作用

　　山脈、高原、盆地等復(fù)雜地形能通過動力強(qiáng)迫影響對流降水在內(nèi)的多種天氣過程發(fā)生發(fā)展的物理機(jī)制與空間分布特征，其主要機(jī)制包括觸發(fā)地形波、促使氣流繞流或抬升等。根據(jù)地形尺度與氣流強(qiáng)度，地形能使氣流繞流或抬升，其中地形抬升是觸發(fā)迎風(fēng)坡降水的最常見機(jī)制[96-102]。Zhang等[102]在浙江南部山區(qū)一次颮線過程中發(fā)現(xiàn)，對流單體在山地地形的抬升作用下沿著山脈生成發(fā)展，最終發(fā)展為颮線結(jié)構(gòu)。

　　山脈地形也能通過產(chǎn)生地形波來影響降水[103-105]。例如，謝家旭和李國平在一次山地暴雨個例中發(fā)現(xiàn)，低層上坡風(fēng)與高層氣流形成的風(fēng)切變利于激發(fā)地形重力 波，重力波進(jìn)一步建立了低層輻合—高層輻散的流型，促進(jìn)對流有組織化[106]。近年來，關(guān)于華南暖區(qū)暴雨中沿岸對流觸發(fā)機(jī)制的研究發(fā)現(xiàn)，夜間沿岸邊界層低空急流是觸發(fā)夜間強(qiáng)對流降水的重要系統(tǒng)[107-110]。華南沿岸低空急流的生成機(jī)制受到上游中南半島安南山脈背風(fēng)水躍波、海南島地形和海陸溫差慣性振蕩共同影響[111,112]。

　　此外，地形也能影響登陸臺風(fēng)強(qiáng)度與路徑。地形強(qiáng)迫的抬升運(yùn)動對臺風(fēng)降水主要起到增幅作用[113-116]，迎風(fēng)坡抬升運(yùn)動造成降水空間分布與地形高度一致，形成“地形鎖相”機(jī)制[117,118]。羅哲賢和陳聯(lián)壽[119]利用β平面準(zhǔn)地轉(zhuǎn)正壓模式發(fā)現(xiàn)，臺灣島中央山脈能引起臺風(fēng)路徑向右偏轉(zhuǎn)，其主要機(jī)制可能與山脈地形誘發(fā)的低層渦旋有關(guān)[120-122]。除了動力抬升作用以外，地形也能促進(jìn)水汽通量輻合，使水汽局地聚積。

　　Du等[26]發(fā)現(xiàn)華南沿海蓮花山—南陽山的喇叭口地形會限制邊界層低空急流的水汽輸送，使局地水汽飽和，形成濕舌，在地形抬升和海岸線摩擦輻合的動力作用下觸發(fā)對流并促進(jìn)后續(xù)對流發(fā)展。2018年北京“7.16”特大暴雨中，迎風(fēng)坡地形不僅起到了強(qiáng)迫抬升作用，且西部為太行山、北部為燕山的特殊地形還造成了大量水汽輻合[97,123]。Xia和Zhang[124]認(rèn)為地形動力抬升和水汽聚積作用都是對流系統(tǒng)有組織化的重要有利條件。

　　2.2城市化影響

　　城市化是人類活動改變土地利用土地覆蓋的最典型例子之一[125-127]，城市與自然下墊面的巨大物理性質(zhì)差異能通過陸氣相互作用顯著影響局地天氣氣候[128-133]。城市下墊面與自然植被相比具有更大的粗糙度，許多研究發(fā)現(xiàn)城市冠層能降低強(qiáng)對流系統(tǒng)移動速度并引起局地輻合，影響降水強(qiáng)度與空間分布，這種作用通常被稱為“城市阻礙效應(yīng)”(UrbanBarrierEffect)[134-136]。

　　城市阻礙效應(yīng)主要通過種過程影響對流降水：

　　(1)降低對流系統(tǒng)移動速度，延長系統(tǒng)停滯時間[25,137];(2)摩擦輻合抬升觸發(fā)對流[138];(3)近地層平均動能向湍流動能轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)近地層動量通量[132];(4)城市冠層使得對流系統(tǒng)分裂繞流[139]。Yang等[138]近期分析影響南京的兩次暴雨過程中發(fā)現(xiàn)，在背景氣流較強(qiáng)時，城市阻礙效應(yīng)主要是摩擦輻合抬升和減速作用;而當(dāng)氣流較弱時，城市更易使降水系統(tǒng)分裂繞流。

