基于多源卫星观测结果的洋面水汽日变化和长期趋势研究

The spatial and temporal variations of water vapor on multiple scales, such as diurnal cycle and long-term trend, are one of the most important factors affecting the water cycle and energy balance in Earth climate system. However, our understandings on this topic how it is related with the radiation, latent heat, dynamics and climate feedback are limited, due to the deficiency of low sampling rate and short operation period for single satellite and the shortage of the discrepancy and discontinuity between various platforms and instruments for multiple satellites. To address this issue, we propose to study the characteristics of globally oceanic distribution of water vapor by using a new synthetic dataset through the combination of retrievals from passive microwave radiometry on multiple-satellite for multi-year. In this study, we will firstly use multiple independent intercalibration techniques to derive the consistent brightness temperature (TB) data for long-time from 1987 to the present and high-sampling from multiple satellite-based passive microwave sensors. Then we will apply the integrated column water vapor (CWV) retrieving algorithm in this TB data for various sensors to establish a long-term stable and multiple-sensor-based CWV product over global ocean with further coherency and accuracy validations. Finally, we will use this unique CWV product to investigate the diurnal cycle and long-term trend for CWV. The findings from this study will in detail reveal the characteristics of the CWV diurnal variation over global oceans, and explore the CWV climatology under the background of global warming. Also, these findings are used to provide observational evidences for global and regional modeling studies for weather and climate purpose, and to improve our understandings and knowledge about the roles of water vapor in weather and climate system.

洋面水汽的日循环和长期趋势等多时间尺度变化是影响地气系统水循环和能量平衡的主要因素之一。但现在单一卫星观测数据普遍存在采样率低和持续时间短等缺陷，而多卫星观测数据间又存在不一致和不连续等问题，这严重限制了我们在不同时空尺度上对与水汽相关的辐射、潜热、动力和气候反馈等物理机制的认知。针对这一问题，本项目拟开展基于多源卫星被动微波仪器观测结果的水汽反演和分析研究：(1)对1987年至今多个星载被动微波仪器的观测亮温进行互校准，生成长期、连续、单日高采样率的一致性亮温数据集；(2)基于该数据集反演合成近30年稳定的多源卫星全球洋面柱水汽含量产品；(3)开展洋面水汽日变化和长期趋势研究。上述研究结果将揭示全球洋面水汽日变化的详细特征，并探索在全球变暖背景下水汽的长期变化趋势，从而为改进全球和区域天气和气候模式模拟提供观测证据，并提升我们对天气和气候系统中水汽变化的认知。

洋面水汽在从日循环到气候，从局地到全球等不同时空尺度上的变化与地气系统水循环和能量平衡过程紧密联系。迄今为止，我们在全球尺度上尚缺乏长期一致稳定可靠，且有较高采样率的水汽观测数据，这阻碍了我们对水汽不同时空变化规律，以及与之相关的辐射、热量和动力过程的认知。本项目收集了自1990年以来的多颗星载被动微波仪器观测结果，设计并开发了一套完整的互校准流程，实现了对各个仪器的一致性重订正，并由此建立了长达32年的基础气候亮温观测数据集；进一步开发了针对该数据集的水汽反演算法，并建立了相应的多年多日内采样率洋面柱水汽含量产品；基于该产品，对水汽长期变化趋势及日循环等进行了研究。本项目所取得的关键数据、重要结果和科学意义如下：（1）综合运用冷参考点法、亮温梯度拐点法、模式双差法、主成分分析法、订正传递等多种方法技术，克服仪器自身稳定性、仪器间定标误差和硬件设计差异等三种偏差来源，成功地实现多个星载被动微波仪器观测亮温的一致性校准，平均偏差小于0.2K，并由此建立了一套以GMI作为观测标准、时间长度30余年的基础气候观测数据集（FCDR）。作为全球首套 “长时间多采样”的微波亮温FCDR，它能有效避免反演等数据再处理误差，确保所获得的各种地气参数的长期一致性和稳定性，因此在多种时空尺度变化特征研究中都将具有极大的应用潜力。（2）针对该FCDR，开发了相应的水汽反演算法，并由此获得气候尺度日内多采样率的洋面水汽产品，这也属国际首次。验证结果表明，该产品平均误差低于0.3 kg m-2，且不随不同仪器来源而变化，这证明了该套产品具有高度一致性和准确性，故将非常适合对各种尺度水汽变化特征的研究。（3）利用该水汽产品，揭示了全球水汽的逐小时变化特征，此外给出了其长期增长趋势的观测证据，这将有助于更好地理解水汽的天气和气候效应，改进天气和气候模式的参数化方案，从而更加准确地进行天气预报和气候预测。