北冰洋大气水汽对北极海冰及气候变化的影响机制研究

As an important greenhouse gas, the atmospheric water vapor plays an important role in Arctic warming. A persistent increase in Arctic air temperature produces rapid increases in equilibrium vapor pressure of water vapor and atmospheric water vapor content, enhances the downward longwave radiation flux (DLF), accelerates the Arctic warming and triggers the positive water vapor feedback. However, owing to the limitations of spatial resolution and accuracy of traditional measurements, the influence mechanisms of atmospheric water vapor on Arctic sea ice decline and climate change are still to be discussed. In the project, Jason-1 microwave radiometer data, Global Positioning System (GPS) radio occultation (RO) observations and other multi-source satellite measurements are incorporated to estimate the high spatial resolutions (in horizontal and vertical directions) and the seasonal and interannual variations of atmospheric water vapor during the rapid changes of the Arctic Ocean. In addition, the effects of cloud properties on water vapor feedback are assessed, together with the influence characteristics among air temperature, water vapor and DLF are analyzed. Furthermore, the influence mechanisms of water vapor feedback on Arctic sea ice decline and climate warming are studied. The study will provide the scientific evidences for making improved predictions of future Arctic Ocean.

大气水汽是一种重要的温室效应气体，在北极变暖中扮演着重要的角色。北极气温的不断升高，导致北冰洋水汽饱和蒸气压及大气水汽含量的急剧增加，促进大气向下长波辐射通量增大，激发北极变暖的正反馈机制。受传统观测资料在空间分辨率、精度等方面的限制，大气水汽对北极海冰及气候变化的影响机制仍有待进一步探讨。本项目综合利用Jason-1微波辐射计数据和GPS无线电掩星观测等多源卫星观测资料，估计快速变化期北冰洋高空间分辨率（水平和垂直方向）的大气水汽分布，研究其季节性和年际变化规律，评估云对水汽反馈的影响，探讨大气温度、水汽和向下长波辐射通量三者间的相互影响特征，研究水汽反馈对北极海冰减少及气候变暖的影响机制，为北冰洋未来变化的预测提供科学依据。

本项目基于卫星遥感手段研究了北极高层大气温度变化对北极海冰变化的潜在影响；估计了北极低层大气逆温特性，研究了大气逆温的季节性变化规律；探讨了大气水汽（PWV）的变化特征，揭示了大气水汽在北极开阔水域、海冰边缘区和中央区的海冰变化的响应特征；开发了一套水汽校正模型，可有效提高MODIS水汽产品精度和数据可利用率。基于无线电掩星（RO）观测估计了整个北极地区低层大气逆温特性的时空变化，与北极陆地地区的无线电探空（RS）观测结果进行对比后发现，RO与RS观测估计的逆温高度，逆温厚度和逆温强度具有类似的季节性特征：两者均在冬季更低、更厚和更强，且秋季、春季和夏季依次次之；两者估计的逆温特性的差异具有明显的系统性，并可通过时序分析对RO观测估计的逆温特性进行有效校正；同时，利用RO估计的全天候北极低层大气逆温特性，评估了AIRS进行北极逆温特性估计时受云量的影响：AIRS估计的逆温厚度在陆地与海洋均对云量的变化不敏感，而AIRS估计的逆温强度在陆地对云量变化的敏感性比在海洋强得多。基于RS观测和2008年北极科学考察数据，对北极AIRS和MODIS PWV产品进行了精度评估，发现两者均低估了PWV，但AIRS的精度优于MODIS；尽管在开阔水域和海冰边缘区的PWV高于中央区，北极平均PWV的变化由中央区支配。除开阔水域的春夏季外，在不同海冰状态下，PWV与海冰密集度（SIC）的异常变化在各个季节均呈显著负相关，且负相关在海冰边缘区最强；在开阔水域和海冰边缘区，PWV和SIC分别呈减少和增加的趋势，而在北极中央区则分别呈增加和减少的趋势，表明开阔水域和海冰边缘区SIC的增加是由于中央区的SIC减少所致；比较分析PWV和SIC的周期性变化后发现，PWV对SIC的变化存在1.2~1.3月的滞后效应。提出了基于云掩膜产品的差分线性校正模型（CDLAM），并证实该模型可有效提高MODIS红外水汽产品的精度，以及提高MODIS水汽数据的有效使用率。同时，该模型也可进一步用于北极高空间分辨率的大气水汽估计，提高对大气水汽分布与变化特征的认识。