《Atmospheric Research》：Disentangling the effects of orographic forcing and soil moisture on shallow cumulus in a semi-arid grassland
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本研究针对半干旱地区浅积云形成机理不清的难题，综合运用探空观测、MODIS卫星数据和高分辨率大涡模拟（LES）技术，在内蒙古草原地区系统分离了地形和土壤湿度两种关键地表异质性对云形成与发展的影响。研究结果表明，地形强迫主导了云的形成位置，而土壤湿度则通过调节感热通量对云量起次要控制作用。风动力驱动的迎风坡抬升是云形成的主要机制，而高土壤湿度会抑制感热通量，从而不利于云的发展。这些发现强调了联合考虑地形和土壤湿度对于改进半干旱区浅积云预测的重要性。
想象一下，在广袤的内蒙古大草原上空，朵朵白云点缀着蓝天。这些看似随意飘散的“棉花糖”究竟在何处形成，又受哪些因素控制？这不仅是天气爱好者的好奇，更是气象学家和气候模型开发者面临的挑战。在干旱和半干旱地区，浅积云对调节地表能量平衡和水分循环至关重要，但其形成机理复杂，特别是在地表特征变化多端的区域。传统研究往往将地形、土壤湿度、土地利用等多种地表异质性因素混杂在一起考虑，导致难以厘清各自的具体贡献，如同“一锅粥”，这极大地制约了我们准确预测当地天气和气候变化的能力。
为了解开这个谜团，来自南京信息工程大学的郭亚丽、陈静怡、施红荣、陈洪滨、陆春松的研究团队，将目光投向了内蒙古草原这一典型的半干旱地貌实验室。他们利用2014年7月26日的一次典型浅积云天气过程，巧妙地将观测与数值模拟相结合，旨在回答两个核心科学问题：在这样一个半干旱丘陵地带，地形（海拔）如何影响浅积云形成的时间和地点？土壤湿度又在其中扮演了何种角色？他们的研究成果最终发表在气象学知名期刊《Atmospheric Research》上。
为开展这项研究，作者们巧妙地运用了三种关键技术手段。首先是实地探空观测，他们在研究地点（BQ站，内蒙古锡林郭勒盟）进行了密集的探空气球施放，精细捕捉了云形成期间边界层的热力结构、水汽和风场变化。其次是卫星遥感，他们利用了MODIS（中分辨率成像光谱仪）的高分辨率真彩色图像，直观获取了研究日当天浅积云的实际空间分布。最后，也是研究的核心，是进行了两组高分辨率大涡模拟（Large-Eddy Simulation, LES）数值实验。他们使用WRF（天气研究和预报）模型，设置了500×500网格点、水平分辨率300米的高精度模拟区域。通过对比使用ERA5再分析数据（WRF-ERA5实验）和使用更高分辨率的全球表层土壤湿度产品（WRF-HSM实验）初始化土壤湿度的两组模拟，研究人员得以分离和量化土壤湿度变化对云形成的影响。
3.1. 利用观测资料评估模拟结果
研究首先评估了模拟的可靠性。模拟的云在空间上主要集中在研究区域南部的两个丘陵地带，这与MODIS卫星观测到的真实云分布一致，验证了模型能再现云形成的关键位置。进一步对比探空数据，模拟结果在边界层的位温、水汽混合比垂直结构以及风场廓线上，都与观测有较好的一致性，表明模型能够合理地再现云形成期间的关键大气状态。
3.2. 地形对云启动的影响
这是研究的核心发现之一。通过分析位温异常、水汽混合比异常、垂直速度异常与地形高度、总抬升率等参数的关系，研究清晰地揭示了地形的主导作用。
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高海拔，冷湿且上升：在较低的对流层，高海拔地区（>1400米）通常表现出较低的位温（偏冷）和较高的水汽混合比（偏湿），这与我们通常“高处不胜寒”的直觉相符。更重要的是，较强的上升运动主要发生在这些高海拔区域。
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迎风坡抬升，背风坡汇集：分析表明，抬升主要发生在迎风坡。然而，云的最终形成却略微偏向于背风坡。这是因为，尽管迎风坡有更强的垂直上升运动，但背风坡往往伴随着更强的低层辐合（气流汇聚），这种动力条件更有利于云滴的聚集和增长。因此，地形强迫通过驱动迎风坡的抬升运动，为云的形成提供了初始动力，而背风坡的辐合区则成为云更易形成和维持的“温床”。
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地表通量与地形的关系：感热通量随海拔升高而系统性地减少，潜热通量则相应增加。这表明，在较高的丘陵地带，更多的太阳辐射能量用于蒸发水分而非加热空气。然而，感热和潜热通量在迎风坡和背风坡的分布基本对称，说明之前观测到的风坡两侧气象要素差异，主要是地形动力强迫的结果，而非地表通量差异所致。
3.3. 土壤湿度在云启动中的作用
虽然地形设定了“舞台”，但土壤湿度是调控“演出规模”的重要角色。通过对比WRF-ERA5（土壤较干）和WRF-HSM（土壤较湿）两组实验，研究人员发现：
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高土壤湿度抑制云发展：使用高分辨率、更湿润土壤湿度数据初始化的WRF-HSM实验，模拟出的云更稀疏、更小，总云覆盖面积比WRF-ERA5实验减少了约47%。
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作用机制：调控感热通量：深入分析发现，高土壤湿度改变了地表能量分配。在WRF-HSM实验中，土壤更湿导致更多的净辐射能量用于蒸发（潜热通量更高），而用于直接加热近地表空气的感热通量则显著降低。在云形成的关键高海拔区域，WRF-ERA5实验的感热通量（约214 W m-2）明显高于WRF-HSM实验（约183 W m-2）。感热通量的减少削弱了对流边界层的发展和对流启动的强度，从而抑制了云的形成和发展。
结论与重要意义
本研究通过创新的“观测+模拟”框架，成功解耦了地形强迫和土壤湿度对半干旱草原浅积云形成的相对贡献。主要结论如下：地形强迫是控制浅积云形成位置的首要因子，其动力机制（迎风坡强迫抬升和背风坡辐合）主导了云的初始启动地点。土壤湿度则扮演了次要但关键的调节角色，它主要通过调控地表感热通量来影响云量：较高的土壤湿度会抑制感热通量，从而不利于对流发展和云的增长，导致云量减少。研究还揭示了一个反直觉的现象：在高海拔地区，尽管空气更冷更湿，但上升运动却更强，这与高海拔地区感热通量较低、通常不利于对流的传统认知相悖，突显了该地区地形动力强迫的压倒性影响。
这项研究具有重要的科学意义和应用价值。在科学上，它首次在半干旱草原地区清晰地量化了地形和土壤湿度在浅积云形成中的各自作用，深化了对复杂地表下土地-大气相互作用过程的理解。在应用上，研究强调了在高分辨率天气和气候模式中，必须联合并准确表征地形和土壤湿度异质性，才能改进对半干旱区对流性降水触发、云量及地表能量收支的预测。这对于水资源管理、生态保护和应对气候变化带来的干旱化风险具有重要的参考价值。未来，在气候变化背景下，土壤湿度和降水格局的变化可能会进一步改变这类地区浅积云的演变规律，本研究为此类影响评估提供了关键的理论和模拟基础。
