中國區域大氣可降水量時空分布特征與衛星遙感精度評估

　　水汽是大氣中最重要的物質之一，對水文、天氣、氣象和氣候過程至關重要。我國國土遼闊，地理形貌、生態系統、天氣與氣候系統豐富多樣，精確探測大氣可降水量（PWV）對研究地-氣系統物質能量循環與水資源利用有著重要的意義和價值。分析2014-2015年CARE-China Network與AERONET地基聯網探測數據揭示我國大氣可降水量（PWV）時空變化特征。從青藏高原到東部沿海、從北方沙漠到中國南海，水汽年均值（圖1）空間變化范圍達4.0±2.9-2.3±10.6mm；同時，PWV具有明顯的季節變化（圖2），季節變化范圍可達1.9±1.2-50.5±5.4mm，夏季PWV約是冬季的2倍，春秋季節基本相當。

圖1. 中國典型地區地基遙測與衛星反演大氣可降水量PWV年均值

圖2. 中國大陸區域大氣可降水量季節與年均值空間分布（MODIS MOD07）

　　該項研究利用地基觀測網基準探測數據，首次系統評估了當前國內外主流衛星產品精度，發現我國風云衛星FY-3C與美國NASA的MODIS衛星反演PWV產品的精度存在較大的差異，多個傳感器（MOD05, MOD07, VIRR與MERSI）PWV產品的相對誤差變化范圍達到10%-900%，不同衛星產品時空適用性存在顯著的差異。在水汽量最高的中國南方沿海地區，PWV年均達35mm，我國風云衛星搭載的VIRR傳感器能夠精確的觀測大氣可降水量，PWV產品精度最高（相關系數R為0.93，表1），相對誤差小于6.3%；在中國西部干旱亮背景地區，PWV年均僅為10-15mm，風云衛星的MERSI傳感器表現出更高的反演能力，產品精度最高（R=0.84），相對誤差小于1.3%。在我國東部城市和城鎮化地區的PWV年平均為20-30mm，MODIS衛星產品精度較高（R=0.89），相對誤差范圍為0.64%-13.8%。總體而言，目前NASA的MODIS衛星的MOD05和MOD07產品精度高于我國風云衛星，且MOD07精度高于MOD05；在相關研究中，推薦使用MOD07產品。

　　我國FY-3C衛星搭載的VIRR和MERSI傳感器產品精度與MODIS衛星仍有一定差距，VIRR產品顯著系統性高估，而MERSI數據則系統性低估。在中國北方沙漠和青藏高原地區，大氣可降水量小于18mm，VIRR存在系統性高估，相對誤差達160%-900%；而在中國東南沿海地區，大氣水汽值偏高，MERSI會存在10%-30%的系統性低估。通過對VIRR水汽分裂窗反演算法分析發現，最大的誤差來源于對有效空氣溫度觀測的不確定性，以及干燥氣候條件下反演信號降低所導致；而MERSI近紅外水汽反演算法中由于選擇了較窄的水汽吸收帶，導致在高水汽的地方出現系統低估。

　　上述工作由國家重點研發計劃（2016YFC0202001）等項目資助，中國科學院大氣物理研究所辛金元研究員、河南理工大學楊磊庫副教授、中國科學院青藏高原研究所叢志遠研究員和國家衛星氣象中心劉瑞霞研究員等多名研究者聯合在《Remote Sensing of Environment》(IF=6.26)發表。

　　Fanglin Shi, Jinyuan Xin*, Leiku Yang*, Zhiyuan Cong, Ruixia Liu, Yining Ma, Yuesi Wang, Xiaofeng Lu, Lei Zhao, The first validation of the precipitable water vapor of multisensor satellites over the typical regions in China, Remote Sensing of Environment,2018, 206, 107-122.

表1. 中國典型區域不同衛星傳感器產品和地基大氣可降水量遙測對比（A和B分別為線性回歸方程的斜率和截距，R為相關系數，MB為均值偏差，RMSE為均方根誤差。）