夏季风影响过渡区陆面蒸散发对夏季风活跃度的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00033

摘要/Abstract

摘要：

在东亚夏季风影响过渡区，陆面蒸散发（Evapotranspiration，ET）时空变化对夏季风活动响应规律的研究对理解陆地水热循环过程至关重要。本研究利用夏季风过渡区及邻近区域14个陆面观测站点的蒸散发观测数据评估了6种常用蒸散发全球产品的适用性，并对它们在过渡区的年际变化进行了比较。评估表明，JRA-55（Japanese 55-Year Reanalysis）可以较好模拟站点尺度的蒸散发，而且能够合理刻画过渡区平均蒸散发的长期年际变化，因此将JRA-55作为蒸散发参考数据集。在理解过渡区蒸散发时空变化的基础上，考察了陆面蒸散发对夏季风活动的响应特征。为识别东亚夏季风在影响过渡区的活跃度和活动规律，引入夏季风持续时间，该指数较常用的夏季风强度指标能更合理地反映过渡区夏季降水和夏季风活动的年际变化特征。本研究发现陆面蒸散发在年际时间尺度上与夏季风持续时间的散点呈现近似对数/幂函数曲线。在弱夏季风年，蒸散发年际变化对夏季风持续时间更为敏感。对蒸散发和夏季风持续时间进行集合经验模态分解，结果显示出夏季风活动在3年、年代际和长期趋势上显著影响蒸散发。未来气候情景下，东亚夏季风系统的活跃度很可能将增强，这会加速陆面蒸散发等水循环过程，同时对流域水资源和生态系统的稳定性将会产生重大影响。

关键词: 夏季风, 过渡区, 蒸散发, 模拟能力, 持续时间

Abstract:

Exploring the response of evapotranspiration （ET） spatio-temporal pattern to the East Asian summer monsoon （EASM） is important to understand the terrestrial hydrological cycle. The paper focuses on the summer monsoon transition zone （SMTZ） in China where the climate is rather sensitive to summer monsoon activity， and analyzed the response of ET in the SMTZ to EASM activity. The study evaluated six global ET products widely used based on ET observation data collected from fourteen sites over Northern China，and then conducted a comparison of them in interannual variations of ET over SMTZ. Results indicate that JRA-55（Japanese 55-Year Reanalysis） can simulate ET at the site scale well， and reasonably depict the long-term interannual variation of the average ET over the SMTZ. Therefore， JRA-55 is used as the reference ET data set in this study. The summer monsoon activity is identified over the SMTZ by adopting a monsoon temporal duration index （MTDI） which is related with interannual variations of summer rainfall more closely than commonly used summer monsoon intensity indexes. This study found an obviously unlinear response of evapotranspiration to MTDI and the evapotranspiration exhibits approximately logarithmic/power function curve with the MTDI. High interannual variability of evapotranspiration was observed due to high sensitivity to MTDI during weak EASM years. The result from ensemble empirical mode decomposition further indicates that the summer monsoon activity significantly affects the evapotranspiration variation on three-year， interdecadal and long-term scales. The summer monsoon activity is expected to strengthen in the future， which is very likely to intensify the water cycle and affect the availability of water resources and the ecosystem stability over the SMTZ.

Key words: summer monsoon, transition zone, evapotranspiration, simulation ability, temporal duration

中图分类号:

P426

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图/表 14

图1 夏季风影响过渡区范围（两条黑实线之间的区域）基于自然资源部标准地图服务网站GS(2020)4619号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.1 Scope of the summer monsoon transition zone （the area between the two black solid lines）

表1 本文使用资料简介

Table 1 Introduction of data used in the study

数据类型	名称	蒸散发方案/陆面模型	空间分辨率	时间分辨率	时间长度
再分析资料	NCEP/DOE	OSU LSM	T62 (200 km)	6 h	1979—2021年
	JRA-55	SiB	0.5°×0.5°	3 h	1958—2021年
	ERA5	HTESSEL	0.25°×0.25°	1 h	1959—2021年
	MERRA2	Catchment LSM	0.5°×0.625°	1 h	1980—2021年
离线陆面模式数据集	GLDAS2.0_NOAH	NOAH	1°×1°	3 h	1958—2014年
蒸散发遥感产品	GLEAMv3.6a	改进的Priestley-Taylor方程	0.25°×0.25°	1 month	1980—2021年
陆面观测	中国北方陆面过程观测	涡动相关方法	14个站点	30 min	详见表2

表2 所选观测站点基本情况

Table 2 Basic information on selected observation sites

站点名称	纬度	经度	下垫面类型	观测时段
沙坡头	37.45°N	104.95°E	荒漠	2008年7—9月；2009年7—9月
张掖	38.86°N	100.41°E	裸地	2008年7—9月；2009年7—9月
长武	35.20°N	107.67°E	农田	2008年7—9月；2009年7—9月
锦州	41.15°N	121.20°E	农田（玉米）	2008年7—9月；2009年7—9月
密云	40.63°N	117.32°E	农田/果林	2008年7—9月；2009年7—9月
平凉	35.53°N	106.94°E	农田	2009年7月至2010年12月
庆阳	35.66°N	107.84°E	农田（小麦）	2009年5月至2010年12月
馆陶	36.52°N	115.13°E	农田	2009年6—9月
阿柔	38.04°N	100.46°E	亚高山草甸	2008年7—9月；2009年7—9月
东苏	44.09°N	113.57°E	荒漠化草原	2008年7—9月；2009年7—9月
奈曼	42.93°N	120.70°E	荒漠化草原	2008年7—9月；2009年7—9月
通榆	44.88°N	122.88°E	退化草原	2003年1月至2008年12月
榆中	35.95°N	104.13°E	草原	2007年1月至2012年12月
锡林格勒	44.13°N	116.32°E	草原	2004年1月至2008年12月

