青藏高原大气水汽多时间尺度特征研究

围绕大气水汽多时间尺度特征这一关键科学问题，针对青藏高原（简称高原）研究的不足及地基GPS探测的大气可降水量(PW)具有高时间分辨率和高精度的特点，基于高原14个无线电探空（RS）站的大气廓线资料，拟合适用于高原的大气平均温度与地面气温的经验关系式，并将该关系式应用于反演高原17个GPS站的PW（GPS-PW）；将获取的GPS-PW资料与高原14个RS站和2个微波辐射计(WVR)站(祁连、那曲)获取的PW资料进行对比分析，建立RS-PW"干偏差"的订正方法，并订正高原RS-PW的干偏差，获取高精度的RS-PW。在此基础上，基于GPS-PW和RS-PW，利用谐波分析和小波分析等方法，分析高原各气候区PW的多时间尺度特征，包括日、季节内、年和年际变化特征。该研究将为精确反演高原PW、深入了解高原的天气气候特征、开发空中水汽资源和数值模式更准确地描述高原PW多时间尺度特征提供理论依据。

基于多源大气水汽资料（地基GPS、探空和数值模式输出），采用多种研究方法以及大气辐射模式，探讨了青藏高原（简称高原，下同）大气水汽多时间尺度变化特征及其对辐射模拟的影响。结果表明：（1）高原探空（RS）观测的大气水汽总量（PW）比地基GPS观测的结果（GPS_PW）明显偏小，偏小程度随使用不同的探空仪而异，新型探空仪（GTS-1）的探测偏差明显小于旧型探空仪（GZZ-2）的探测偏差。分析发现PW偏差（RS_PW-GPS_PW）具有明显季节变化和日变化特征。太阳辐射加热以及气温日变化和季节变化是造成PW偏差日变化和季节变化的原因。据此提出了PW偏差的订正方法，该方法在实际应用中取得了较好订正效果。（2）近35年（1976～2010年）高原夏季大气增温是PW增加的重要因素。在高原夏季风活跃期（4月上旬～10下旬）PW具有4～14天和60～90天的显著变化周期。夏季高原及周边地区的季风区和季风边缘区PW随海拔高度的变化符合幂函数规律。高原PW具有显著日变化特征，该特征随站点海拔高度、地形和局地气候特点的不同而异。（3）基于降水临界理论，建立了PW和降水量之间的关系式。在高原大气增温和增湿的背景下，极端降水发生频率增加。（4）高原地区ECMWF分析资料PW的精度较高，JRA-25分析资料的PW在夏季略偏小。NCEP和Met-Office分析资料的PW夏季明显偏小，这些大气水汽估算误差对高原长短波辐射模拟均有重要影响。（5）高原大气水汽、臭氧、气溶胶和云对太阳辐射直接影响呈显著季节变化特征。水汽对太阳辐射吸收月平均值约9～95 W/m2，约占太阳总辐射2%～13%。臭氧对太阳辐射吸收月平均值约8～12 W/m2，约占太阳总辐射1.5%～1.8%。高原气溶胶直接辐射强迫年平均值约-13.7~-10.1 W/m2。云对地表短波辐射强迫年平均值约70～140 W/m2，其大小与站点所处区域的气候特征有关。高原大气水汽、臭氧和云对向下长波辐射的影响也呈显著季节变化特征。近35年高原夏季水汽增加对太阳总辐射、净短波辐射和长波辐射的影响分别为-1.16±0.40、-0.93±0.32和1.28 W·m-2/10a。年平均水汽增加对太阳总辐射、净短波辐射和长波辐射的影响分别为-0.57±0.18、-0.45±0.14和0.65 W·m-2/10a。