在全球变暖背景下，青藏高原整体的暖湿化导致其陆面蒸散发增加，地表能量收支发生调整。那么，这样的高原地表能量收支变化又会对降水产生怎样的反馈作用呢？为回答上述问题，清华大学地学系阳坤课题组分析了1979-2021年青藏高原季风期（5-8月）地表能量收支和降水的年代际变化特征，并在此基础上揭示了高原地表能量变化对气候的反馈作用。

再分析资料表明，20世纪90年代中期以来，青藏高原季风期地表潜热通量增加而感热通量减少，进而对应波恩比的减小；与此同时，降水表现为增加（图1）。为了探究以上地表能量变化的影响，首先需要在区域气候模式中实现对地表能量分配比例的合理改变。常用的调整土壤水含量的方法将不可避免地破坏模拟系统的水量平衡，而改变地表反照率的方式则会导致地表净能量发生变化，其缺陷比较明显。

图1 青藏高原季风期（a）地表潜热通量（单位：W·m^-2）、（b）感热通量（单位：W·m^-2）、（c）波恩比（无量纲）以及（d）降水（单位：mm·d^-1）的时间序列，数据来自ERA5再分析资料。水平线表示1979-2021年的气候态，蓝线是9年滑动平均值。

不同于以往的方式，研究通过改变区域气候模式WRF模拟中的土壤蒸发表层阻抗方案，实现了青藏高原地表能量分配的合理变化。研究采用了两种土壤蒸发表层阻抗方案，分别是Sakaguchi and Zeng（2009）方案（SZ09）和修正后的Sellers et al.（1992）方案（AS92）：在表层土壤液态水含量相同的情况下，SZ09方案的表层阻抗估算值一般大于AS92方案，会导致更小的蒸发和更大的感热。基于这两种表层阻抗方案，研究设计了两组数值试验：第一组试验（WRF-CTL）采用SZ09方案进行模拟；第二组试验（WRF-SEN）在青藏高原用AS92方案替代SZ09方案，其余与WRF-CTL相同。因此，与WRF-CTL试验相比，WRF-SEN试验中青藏高原的表层阻抗较小，会导致地表潜热通量增加，而感热通量和地表温度降低（图2），进而可以大致再现图1所示的20世纪90年代中期以来高原地表能量收支的年代际变化。

图2 WRF-SEN和WRF-CTL试验之间季风期（a）地表潜热通量（单位：W·m^-2）、（b）感热通量（单位：W·m^-2）和（c）地表温度（单位：℃）的差异（前者减去后者）的空间分布和经向平均（插图）。黑线为2500米地形高度等值线。

研究基于WRF模拟试验发现，青藏高原蒸散发增加和感热通量减少会导致其2m气温下降，而2m相对湿度增加；2m比湿在高原内流区和柴达木盆地增大，而在其他区域有所减小；降水变化则主要表现为整体减少，特别是在88°E以东，这暗示着以上地表能量收支的变化有助于缩小高原降水量的东西差异（图3）。以上结果表明，青藏高原蒸发的增强及其伴随的地表能量收支调整会对高原季风期降水产生负反馈，即陆气相互作用可以通过地表能量变化减缓青藏高原降水的增加速率。

图3 WRF-SEN和WRF-CTL试验之间季风期（a）2m气温（单位：℃）、（b）2m比湿（单位：g·kg^-1）、（c）2m相对湿度（单位：%）和（d）降水量（单位：mm·d^-1）的差异（前者减去后者）的空间分布和经向平均（插图）。黑线为2500米地形高度等值线。

为了探究降水减少的原因，研究进一步分析了大气环流对青藏高原地表能量收支调整的响应（图4）。结果表明，高原地表感热减弱会导致对流层低层位势高度增加，形成反气旋异常；而对流层高层位势高度减小，引起南亚高压的减弱。高原上空的500hPa反气旋异常使得来自孟加拉湾的水汽较少从高原东南边界进入；而印度平原上空的500hPa气旋异常有利于更多的水汽从高原西南边界进入。此外，33°N以北的较强西风会将更多的水汽携带出高原东边界。在这些因素的共同作用下，由于环流异常引起的水汽辐合减少量超过了地表蒸发增加量，导致高原降水减少，尤其是在东部。

图4 WRF-SEN和WRF-CTL试验之间季风期（a）500hPa和（b）200hPa位势高度（单位：gpm）、（c）500hPa比湿（单位：g·kg^-1；阴影）和风场（单位：m·s^-1；矢量）、（d）整层水汽通量（单位：kg·m^-1·s^-1）的差异（前者减去后者）的空间分布。黑线为2500米地形高度等值线。

上述这些过程如图5所示。尽管青藏高原的暖湿化导致其蒸散发量增加，但地表感热的减小削弱了高原的“感热气泵”效应，从而导致该地区水汽通量辐合减弱，特别是在高原东部地区。这最终抑制了高原季风期降水的增速，即陆面反馈能够减缓全球气候变化下高原水循环的加速过程。

图5 青藏高原季风期地表能量收支年代际变化影响大气的过程。标有A的浅红色环和标有C的浅蓝色环分别表示由地表能量收支改变引起的反气旋和气旋异常。高原地表能量收支的年代际变化（包括地表潜热增强和感热减弱）可导致低层异常反气旋和高层异常气旋，从而削弱南亚季风，使得从孟加拉湾进入高原的水汽通量减少，最终导致高原降水减少，尤其是在其东部地区。

相关研究以“Land-Atmosphere Interactions Partially Offset the Accelerated Tibetan Plateau Water Cycle through Dynamical Processes”为题发表于Journal of Climate。清华大学地学系博士生孙静为论文第一作者，地学系阳坤教授为论文通讯作者，文章合作者包括北京大学俞妍助理教授、清华大学地学系卢麾教授和林岩銮教授。研究得到了第二次青藏高原科考项目、国家自然科学基金等项目的支持。

论文信息：

Sun, J., K. Yang, Y. Yu, H. Lu, and Y. Lin, 2023: Land–Atmosphere Interactions Partially Offset the Accelerated Tibetan Plateau Water Cycle through Dynamical Processes. J. Climate, 36, 3867–3880, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-22-0686.1.

供稿：孙静 阳坤

审核：张强