图2 草地、农田和荒漠/裸地3种下垫面类型蒸散发模拟值与观测值的散点分布（MME表示6种蒸散发产品的集合平均值）Fig.2　The scatter distributions of ET from simulation and observation in grassland， cropland， and desert / bare land（MME represents the ensemble mean of the six gridded datasets）

表3 7种蒸散发格点资料的误差统计情况

Table 3 Error statistics of seven gridded ET dataset

下垫面	统计指标	资料集
下垫面	统计指标	NCEP/DOE	JRA-55	ERA5	MERRA2	NOAH	GLEAM	MME
草地	RMSE/（mm·month^-1）	21.69	16.63	15.01	13.60	18.71	14.29	12.97
	Bias/（mm·month^-1）	12.34	6.88	-1.23	-2.79	-1.32	-4.94	1.49
	R	0.805	0.857	0.851	0.871	0.779	0.876	0.879
农田	RMSE/（mm·month^-1）	23.42	21.96	18.90	21.48	18.43	24.19	17.61
	Bias/（mm·month^-1）	0.45	1.40	3.98	-5.35	-3.29	-14.97	-2.96
	R	0.726	0.765	0.839	0.794	0.856	0.847	0.868
所有站点	RMSE/（mm·month^-1）	22.01	17.63	16.62	15.15	18.46	16.35	13.89
	Bias/（mm·month^-1）	10.39	5.89	0.26	-3.18	-1.57	-6.57	0.87
	R	0.791	0.848	0.855	0.874	0.824	0.885	0.890

图3 7种蒸散发格点资料在草地下垫面（A）、农田下垫面（B）和所有站点（C）的统计泰勒图

Fig.3 Taylor diagram for seven ET gridded datasets over grassland （A）， cropland （B） and all sites （C）

图4 夏季风影响过渡区7种格点资料夏季蒸散发的年际变化

Fig.4 Interannual variations in ET averaged over the summer monsoon transition zone for seven ET grid products during summer

表4 夏季风影响过渡区夏季平均蒸散发在不同数据集之间的相关系数

Table 4 Coefficients of correlation between the gridded datasets for interannual variations in ET averaged over the summer monsoon transition zone （The five highest values in the first five columns are marked in bold）

	JRA-55	ERA5	MERRA2	NOAH	GLEAM	MME
NCEP/DOE	0.719	0.676	0.869	0.549	0.617	0.889
JRA-55		0.77	0.688	0.747	0.835	*0.900*
ERA5			0.513	0.68	0.587	0.788
MERRA2				0.563	0.731	0.885
NOAH					0.749	0.814
GLEAM						0.859

图5 夏季风影响过渡区蒸散发夏季气候平均（A）和年际变率（B）空间分布（蓝色实线表示夏季风影响过渡区的南北边界线）基于自然资源部标准地图服务网站GS(2020)4619号标准地图制作，底图边界无修改

Fig.5 Spatial patterns of the （A） mean and （B） standard deviation （STD） of interannual variations in ET averaged in summer （The area between the two blue lines represents the summer monsoon transition zone）

图6 夏季风影响过渡区蒸散发EOF分解第一（A）和第二（B）空间模态（115°E处的红色实线表示夏季风影响过渡区的东西部之间的边界；红色虚线表示夏季风影响过渡区北部和东部之间的边界）

Fig.6 The first two modes of EOF analysis of ET averaged in summer over the summer monsoon transition zone（The red solid line at 115°E indicates the boundary between the western and eastern parts. The red dashed line represents the boundary between the northern and eastern parts）

图7 过渡区西部（A）和东部（B）标准化的夏季降水、夏季风最北边缘位置和持续时间年际变化

Fig.7 Interannual variations of standardized values of summer rainfall， the monsoon northernmost marginal index， and the monsoon temporal duration index （MTDI） over the （A） western and （B） eastern parts of the summer monsoon transition zone

图8 夏季风影响过渡区西部（A）和东部（C）区域蒸散发和夏季风持续时间年际变化以及西部（B）和东部（D）二者散点分布

Fig.8 Interannual variations in ET and the monsoon temporal duration index （MTDI） for the （A） western and （C） eastern parts of the summer monsoon transition zone， and scatterplots between ET and the MTDI for the （B） western and （D） eastern parts of the summer monsoon transition zone

表5 夏季风影响过渡区西部区域夏季风持续时间和蒸散发通过集合经验模态分解获得的平均周期和方差贡献（括号内数值）

Table 5 Mean periods and their variance contributions （in parentheses） of various time scale components of the monsoon temporal duration index （MTDI） and the summer mean ET over the western part of the summer monsoon transition zone obtained from the ensemble empirical mode decomposition method

周期	夏季风持续时间（MTDI）	蒸散发（ET）
~3年	3.4年（25.4%）	3.2年（59.7%）
5~8年	7.9年（9.8%）	6.9年（12.6%）
年代际	18.0年（3.5%）	13.8年（14.4%），27.5年（7.6%）
非线性趋势	(61.3%)	(5.8%)

图9 夏季风影响过渡区西部区域夏季风持续时间和蒸散发集合经验模态分解结果

Fig.9 Decomposition of the monsoon temporal duration index （MTDI） and ET over the western part of the summer monsoon transition zone obtained from the ensemble empirical mode decomposition method

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