基于卫星和再分析数据的大气水循环变量比较和分析

摘要

水循环是指地气系统的水在太阳辐射和重力作用下以蒸发、降水和径流等方式进行的周而复始的运动过程，它所涉及的大气物理量包括大气中的水汽，云中的水凝物及降水等。水循环既受气候系统的制约，又反过来通过影响大气环流以及气候变化对气候系统进行反馈，因此研究水循环相关物理量将有助于我们更加深刻地认识地气系统，以及更准确地评估未来气候变化。
　　本文所涉及的水循环变量主要包括两大类，即水凝物和水汽。对于前者，我们选择了目前较为常用的几种水凝物数据，包括卫星观测资料ISCCP、MODIS和CloudSat，以及再分析资料CFSR和ERA，对中国及其周边地区水凝物的气候态水平及垂直分布特征以及水凝物的季节变化进行了比较研究，并对不同资料之间水凝物的不确定性进行评估;对于后者，我们主要是利用热带测雨卫星TRMM搭载的微波成像仪(TMI)多年水汽反演结果，对热带洋面上的水汽日变化特征进行研究。结果表明:在总的水凝物含量方面，MODIS、ERA和CFSR三种资料都显示出较高的一致性，无论是在描述整个中国及周边地区的水平分布特征和主要变化模态，还是在描述不同区域的月变化方面。其中，MODIS数据的绝对数值和变化幅度都最大，CFSR在陆地上与其他资料相差不大，而ERA则是三者中较小。与之相比，尽管ISCCP也能捕捉到水凝物总量的水平分布和区域月变化的一些主要特征，但在一些具体细节和时间与空间的相关性方面与其他三种数据存在一定差别，且绝对数值和变化幅度都是最小的。
　　在液态水含量方面，几种数据间的一致性更高。但是，两套观测数据MODIS和ISCCP的绝对值要明显低于再分析资料ERA和CFSR。特别地，ERA的液水含量占总水凝物的比例最大，且值都较CFSR更高。上述差异导致在低纬洋面和青藏高原南侧等气候敏感区域，LWP的“不确定性”高达60％以上，这需要引起足够的重视。对于冰水含量，不同数据间无论是分布形式还是具体数值都存在明显差异，因此除云贵川地区外，其他区域的“不确定性”都较大。其中MODIS数据的值最高，CFSR次之，而ERA冰水含量占总水凝物比例最低，其绝对数值也最低。
　　研究水凝物的季节分布以及季节变化特征可以发现，中国大部分地区夏季的云水路径比冬季高，中国及其周边地区水凝物季节变化特征显著，不同资料在反映云水产品季节分布时大致相似，但观测资料ISCCP、MODIS，再分析资料CFSR、ERA在反应IWP的高值中心有显著不同。不同区域水凝物分布受地形、大气环流、水汽输送等因素影响，地域特征明显。对于水凝物的垂直分布，中国南方地区的液态水含量则明显高于北方。再分析资料与CPR的观测结果相比，ERA的液态水含量偏高而CFSR的液态水含量整体偏低，且高值中心与观测资料的高值中心存在差异。对于冰水含量的垂直分布，再分析资料CFSR、ERA的冰层都较CPR更加深厚，且模式资料较观测资料的值也有差异，表明模式有可能高估了中国地区云的热动力学过程，模式的冰云参数化方案与观测相比仍存在较大的不确定性。
　　总而言之，观测资料ISCCP、MODIS、CPR和再分析资料ERA、CFSR在反映中国及其周边地区的水凝物时基本相似，但由于卫星仪器的不同，且不同模式选用的参数化方案不尽相同，不同资料之间反映的水凝物的值也有较大差异。事实上需再次强调的是，不同的水凝物数据各自均存在可能的误差来源（其中部分甚至是无法克服的），例如基于星载被动光谱类传感器的观测结果无法获取冰云下的云水信息，基于云雷达的云水和冰水划分标准值得商榷，不同模式的参数化方案和下垫面处理方式存在不确定性等。因此，本文的目的并非通过比较来明确哪种数据的水凝物结果更好，而仅是指出不同数据间可能存在的差异，以便在使用相应数据进行分析时对其“不确定性”程度有所认识，从而更好地估计云的辐射效应，以及理解其在气候变化中所扮演的角色。
　　另一方面，对于水循环的另一个重要变量水汽的研究结果表明，在水汽分布方面，热带地区洋面的水汽分布呈现由赤道向两极递减的趋势，水汽主要集中在印度洋面孟加拉湾、印度尼西亚附近海域，太平洋面暖池地区以及赤道辐合带。在秘鲁沿岸、美国西海岸等水汽下沉区，水汽的值较低。再分析资料和观测反演产品在反映水汽的整体分布情况时一致性很高。对反演产品水汽的日变化进行周期性分析后可发现，洋面上大部分区域水汽的日变化普遍具有很好的周期性，以24小时或12小时为主。
　　我们进一步利用反演的水汽资料对洋面上几个典型区域的水汽日变化特征进行了分析，结果表明，洋面上水汽普遍具有很好的周期性，大部分区域水汽的日变化都在当地时傍晚或更晚些的时候达到峰值。此外，这些区域的水汽日变化可能受到海温、风速、以及太阳短波辐射的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 研究现状

1．3 本文的研究框架和研究内容

第2章 资料和方法

2．1 水凝物资料

2．1．1 水凝物再分析数据

2．1．2 水凝物卫星观测数据

2．2 水汽资料

2．2．1 水汽再分析数据

2．2．2 卫星反演水汽产品

2．3 水凝物数据处理方法

2．4 水汽数据处理方法

第3章 中国及其周边地区水凝物水平分布及季节变化特征

3．1 不同资料水凝物积分量在中国及其周边地区水平分布特征

3．1．1 CWP、LWP、IWP的年平均分布

3．1．2 CWP、LWP、IWP的季节变化

3．2 不同资料水凝物在中国及其周边地区EOF分析

3．3 中国及其周边地区水凝物资料不确定性评估

3．4 中国及其周边地区典型区域水凝物月变化特征

3．5 本章小结

第4章 中国及其周边地区水凝物垂直分布特征

4．1 水凝物的垂直分布特征

4．2 本章小结

第5章 热带地区水汽日变化研究

5．1 再分析水汽资料和反演水汽产品的对比分析

5．2 基于卫星反演资料的洋面水汽日变化周期性分析

5．2．1 洋面水汽日变化周期的傅里叶分析

5．2．2 水汽日变化EOF分析

5．3 洋面上典型区域的水汽日变化情况

5．4 本章小结

第6章 总结和展望

6．1 本论文的主要结论

6．1．1 中国及其周边地区多种水凝物资料的气候态特征比较

6．1．2 热带洋面水汽日变化周期性研究

6．2 本论文工作的创新点

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与其他研究成果