　　2.3湖泊效應(yīng)

　　湖泊是陸地下墊面的重要組成部分，與陸面其他類型下墊面相比，湖泊反照率低、粗糙度小、熱慣性大、蒸發(fā)量大，能通過地表熱通量顯著影響局地水熱狀態(tài)[165-167]。與海洋相比，其水平尺度與深度更小，更易受到太陽輻射等因素的影響。湖泊的局地作用主要體現(xiàn)在白天湖泊能降低地表氣溫，在湖上形成穩(wěn)定層結(jié)從而抑制對流降水[159,168-170]，而夜間湖泊較高的表面溫度利于對流不穩(wěn)定條件的形成[171,172]。

　　Zou等[173]發(fā)現(xiàn)日落后暖濕的鄱陽湖表面加強(qiáng)了低層不穩(wěn)定，而隨后輻射和降水蒸發(fā)導(dǎo)致的冷卻作用使陸地降溫更快，形成了近℃的湖陸溫差，進(jìn)一步促進(jìn)了湖陸風(fēng)環(huán)流和低層輻合，加強(qiáng)后續(xù)對流降水。登陸臺風(fēng)經(jīng)過湖泊等水汽飽和下墊面時，湖泊提供的地表潛熱通量有利于臺風(fēng)對流維持[174-177]。

　　麥子等[177]分析了登陸臺風(fēng)在鄱陽湖附近的強(qiáng)度和降水特征發(fā)現(xiàn)，臺風(fēng)經(jīng)過鄱陽湖時強(qiáng)度衰減變緩、降水強(qiáng)度增強(qiáng)，這與湖泊較大的潛熱通量有關(guān)。復(fù)雜地形和下墊面附近的湖泊還會受到周圍山谷風(fēng)環(huán)流、城市熱島效應(yīng)等系統(tǒng)的疊加影響，對降水的影響更加復(fù)雜[159,178-180]。青藏高原擁有全球海拔最高的湖泊群，湖泊總數(shù)量超過30000個，總面積占中國湖泊面積50%以上[181]。近年來，很多研究開始關(guān)注青藏高原湖泊對高原天氣過程的影響[181-184]。

　　例如，唐古拉山下的納木錯湖疊加山谷風(fēng)環(huán)流能影響局地水汽并增強(qiáng)不穩(wěn)定，促進(jìn)深對流過程，使得下游降水增加[185,186]。而高原湖泊局地蒸發(fā)也為對流提供了豐富的水汽，加速了水循環(huán)過程[187,188]。湖泊在冬季也能顯著影響降雪過程。當(dāng)冷空氣經(jīng)過尚未封凍且相對較暖的湖泊時，湖面的暖濕空氣在迎風(fēng)側(cè)抬升凝結(jié)，易于在下游形成大規(guī)模降雪[189,190]，這種湖泊效應(yīng)降雪(LakeEffectSnow)常在北美五大湖地區(qū)發(fā)生，造成的降水量占冬季總降水比值可達(dá)50%[191-195]。

　　2.4植被變化的影響

　　植被是陸地下墊面的重要組成部分，其特殊的生物物理性質(zhì)影響了反照率、粗糙度、蒸散發(fā)等陸面屬性，與大氣之間存在著復(fù)雜的相互作用關(guān)系[15,196-198]。已有很多研究關(guān)注了植被的氣候效應(yīng)，包括反照率改變地表凈輻射，地表熱通量導(dǎo)致的冷卻效應(yīng)和蒸散發(fā)增強(qiáng)局地水汽等方面[49,51,199-201]。

