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土壤湿度和土壤温度是陆面过程中十分重要的两个状态量，对气候系统演变及气候变化都有着重要影响或反馈作用。土壤湿度、土壤温度对气候的影响不仅体现在对气候变量平均状态的影响，还会对气候变量的年际变率产生重要作用，引发超常态的极端天气、气候事件。在气候变化背景下，探究土壤湿度、土壤温度对气候变率与变化的影响具有十分重要的意义。本文主要采用全球耦合模式CCSM Version4.0(CCSM4)的模拟输出驱动区域气候模式WRF(CCSM-WRF)，结合多源数据分析，探究了土壤湿度、土壤温度及土壤温湿整体状况对东亚历史及未来阶段夏季气候变率与变化的影响。
本文首先利用观测数据评估了CCSM-WRF对东亚历史阶段（1976-2005年）夏季地面气温及降水的模拟能力，并进一步预估了在RCP8.5情景下，未来阶段（2071-2100年）东亚夏季气候的变化;随后分析了土壤湿度、土壤温度及土壤温湿整体状况对东亚历史及未来阶段夏季气候变率的影响，并探究了相关的物理过程及机制。本文创新点聚焦于未来土壤湿度对东亚夏季气候变率的影响及土壤温度、土壤温湿整体状况对东亚夏季气候变率的反馈作用。主要研究结论如下:
CCSM-WRF较好刻画了东亚历史阶段夏季地面气温和降水平均态及年际变率的空间分布特征。CCSM-WRF预估结果表明未来东亚地区夏季地面气温将普遍增加2℃-6℃，未来东亚大部分地区夏季总降水量也将增加，部分季风区降水增幅超过了2mm/d。相比于CCSM4，CCSM-WRF模拟的历史阶段气温及降水在量级和空间分布上更接近于观测，而且能够在局地到区域尺度上提供更多细节信息。在RCP8.5情景下，CCSM-WRF预估的东亚未来夏季地面气温将明显增加，本世纪末(2071-2100年)比历史阶段（1976-2005年）普遍增温2℃-6℃，其中青藏高原北部、中国西北及部分高纬地区气温增幅要高于热带及副热带地区，气温年际变率在巴尔喀什湖地区，四川盆地到山东半岛一带也将明显增加。CCSM-WRF预估的未来总降水量在东亚大部分地区将增加，在受夏季风影响较大的区域，如孟加拉湾及华南地区，总降水量增幅高于2mm/d。增加的总降水主要是来自对流性降水。未来东亚很多区域地表感热通量明显减少，潜热通量明显增加。未来表层10cm土壤湿度在青藏高原至华东地区、中国北方很多区域将明显减少。
土壤湿度会对东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最高气温的年际变率产生明显影响，而对日最低气温影响较小。地表感热及潜热通量对土壤湿度变率的敏感程度决定了土壤湿度反馈地面气温年际变率的强度。未来土壤湿度反馈地面气温年际变率的空间分布与历史阶段存在明显差异。历史阶段，土壤湿度反馈日平均气温的关键区主要位于西伯利亚西南延伸至蒙古、中国东北和华北一带、四川盆地、长江中下游地区、青藏高原及恒河平原大片区域。在这些区域，土壤湿度反馈贡献了日平均气温方差的30％-70％。CCSM-WRF模拟的土壤湿度反馈地面气温的关键区可以被ERA-Interim及CFSR再分析数据的统计分析结果验证。土壤湿度对日最高气温的影响与日平均气温的结果在空间分布上较为一致，但影响范围更广，反馈强度更大。土壤湿度对气温的影响存在昼夜不对称性，即土壤湿度对日最高气温的反馈强度要明显大于其对日最低气温的反馈强度。土壤湿度反馈气温的强度主要取决于地表湍流热通量对土壤湿度年际变率的敏感度。土壤湿度对降水的反馈更为复杂，影响的空间分布不均一，区域性差异较大。RCP8.5情景下的未来阶段，土壤湿度明显影响东亚地面日平均气温和日最高气温的年际变率，反馈关键区主要分布在青藏高原北部、四川盆地、华北及华东大部分地区、西伯利亚南部。