土壤不仅承载了绝大部分的陆地生态系统，还扮演着陆气之间水分循环，能量平衡 “调节器”的主要角色，其重要性体现在能够“记忆”来自大气的异常变化信号并反馈到大气中，从而影响气候和生态系统的时空演变。
从气候系统相互作用角度出发，早期已经形成了土壤-植被-大气连续体概念（SPAC），提出了水分的土壤-植被-大气传输方案（SVAT），在这些理论基础上逐渐发展成为量化描述陆面过程在气候系统中的反馈作用的陆面模型。土壤湿度对气候异常的“记忆”特性是除海洋外影响气候变化最为重要的过程。然而，受观测数据不足的制约，有关研究进展相对缓慢。近年来，观测技术、数据质控和应用能力的提高，以及数值模式的发展为土壤湿度与气候变化相互作用研究注入了新的活力。
近年来，中国科学院大气物理研究所李明星副研究员及其合作者开展了土壤湿度相关问题的研究，在有关土壤湿度的陆面模式发展和应用，及其在气候研究中的作用等方面取得了如下的进展。
1.陆面模式的发展和应用
当前，陆面模式已成为研究区域土壤湿度变化的重要工具，其对土壤湿度模拟的准确性主要依赖于驱动模式的气象数据的质量和模式物理过程描述的完备性。为了提高陆面模式对中国区域土壤湿度的模拟能力，我们利用台站观测的降水量、气温、气压、风速等气象要素建立了中国区域陆面模式大气驱动场（0.5o×0.5o， 1951-2008年），同时综合遥感产品和观测数据优化了中国区域的土地利用类型和部分土壤参数，在土壤水参数化方案中引入了土壤孔隙度概念来描述土壤孔隙大小变化对水分运动的影响。在此基础上完成了中国区域长时间的陆面过程模拟数据集（1951-2008年），与当时已有的陆面模拟数据相比，新驱动场和模式改进显著地提高了陆面水文过程的模拟能力，尤其是土壤湿度的模拟，为进一步研究中国区域土壤湿度和气候变化相互作用建立了高质量的数据基础 (Li and Ma, 2010; 李明星, 等, 2011)。这一工作也充分说明了利用台站观测气象资料构建驱动场在提高陆面模式模拟能力方面的重要性（图1）。
图1. 基于陆面模式CLM3.5的站点观测数据驱动场构建、陆面数据更新、土壤水参数化方案改进的陆面过程模拟框架图
2.基于土壤湿度的中国区域干湿变化研究
区域的干湿变化研究传统上多以大气过程的变量为指标，例如降水量、潜在蒸散等，主要表征的是气候的干湿变化。然而地表环境的干湿特征同时受大气过程和陆面过程及土壤、地形等的共同作用，且对生态系统和土地利用及管理具有更加直接的指示作用。土壤是连接生物圈-大气圈的界面，土壤湿度变化能够更加直接表征地表环境的干湿状况。过去，由于受观测数据缺乏和土壤湿度模拟数据质量的限制，基于土壤湿度的地表干湿检测工作还很薄弱。为此，基于前期陆面过程模式模拟的数据集和观测数据，系统地分析了中国区域地表干湿变化。我们发现，土壤湿度气候态的空间分布总体上与降水一致，由东南向西北逐渐减少。但土壤湿度的湿中心主要分布在东北平原和江淮流域，与降水量的高值中心分布并不重合，这主要是地形，土壤质地，植被分布等对降水、产流、入渗等陆面水平衡过程的影响所致（图2a）。还发现西北干旱区降水的增加引起了土壤湿度的变湿趋势；但干湿过渡带显著的变干趋势更值得关注（图2c, d）。由于这些区域土壤湿度变化强烈，同时植被生态系统对土壤湿度的变化也更加敏感。总体变干趋势和增加的干旱频率会进一步加剧生态系统的水分胁迫，对该地区的生态系统产生不利影响 (李明星 等, 2011；Li et al. 2017)。