　　近年來一些研究也開始關(guān)注灌溉農(nóng)田、毀林、生態(tài)恢復(fù)工程等植被變化對天氣過程的影響，其中灌溉農(nóng)田是植被變化典型例子，造成的局地水熱異常對干旱半干旱地區(qū)天氣有著重要影響。干旱半干旱地區(qū)的灌溉農(nóng)田通過增強(qiáng)地表潛熱通量從而加強(qiáng)了低層水汽，促進(jìn)云和降水發(fā)展[202-206]。然而，灌溉農(nóng)田增加降水的機(jī)制仍存在不確定性，灌溉農(nóng)田的蒸發(fā)冷卻作用會降低地表氣溫，抑制對流有效位能和邊界層發(fā)展，但額外的蒸發(fā)加濕作用又能促進(jìn)降水發(fā)展[56,207]。

　　更精細(xì)的研究結(jié)果表明，灌溉農(nóng)田引起的降水增強(qiáng)主要位于灌溉農(nóng)田與周圍植被的邊界附近，受到邊界層輻合線等中尺度環(huán)流系統(tǒng)影響[208-212]。邊界層輻合線作為一種抬升機(jī)制，是對流觸發(fā)和發(fā)展的重要原因，往往與海陸、城郊、地形差異等引起的陸面非均勻加熱有關(guān)[213-216]。很多研究關(guān)注了亞洲最大的農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)中國河套灌溉區(qū)積云與對流的分布特征，早期研究主要利用衛(wèi)星云圖分析了植被差異地區(qū)積云的時空變化特征[217,218]。

　　Huang等[219]利用中國新一代多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著午后太陽輻射增強(qiáng)，灌溉農(nóng)田(荒地)地表溫度更低(高)，易于產(chǎn)生平行于植被差異邊界的輻合線，促進(jìn)了邊界附近強(qiáng)對流觸發(fā)。除了灌溉農(nóng)田以外，Garcia-Carreras等[207]利用大渦模擬發(fā)現(xiàn)，森林等其他植被差異也會產(chǎn)生類似的影響，且森林上空的下沉運(yùn)動會抑制午后森林附近的對流。

　　3陸面過程誘發(fā)局地環(huán)流系統(tǒng)對天氣過程的影響

　　山谷、海(湖)陸邊界、城市與郊區(qū)、灌溉農(nóng)田與荒地等非均勻下墊面下，陸面非均勻熱力強(qiáng)迫改變局地低層熱力狀態(tài)后，能驅(qū)動異常熱力環(huán)流，深刻影響了包括強(qiáng)對流降水在內(nèi)各類天氣過程的觸發(fā)、維持、空間分布與日變化特征，對復(fù)雜地形區(qū)天氣氣候產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[209,213,223,224]。

　　3.1山地—平原熱力環(huán)流

　　山地平原間熱力差異產(chǎn)生的山地平原熱力環(huán)流(Mountain-PlainsSolenoid，MPS)是地形熱力強(qiáng)迫影響區(qū)域天氣氣候狀態(tài)，特別是降水空間分布與日變化最重要的物理過程之一[225-230]。白天隨著太陽輻射增強(qiáng)，地形較高的山區(qū)局地加熱更快，平原溫度相對較低，MPS上升支(下沉支)在山區(qū)(平原)建立，對流多發(fā)生在山區(qū)午后;日落后山坡冷卻更快，平原相對溫暖，因而MPS環(huán)流反相，上升支(下沉支)位于平原(山區(qū))，利于平原對流觸發(fā)或增強(qiáng)從上游山區(qū)傳播而來的對流系統(tǒng)[231-233]。中國降水的空間分布與日變化特征很大程度上受到了MPS環(huán)流的影響。

　　在江淮梅雨降水系統(tǒng)中，青藏高原附近產(chǎn)生的中尺度對流渦旋(MesoscaleConvectiveVortex，MCV)夜間移動至四川盆地時在MPS上升支作用下加強(qiáng);白天MCV東移過程中受到MPS下沉支抑制，高低空對流系統(tǒng)減弱分離;夜間MCV進(jìn)一步向下游移動，在低空急流等其他有利因素影響下發(fā)展成天氣尺度渦旋系統(tǒng)(江淮氣旋)[226-229,231,232,234,235]。梅雨鋒降水在這種調(diào)控作用下呈現(xiàn)了長江中下游顯著的夜間清晨較強(qiáng)，午后較弱的日變化特征[21,225,236]。