在这些区域，未来土壤湿度反馈贡献了30％-70％的方差。同时，土壤湿度对气温年际变率的影响也存在对日最高气温影响明显大于对日最低气温影响的特征。未来土壤湿度反馈气温的强度在空间分布上与历史阶段存在明显差异。未来青藏高原北部、河西走廊和西伯利亚西南等地区反馈强度的增强与这些地区气温升高、陆-气相互作用增强关系密切。另外，青藏高原南部等区域反馈强度减弱与该地区地表湍流热通量对土壤湿度变率敏感性的降低有关。同时，贝加尔湖南部区域土壤湿度反馈强度明显减弱可能还与未来大气环流的变化有关。未来土壤湿度反馈对降水影响也较为复杂，其影响在空间分布上存在较大的区域性差异。
土壤温度明显影响东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最低气温的年际变率，同时也会对对流层气温年际变率产生影响。地表长波辐射及感热通量对土壤温度变化的敏感程度决定了土壤温度反馈气温变率的强度。土壤温度对东亚夏季气候变率的影响在历史和未来两个阶段有着较为相似的空间分布。土壤温度反馈地面日平均气温、日最低气温变率的关键区主要分布在30°N以北区域，包括青藏高原北部、中蒙交界区、华北及西伯利亚西南部。在这些区域，土壤温度反馈对气温，尤其是对日最低气温的方差贡献超过了60％。土壤温度对日最低气温的反馈强度要大于对日最高气温的反馈。在历史及未来阶段，土壤温度对对流层气温年际变率也会产生较强影响，其中对850hPa气温变率影响较为明显，对500hPa气温的影响比850hPa偏弱，但在中国东北、华北及蒙古东部，土壤温度反馈仍可以解释30％以上的500hPa气温方差。土壤温度在历史和未来阶段均对向上长波辐射及感热通量影响较大，土壤温度对夏季近地面气温及对流层气温的反馈强度主要由土壤温度影响向上长波辐射及感热通量的能力决定。整体而言，未来阶段土壤温度对地面气温、对流层气温、地表湍流热通量及辐射分量年际变率的影响与历史阶段影响的空间分布较为相似，但是未来阶段影响范围更广，反馈强度更大。土壤温度对降水的反馈在历史及未来阶段均表现出较强的负的方差贡献，空间分布的区域性差异较大，土壤温度反馈降水的物理机制仍需进一步深入探究。
土壤湿度及土壤温度整体状况明显影响东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最高气温及日最低气温的年际变率，同时也对对流层气温的年际变率产生影响。土壤温湿整体状况对气温年际变率的影响是土壤温湿整体状况对地表长波辐射、感热及潜热通量共同作用的结果。土壤温湿整体状况对日最高气温影响的关键区包括恒河平原、西伯利亚西南延伸到蒙古及中国东北华北一带，四川盆地及华东大部分地区;土壤温湿整体状况对日最低气温影响的关键区则主要位于纬度较高的区域，如西伯利亚西南、蒙古、青藏高原北部及塔里木盆地一带;而土壤温湿整体状况对日平均气温的影响则集中体现了对日最高气温和日最低气温影响的空间分布特征。在强反馈区，土壤温湿整体状况对气温年际变率的影响均超过0.5℃，贡献了70％以上的方差。值得注意的是，土壤温湿整体状况对日最高气温的影响主要体现的是土壤湿度反馈的作用，而对日最低气温的影响则体现出土壤温度的反馈作用。历史及未来阶段，土壤温湿整体状况会对对流层中、低层气温年际变率产生较强影响，且影响随高度升高而减小。在850hPa高度，在西伯利亚西南至中国华北、恒河平原、四川盆地等在内的东亚许多地区，土壤温湿的整体反馈解释了40％以上的方差。在500hPa高度，土壤温湿整体状况的反馈强度与850hPa相比，相对较弱，影响范围也较小，但在中国东北等部分区域土壤温湿整体反馈仍解释了至少30％的气温方差。土壤温湿整体状况对地表气温、850hPa及500hPa气温年际变率的影响，主要通过对地表向上长波辐射、感热及潜热通量的共同作用加以实现。整体而言，未来土壤温湿整体状况对气温及能量通量的影响要比历史阶段强。历史和未来阶段，土壤温湿整体状况对夏季降水的影响较为复杂，对降水年际变率的影响有正也有负，影响的空间分布不均一，区域差异性较大。
