土壤含水量对区域气候有重大影响，但许多相关联系仍不清楚。苏黎世联邦理工学院大气与气候科学研究所的研究人员与比利时和荷兰的同事一道，考察了夏季午后降雨最频繁的时间和地点。他们希望弄清楚，土壤干燥或湿润的日子里，哪种情况下降雨更多，以及这些日子里究竟最可能在哪里下雨。其他科学家得出的相互矛盾的发现促使他们开展这项研究。一些研究人员发现，午后降水尤其出现在土壤湿度较高的日子；另一些人似乎得出了相反结论——降雨发生在土壤相较周边地区最干燥的地方。
这项新研究如今提供了一些答案。“平均而言，土壤湿度较高的日子降雨最多，”第一作者 Benoit Guillod 解释说。他在 Sonia Seneviratne 教授（陆地—气候动力学教授）的研究团队中完成博士论文期间主持了这项研究，目前在牛津大学工作。“然而，降水最多的地方，是最干燥的子区域。”这一现象可以这样解释：一天之中，太阳会使地表升温，导致湖泊、河流、海洋和土壤中的水蒸发。这些水汽在白天不断上升，遇到较冷的空气层后凝结，随后便开始降雨。土壤含水量尤其在远离海岸的地区起着决定性作用：土壤中的水分越多，可蒸发的水就越多，降水发生的可能性也随之增加。
那么，究竟在哪里下雨？在一片湿润区域内，土壤湿度较低的地方会产生最暖的空气，使水汽上升到最高处，从而最先遇到较冷的空气层。因此，这些地点的降雨最为频繁。
土壤湿度仍未得到充分研究
为了得出这一结论，科学家需要查阅大量数据。尽管土壤湿度是重要的气候因素，但全球范围内的相关信息仍然缺乏。迄今为止，瑞士是这一领域少数先行者之一：由大气与气候科学研究所发起的监测网络自 2008 年起一直运行。苏黎世联邦理工学院与 Agroscope Reckenholz-Tänikon 和 MeteoSwiss 合作，在瑞士各地设置了 19 个配备土壤传感器的站点，作为 SwissSMEX 项目的一部分。这些站点记录不同深度的土壤温度和含水量。
此类详细测量在全球范围内十分罕见。在这项研究中，科学家不得不依赖卫星数据；这些数据提供了地表至地下两到三厘米深处的湿度信息。然而，要准确考察水分蒸发，仅有地表数据并不足够。许多水分是通过植被蒸发的：植物通过根系从深层土壤吸收水分，再将其输送到地表。科学家估算了深达一米处的土壤湿度；为此，除降水和表层土壤湿度数据外，他们还使用了辐射和温度信息。
分析了逾 100,000 次降雨事件
“我们在地表上划分网格，并借助算法识别出 2002 年至 2011 年间超过 100,000 次独立降雨事件，随后分析了这些事件发生前的土壤湿度，”Guillod 解释说。此前的研究要么只关注空间方面——在哪里下雨，要么只关注时间方面——什么时候下雨。“我们的研究首次展示了土壤湿度与降水之间整体的时间和空间相关性，”Guillod 说。
不过，他提醒人们不要过早下结论：“由于这一过程十分复杂，降雨究竟在何时发生，目前还没有完全弄清楚。”未来，更高性能的计算机、详细模拟和模型实验应能进一步回答，降雨事件在多大程度上受到土壤湿度和大气过程的影响。
未来，对这些问题的解答或许有助于更好地理解其他气候过程。“例如，这些解答可能让人们进一步了解土壤湿度与植物生长之间的相互作用，”Seneviratne 解释说。这类信息可作为研究农业大型灌溉系统影响的依据，也可能有助于弄清通过种植和灌溉能否遏制干旱地区的扩张。
本文由苏黎世联邦理工学院合作发布。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。 苏黎世联邦理工学院。发表本文并不意味着世界经济论坛认同其中的观点。
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作者：Inken De Wit 为苏黎世联邦理工学院撰稿。
图片：堪萨斯州哈德逊市奎维拉国家野生动物保护区的一处干涸水池上方出现彩虹。路透社/Jeff Tuttle