　　MPS環(huán)流影響降水的過程不僅僅在青藏高原到華東平原這種大尺度地形差異上可以觀察到[227,237]，在例如燕山山脈—海河平原等小尺度地形上也同樣存在[98,228,238]。例如，Hua等[238]發(fā)現(xiàn)夜間穩(wěn)定邊界層中由于太岳山地形導(dǎo)致的重力內(nèi)波觸發(fā)初始對流，對流移動過程中太岳山和長治盆地間MPS環(huán)流促進(jìn)了對流單體演變?yōu)橛薪M織的線狀對流帶。京津冀平原地區(qū)西北側(cè)為太行山和燕山，東南側(cè)為渤海，在弱天氣背景下，MPS環(huán)流是促進(jìn)對流系統(tǒng)發(fā)展為颮線或其他有組織對流系統(tǒng)的重要原因[239-241]。

　　對流系統(tǒng)進(jìn)入平原后還受到了城市熱島和海陸風(fēng)環(huán)流的影響。Xiao等[242]通過分析18個弱天氣背景下對流個例表明，生成于北側(cè)山區(qū)的對流系統(tǒng)向下游傳播的過程中，MPS環(huán)流、冷池、城市熱島與海風(fēng)的共同作用都可能造成對流的二次增強(qiáng)。華南沿岸山脈也能通過MPS環(huán)流加強(qiáng)夜間陸風(fēng)與背景季風(fēng)氣流的輻合，從而促進(jìn)夜間沿岸對流降水[236,243,244]。

　　3.2海(湖)陸風(fēng)環(huán)流

　　海(湖)陸風(fēng)是不同性質(zhì)下墊面導(dǎo)致陸面非均勻加熱而產(chǎn)生的環(huán)流系統(tǒng)影響局地降水的典型例子，對于沿海(湖)地區(qū)的天氣氣候產(chǎn)生了深刻的影響[245-248]。白天由于水體和陸地?zé)釕T性差異，太陽輻射加熱下陸地升溫更快并加熱上空低層大氣，產(chǎn)生了海(湖)陸間氣壓梯度，風(fēng)由海洋(湖泊)吹向陸地形成了海(湖)風(fēng)，夜間陸地降溫更快從而形成陸風(fēng)[249,250]。一般而言，由于夜間海(湖)陸溫差比白天小，故海(湖)風(fēng)強(qiáng)度大于陸風(fēng)[251]。海(湖)陸風(fēng)是影響強(qiáng)對流降水的周期性強(qiáng)迫，決定了沿岸地區(qū)降水的日變化特征[252-255]。

　　海(湖)陸風(fēng)與盛行風(fēng)向相反時易產(chǎn)生低層輻合，為對流觸發(fā)或增強(qiáng)提供有利動力條件[215,242,256-258]。Chen等[255]研究華南沿岸雨帶日變化時發(fā)現(xiàn)，夜間沿岸對流往往由陸風(fēng)與季風(fēng)氣流的輻合線觸發(fā)，隨后雨帶向海洋傳播;而白天地表加熱形成的雨帶將隨著海風(fēng)向內(nèi)陸傳播，但其傳播范圍受到地形限制。在全球氣候變暖的背景下，海洋升溫更快使得夜間海陸溫差增大，陸風(fēng)環(huán)流增強(qiáng)，因而未來夜間沿岸降水及相應(yīng)對流過程將會有增強(qiáng)的趨勢[243]。

　　4總結(jié)與展望

　　本文圍繞陸面過程基本要素、陸地下墊面構(gòu)成、陸面過程誘發(fā)局地環(huán)流系統(tǒng)個方面對天氣的影響，回顧了相關(guān)過程與物理機(jī)制的研究進(jìn)展。在全球氣候變化和人類活動導(dǎo)致的土地利用土地覆蓋變化的復(fù)雜背景下，包括暴雨、熱浪在內(nèi)的極端天氣事件存在增多增強(qiáng)的趨勢，研究陸面過程影響這些天氣事件的特征、規(guī)律與物理機(jī)制有助于數(shù)值模式中相關(guān)物理參數(shù)化方案和陸面模式的改進(jìn)，對于提高我國氣象業(yè)務(wù)部門預(yù)報(bào)預(yù)警能力具有很高價(jià)值。陸面過程不僅僅為各種天氣事件提供了下邊界條件，也能通過陸面強(qiáng)迫的非均勻環(huán)流觸發(fā)、增強(qiáng)或限制強(qiáng)對流天氣的發(fā)生發(fā)展。但是陸面過程—天氣相互作用是相當(dāng)復(fù)雜的，仍有很多問題值得發(fā)掘與細(xì)究。

