基于衛(wèi)星和再分析數(shù)據(jù)的大氣水循環(huán)變量比較和分析.pdf

1、水循環(huán)是指地氣系統(tǒng)的水在太陽輻射和重力作用下以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進行的周而復(fù)始的運動過程，它所涉及的大氣物理量包括大氣中的水汽，云中的水凝物及降水等。水循環(huán)既受氣候系統(tǒng)的制約，又反過來通過影響大氣環(huán)流以及氣候變化對氣候系統(tǒng)進行反饋，因此研究水循環(huán)相關(guān)物理量將有助于我們更加深刻地認(rèn)識地氣系統(tǒng)，以及更準(zhǔn)確地評估未來氣候變化。
　　本文所涉及的水循環(huán)變量主要包括兩大類，即水凝物和水汽。對于前者，我們選擇了目前較為常用的幾種水凝物數(shù)據(jù)

2、，包括衛(wèi)星觀測資料ISCCP、MODIS和CloudSat，以及再分析資料CFSR和ERA，對中國及其周邊地區(qū)水凝物的氣候態(tài)水平及垂直分布特征以及水凝物的季節(jié)變化進行了比較研究，并對不同資料之間水凝物的不確定性進行評估;對于后者，我們主要是利用熱帶測雨衛(wèi)星TRMM搭載的微波成像儀(TMI)多年水汽反演結(jié)果，對熱帶洋面上的水汽日變化特征進行研究。結(jié)果表明:在總的水凝物含量方面，MODIS、ERA和CFSR三種資料都顯示出較高的一致性，無論

3、是在描述整個中國及周邊地區(qū)的水平分布特征和主要變化模態(tài)，還是在描述不同區(qū)域的月變化方面。其中，MODIS數(shù)據(jù)的絕對數(shù)值和變化幅度都最大，CFSR在陸地上與其他資料相差不大，而ERA則是三者中較小。與之相比，盡管ISCCP也能捕捉到水凝物總量的水平分布和區(qū)域月變化的一些主要特征，但在一些具體細(xì)節(jié)和時間與空間的相關(guān)性方面與其他三種數(shù)據(jù)存在一定差別，且絕對數(shù)值和變化幅度都是最小的。
　　在液態(tài)水含量方面，幾種數(shù)據(jù)間的一致性更高。但是，兩

4、套觀測數(shù)據(jù)MODIS和ISCCP的絕對值要明顯低于再分析資料ERA和CFSR。特別地，ERA的液水含量占總水凝物的比例最大，且值都較CFSR更高。上述差異導(dǎo)致在低緯洋面和青藏高原南側(cè)等氣候敏感區(qū)域，LWP的“不確定性”高達60％以上，這需要引起足夠的重視。對于冰水含量，不同數(shù)據(jù)間無論是分布形式還是具體數(shù)值都存在明顯差異，因此除云貴川地區(qū)外，其他區(qū)域的“不確定性”都較大。其中MODIS數(shù)據(jù)的值最高，CFSR次之，而ERA冰水含量占總水凝物

5、比例最低，其絕對數(shù)值也最低。
　　研究水凝物的季節(jié)分布以及季節(jié)變化特征可以發(fā)現(xiàn)，中國大部分地區(qū)夏季的云水路徑比冬季高，中國及其周邊地區(qū)水凝物季節(jié)變化特征顯著，不同資料在反映云水產(chǎn)品季節(jié)分布時大致相似，但觀測資料ISCCP、MODIS，再分析資料CFSR、ERA在反應(yīng)IWP的高值中心有顯著不同。不同區(qū)域水凝物分布受地形、大氣環(huán)流、水汽輸送等因素影響，地域特征明顯。對于水凝物的垂直分布，中國南方地區(qū)的液態(tài)水含量則明顯高于北方。再分析資

6、料與CPR的觀測結(jié)果相比，ERA的液態(tài)水含量偏高而CFSR的液態(tài)水含量整體偏低，且高值中心與觀測資料的高值中心存在差異。對于冰水含量的垂直分布，再分析資料CFSR、ERA的冰層都較CPR更加深厚，且模式資料較觀測資料的值也有差異，表明模式有可能高估了中國地區(qū)云的熱動力學(xué)過程，模式的冰云參數(shù)化方案與觀測相比仍存在較大的不確定性。
　　總而言之，觀測資料ISCCP、MODIS、CPR和再分析資料ERA、CFSR在反映中國及其周邊地區(qū)的

7、水凝物時基本相似，但由于衛(wèi)星儀器的不同，且不同模式選用的參數(shù)化方案不盡相同，不同資料之間反映的水凝物的值也有較大差異。事實上需再次強調(diào)的是，不同的水凝物數(shù)據(jù)各自均存在可能的誤差來源（其中部分甚至是無法克服的），例如基于星載被動光譜類傳感器的觀測結(jié)果無法獲取冰云下的云水信息，基于云雷達的云水和冰水劃分標(biāo)準(zhǔn)值得商榷，不同模式的參數(shù)化方案和下墊面處理方式存在不確定性等。因此，本文的目的并非通過比較來明確哪種數(shù)據(jù)的水凝物結(jié)果更好，而僅是指出不同

8、數(shù)據(jù)間可能存在的差異，以便在使用相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析時對其“不確定性”程度有所認(rèn)識，從而更好地估計云的輻射效應(yīng)，以及理解其在氣候變化中所扮演的角色。
　　另一方面，對于水循環(huán)的另一個重要變量水汽的研究結(jié)果表明，在水汽分布方面，熱帶地區(qū)洋面的水汽分布呈現(xiàn)由赤道向兩極遞減的趨勢，水汽主要集中在印度洋面孟加拉灣、印度尼西亞附近海域，太平洋面暖池地區(qū)以及赤道輻合帶。在秘魯沿岸、美國西海岸等水汽下沉區(qū)，水汽的值較低。再分析資料和觀測反演產(chǎn)品在反