本文首先利用观测数据评估了CCSM-WRF对东亚历史阶段（1976-2005年）夏季地面气温及降水的模拟能力，并进一步预估了在RCP8.5情景下，未来阶段（2071-2100年）东亚夏季气候的变化;随后分析了土壤湿度、土壤温度及土壤温湿整体状况对东亚历史及未来阶段夏季气候变率的影响，并探究了相关的物理过程及机制。本文创新点聚焦于未来土壤湿度对东亚夏季气候变率的影响及土壤温度、土壤温湿整体状况对东亚夏季气候变率的反馈作用。主要研究结论如下:
CCSM-WRF较好刻画了东亚历史阶段夏季地面气温和降水平均态及年际变率的空间分布特征。CCSM-WRF预估结果表明未来东亚地区夏季地面气温将普遍增加2℃-6℃，未来东亚大部分地区夏季总降水量也将增加，部分季风区降水增幅超过了2mm/d。相比于CCSM4，CCSM-WRF模拟的历史阶段气温及降水在量级和空间分布上更接近于观测，而且能够在局地到区域尺度上提供更多细节信息。在RCP8.5情景下，CCSM-WRF预估的东亚未来夏季地面气温将明显增加，本世纪末(2071-2100年)比历史阶段（1976-2005年）普遍增温2℃-6℃，其中青藏高原北部、中国西北及部分高纬地区气温增幅要高于热带及副热带地区，气温年际变率在巴尔喀什湖地区，四川盆地到山东半岛一带也将明显增加。CCSM-WRF预估的未来总降水量在东亚大部分地区将增加，在受夏季风影响较大的区域，如孟加拉湾及华南地区，总降水量增幅高于2mm/d。增加的总降水主要是来自对流性降水。未来东亚很多区域地表感热通量明显减少，潜热通量明显增加。未来表层10cm土壤湿度在青藏高原至华东地区、中国北方很多区域将明显减少。
土壤湿度会对东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最高气温的年际变率产生明显影响，而对日最低气温影响较小。地表感热及潜热通量对土壤湿度变率的敏感程度决定了土壤湿度反馈地面气温年际变率的强度。未来土壤湿度反馈地面气温年际变率的空间分布与历史阶段存在明显差异。历史阶段，土壤湿度反馈日平均气温的关键区主要位于西伯利亚西南延伸至蒙古、中国东北和华北一带、四川盆地、长江中下游地区、青藏高原及恒河平原大片区域。在这些区域，土壤湿度反馈贡献了日平均气温方差的30％-70％。CCSM-WRF模拟的土壤湿度反馈地面气温的关键区可以被ERA-Interim及CFSR再分析数据的统计分析结果验证。土壤湿度对日最高气温的影响与日平均气温的结果在空间分布上较为一致，但影响范围更广，反馈强度更大。土壤湿度对气温的影响存在昼夜不对称性，即土壤湿度对日最高气温的反馈强度要明显大于其对日最低气温的反馈强度。土壤湿度反馈气温的强度主要取决于地表湍流热通量对土壤湿度年际变率的敏感度。土壤湿度对降水的反馈更为复杂，影响的空间分布不均一，区域性差异较大。RCP8.5情景下的未来阶段，土壤湿度明显影响东亚地面日平均气温和日最高气温的年际变率，反馈关键区主要分布在青藏高原北部、四川盆地、华北及华东大部分地区、西伯利亚南部。在这些区域，未来土壤湿度反馈贡献了30％-70％的方差。同时，土壤湿度对气温年际变率的影响也存在对日最高气温影响明显大于对日最低气温影响的特征。未来土壤湿度反馈气温的强度在空间分布上与历史阶段存在明显差异。未来青藏高原北部、河西走廊和西伯利亚西南等地区反馈强度的增强与这些地区气温升高、陆-气相互作用增强关系密切。另外，青藏高原南部等区域反馈强度减弱与该地区地表湍流热通量对土壤湿度变率敏感性的降低有关。同时，贝加尔湖南部区域土壤湿度反馈强度明显减弱可能还与未来大气环流的变化有关。未来土壤湿度反馈对降水影响也较为复杂，其影响在空间分布上存在较大的区域性差异。