　　當(dāng)前圍繞土壤濕度—降水反饋過程仍存在較大的爭議，以往研究大多集中于非洲、美國中部等干旱半干旱地區(qū)，對中國西北干旱地區(qū)的研究相對較少。土壤濕度—降水反饋等陸面過程對于中國西北地區(qū)的強(qiáng)對流、暴雨、熱浪、低溫等極端天氣事件存在的影響及其相關(guān)的物理過程需要通過詳細(xì)的個例及觀測統(tǒng)計(jì)開展研究。目前一些學(xué)者已經(jīng)關(guān)注到非均勻陸面熱力強(qiáng)迫產(chǎn)生的較大尺度異常環(huán)流，例如MPS環(huán)流、海陸風(fēng)等對天氣過程的影響，但是更小尺度陸地下墊面非均勻性的影響仍未得到充分研究。

　　例如，農(nóng)業(yè)灌溉、植樹造林、生態(tài)恢復(fù)、砍伐毀林等人類活動導(dǎo)致的陸面植被變化能產(chǎn)生局地小尺度的陸面差異，這種小尺度的陸面非均勻性對于局地短時強(qiáng)降水等天氣事件存在怎樣的影響?隨著陸面模式中城市模型的發(fā)展，考慮精細(xì)化城市結(jié)構(gòu)及熱源分布的城市模型對于模擬城市氣象條件和邊界層過程有很大幫助。借助于上述模式的進(jìn)步，城市化對于極端降水、高溫?zé)崂说忍鞖膺^程的物理機(jī)制可以得到更深入的分析。人工湖、水庫等小尺度水體不僅能造成局地非均勻熱力強(qiáng)迫，也是重要的水汽源，部分研究考慮了這些小尺度水體的氣候效應(yīng)和生態(tài)效應(yīng)，對于天氣過程的影響研究相對較少。

　　此外，青藏高原具有較為復(fù)雜的下墊面，地形落差大且土地覆蓋差異顯著，陸面過程對于青藏高原的對流降水等天氣過程有怎樣的影響亟待研究。實(shí)際天氣過程中，中小尺度天氣系統(tǒng)往往受到很多復(fù)雜陸面過程的共同影響，如何正確地評估這些過程的綜合效果、判斷天氣過程中的主導(dǎo)因素需要細(xì)致的理論分析和研究。除了探究陸面過程影響天氣事件的物理機(jī)制與演變規(guī)律外，更值得關(guān)注的是陸面過程能否為天氣事件提供新的預(yù)報(bào)方法與思路、改進(jìn)現(xiàn)有陸面模式中的物理過程從而提高預(yù)測預(yù)報(bào)能力和數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果。

　　當(dāng)前，受制于高時空分辨率觀測資料的缺乏與數(shù)值模式的不完善，解決相關(guān)問題仍需要借助可靠的外場試驗(yàn)、海量的精細(xì)觀測數(shù)據(jù)、雷達(dá)衛(wèi)星等新來源資料進(jìn)行理論分析與實(shí)證。在此基礎(chǔ)上需要從天氣事件個例出發(fā)，分析研究從日內(nèi)到季節(jié)內(nèi)各種時間尺度和復(fù)雜空間分布的時空非均勻陸面強(qiáng)迫對中國典型天氣過程，特別是近年來頻發(fā)的極端天氣事件的影響機(jī)制與演變規(guī)律。進(jìn)而可以借助歷史觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證，得到可靠理論結(jié)果，轉(zhuǎn)化為業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)方法，促進(jìn)數(shù)值模式中相關(guān)物理過程參數(shù)化的改進(jìn)。

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　　作者：陳海山1,2,杜新觀,孫悅

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