中国区域大气可降水量时空分布特征与卫星遥感精度评估

　　水汽是大气中最重要的物质之一，对水文、天气、气象和气候过程至关重要。我国国土辽阔，地理形貌、生态系统、天气与气候系统丰富多样，精确探测大气可降水量（PWV）对研究地-气系统物质能量循环与水资源利用有着重要的意义和价值。分析2014-2015年CARE-China Network与AERONET地基联网探测数据揭示我国大气可降水量（PWV）时空变化特征。从青藏高原到东部沿海、从北方沙漠到中国南海，水汽年均值（图1）空间变化范围达4.0±2.9-2.3±10.6mm；同时，PWV具有明显的季节变化（图2），季节变化范围可达1.9±1.2-50.5±5.4mm，夏季PWV约是冬季的2倍，春秋季节基本相当。

图1. 中国典型地区地基遥测与卫星反演大气可降水量PWV年均值

图2. 中国大陆区域大气可降水量季节与年均值空间分布（MODIS MOD07）

　　该项研究利用地基观测网基准探测数据，首次系统评估了当前国内外主流卫星产品精度，发现我国风云卫星FY-3C与美国NASA的MODIS卫星反演PWV产品的精度存在较大的差异，多个传感器（MOD05, MOD07, VIRR与MERSI）PWV产品的相对误差变化范围达到10%-900%，不同卫星产品时空适用性存在显著的差异。在水汽量最高的中国南方沿海地区，PWV年均达35mm，我国风云卫星搭载的VIRR传感器能够精确的观测大气可降水量，PWV产品精度最高（相关系数R为0.93，表1），相对误差小于6.3%；在中国西部干旱亮背景地区，PWV年均仅为10-15mm，风云卫星的MERSI传感器表现出更高的反演能力，产品精度最高（R=0.84），相对误差小于1.3%。在我国东部城市和城镇化地区的PWV年平均为20-30mm，MODIS卫星产品精度较高（R=0.89），相对误差范围为0.64%-13.8%。总体而言，目前NASA的MODIS卫星的MOD05和MOD07产品精度高于我国风云卫星，且MOD07精度高于MOD05；在相关研究中，推荐使用MOD07产品。

　　我国FY-3C卫星搭载的VIRR和MERSI传感器产品精度与MODIS卫星仍有一定差距，VIRR产品显著系统性高估，而MERSI数据则系统性低估。在中国北方沙漠和青藏高原地区，大气可降水量小于18mm，VIRR存在系统性高估，相对误差达160%-900%；而在中国东南沿海地区，大气水汽值偏高，MERSI会存在10%-30%的系统性低估。通过对VIRR水汽分裂窗反演算法分析发现，最大的误差来源于对有效空气温度观测的不确定性，以及干燥气候条件下反演信号降低所导致；而MERSI近红外水汽反演算法中由于选择了较窄的水汽吸收带，导致在高水汽的地方出现系统低估。

　　上述工作由国家重点研发计划（2016YFC0202001）等项目资助，中国科学院大气物理研究所辛金元研究员、河南理工大学杨磊库副教授、中国科学院青藏高原研究所丛志远研究员和国家卫星气象中心刘瑞霞研究员等多名研究者联合在《Remote Sensing of Environment》(IF=6.26)发表。

　　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. 中国典型区域不同卫星传感器产品和地基大气可降水量遥测对比（A和B分别为线性回归方程的斜率和截距，R为相关系数，MB为均值偏差，RMSE为均方根误差。）