土壤温度明显影响东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最低气温的年际变率，同时也会对对流层气温年际变率产生影响。地表长波辐射及感热通量对土壤温度变化的敏感程度决定了土壤温度反馈气温变率的强度。土壤温度对东亚夏季气候变率的影响在历史和未来两个阶段有着较为相似的空间分布。土壤温度反馈地面日平均气温、日最低气温变率的关键区主要分布在30°N以北区域，包括青藏高原北部、中蒙交界区、华北及西伯利亚西南部。在这些区域，土壤温度反馈对气温，尤其是对日最低气温的方差贡献超过了60％。土壤温度对日最低气温的反馈强度要大于对日最高气温的反馈。在历史及未来阶段，土壤温度对对流层气温年际变率也会产生较强影响，其中对850hPa气温变率影响较为明显，对500hPa气温的影响比850hPa偏弱，但在中国东北、华北及蒙古东部，土壤温度反馈仍可以解释30％以上的500hPa气温方差。土壤温度在历史和未来阶段均对向上长波辐射及感热通量影响较大，土壤温度对夏季近地面气温及对流层气温的反馈强度主要由土壤温度影响向上长波辐射及感热通量的能力决定。整体而言，未来阶段土壤温度对地面气温、对流层气温、地表湍流热通量及辐射分量年际变率的影响与历史阶段影响的空间分布较为相似，但是未来阶段影响范围更广，反馈强度更大。土壤温度对降水的反馈在历史及未来阶段均表现出较强的负的方差贡献，空间分布的区域性差异较大，土壤温度反馈降水的物理机制仍需进一步深入探究。
土壤湿度及土壤温度整体状况明显影响东亚历史及未来阶段夏季地面日平均气温、日最高气温及日最低气温的年际变率，同时也对对流层气温的年际变率产生影响。土壤温湿整体状况对气温年际变率的影响是土壤温湿整体状况对地表长波辐射、感热及潜热通量共同作用的结果。土壤温湿整体状况对日最高气温影响的关键区包括恒河平原、西伯利亚西南延伸到蒙古及中国东北华北一带，四川盆地及华东大部分地区;土壤温湿整体状况对日最低气温影响的关键区则主要位于纬度较高的区域，如西伯利亚西南、蒙古、青藏高原北部及塔里木盆地一带;而土壤温湿整体状况对日平均气温的影响则集中体现了对日最高气温和日最低气温影响的空间分布特征。在强反馈区，土壤温湿整体状况对气温年际变率的影响均超过0.5℃，贡献了70％以上的方差。值得注意的是，土壤温湿整体状况对日最高气温的影响主要体现的是土壤湿度反馈的作用，而对日最低气温的影响则体现出土壤温度的反馈作用。历史及未来阶段，土壤温湿整体状况会对对流层中、低层气温年际变率产生较强影响，且影响随高度升高而减小。在850hPa高度，在西伯利亚西南至中国华北、恒河平原、四川盆地等在内的东亚许多地区，土壤温湿的整体反馈解释了40％以上的方差。在500hPa高度，土壤温湿整体状况的反馈强度与850hPa相比，相对较弱，影响范围也较小，但在中国东北等部分区域土壤温湿整体反馈仍解释了至少30％的气温方差。土壤温湿整体状况对地表气温、850hPa及500hPa气温年际变率的影响，主要通过对地表向上长波辐射、感热及潜热通量的共同作用加以实现。整体而言，未来土壤温湿整体状况对气温及能量通量的影响要比历史阶段强。历史和未来阶段，土壤温湿整体状况对夏季降水的影响较为复杂，对降水年际变率的影响有正也有负，影响的空间分布不均一，区域差异性较大。