以土壤湿度为指标的分析表明，我国气候的干湿变化呈明显的西北-东南向带状演变的特征（图2），而在气候干湿过度带，土壤湿度的显著干化趋势和干旱频率增加 (李明星 和 马柱国, 2015)导致了干旱半干旱区面积向半湿润区扩张 (图3P1，李明星 和 马柱国, 2012)，以及这一区域能量平衡的变化 (Li and Ma, 2015)。同时，土壤湿度的“记忆性”相应也在这些区域延长，干旱信号持续性增强，尽管如此，土壤湿度变化仍可过滤掉部分气候干旱化的高频信号，使得根层生长季的土壤干旱化扩张弱于大气干旱导致的旱区（Drylands）扩张(图3P2，Li, et al., 2020)。土壤湿度与大气指标（如AI指数）所表征的气候变化特征的时空一致性和差异性表明了陆面对大气系统异常既响应又调制的过程，既响应气候变化的信号又体现了土壤、植被、水文等对气候变化的作用。
从全球尺度来看， RCP8.5排放情境下，未来气候增暖会导致旱区面积扩张，尤其高纬度冻土所固定的土壤水分会逐渐流失，陆地水循环过程发生了变化，土壤湿度大概率向较干旱的气候带过渡 (图3P3，Li, et al., 2021)，这不利于高纬度植被生态系统固碳能力的提高，这似乎与我们的期望相悖，也预示着我们需要从陆地水循环的角度更深入研究气候变暖对高纬度水文和生态系统的影响。
图2. 1990-1999年夏季（6-8月）平均模拟(a)和观测(b)土壤湿度比较及1951-2008年土壤湿度线性趋势(c)和月尺度土壤干旱次数(d)的变化趋势
图3. P1. 基于土壤湿度的半干旱、半湿润区东部边界线变化，a)半干旱、半湿润边界沿北纬43度线东西移动，b)半干旱、半湿润边界线沿东经111和115度线南北变化；P2. 2010年代与1980年代相比，生长季（5-9月份）气候干旱指数（AI，年降水量与潜在蒸散量之比）表明旱区面积扩张了72万平方公里，根层（1 m）土壤湿度指标扩张了50万平方公里，而青藏高原的收缩现象土壤湿度指示不明显；P3. RCP8.5情景下总土壤含水量定义的旱区2090年代相对于1976-2005时期的面积变化（a）及时间演变（b），曲线代表了模式参数扰动模拟的不同成员。
3.土壤湿度表征的区域尺度陆-气耦合强度与气候变化
土壤湿度的变化能够改变陆-气之间水分、能量等交换过程，两者之间耦合强度的时空变化对气候变化及其预测具有重要意义。我们研究发现，土壤湿度与降水变化在我国东部及干湿过渡带耦合强度较大，且在月时间尺度上呈同步变化；在西南和西北部分山区两者耦合强度较小，且时间变化并不同步，这与降水和下垫面特征及地形等因素有关。夏季，除高原地区和东部局部区域受气温变化的主导外，我国大部分地区陆-气耦合主要由水分过程控制。而在水分和能量控制的区域，大气或者陆面过程主导变湿或变干过程也存在区域上的差异（图4），这些复杂的区域特征与土壤湿度（θCRIT）变化密切联系 (Li, et al., 2017)，土壤湿度变化不失为这些地区气候预测的重要前兆信号。
图4. 土壤湿度和降水量相关系数表示的陆气耦合强度的空间分布（a），土壤湿度和气温变化识别的水分或能量主导的夏季陆-气耦合的空间分布（b），土壤湿度变化影响陆气耦合过程变化的机制（c）.
随着观测资料的不断丰富和同化系统的完善，再分析资料描述土壤湿度温度变化的能力也在不断提高，且具备合理的水-热物理自洽性和季节性，这为更深入研究土壤湿度和气候变化相互作用提供了数据基础(Li, et al., 2020)。近年来，尽管土壤湿度研究在不同领域越来越受到重视，并取得了长足进展，但相对其在气候、水文、生态等领域的重要性，相关研究还远远不够深入，仍需加强气候、水文、生态、农业等领域跨学科合作并积极推进土壤湿度相关的观测、机理和模式研究。
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