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水汽是天气和气候变化研究中最基本、最重要的要素之一。全球大气再分析资料可以提供时间序列长和空间覆盖率高的格点化大气湿度资料，被广泛用于气候变化研究中。但由于水汽的时空变化大，并且天气和气候模式中基于稀疏化处理的数据同化吸收的水汽观测信息非常有限，因此再分析水汽资料存在一定的不确定性，有必要对其进行检验评估。随着气象卫星遥感手段的发展和完善，卫星遥测水汽已成为全球大气水汽观测数据的主要来源。本文利用不同的卫星遥感观测数据以及新一代再分析资料，分析和研究了如何合理地利用卫星遥感水汽观测对再分析资料的湿度场及其变化进行综合评估，主要的研究内容和结论如下:
(1)卫星水汽反演产品精度和采样误差特征分析
在利用卫星水汽反演产品评估再分析资料之前，要对卫星产品的适用性进行检验。基于此，本研究利用三套典型的采用不同遥感方式得到的卫星TPW(Total Precipitable Water Vapor)反演产品，分别是微波辐射仪SSMIS(Special Sensor Microwave Imager Sounder)，红外辐射探测仪HIRS(High-resolution Infrared Radiation Sounder)，以及基于GPS(Global Positioning System)掩星探测技术的COSMIC(Constellation System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)反演的TPW，探讨了卫星遥感TPW反演产品的精度以及单一卫星遥感观测系统的采样误差特征，以及这些误差对利用卫星水汽产品评估再分析资料可行性的影响。
结果发现，在某些情况下卫星遥感TPW反演产品的精度与欧洲中期数值预报中心(ECMWF)新一代再分析资料ERA5中TPW的精度相当，甚至比ERA5中TPW的精度差，因此卫星反演产品在精度上不足以评估再分析资料。单一的卫星遥感观测系统存在着显著的时空非均匀性等问题，由此产生的采样误差会对最终TPW变率的计算结果产生显著的影响。所以在使用卫星遥感水汽产品进行气候研究之前，必须考虑其时空采样特征及可能的影响。鉴于单一传感器的TPW反演产品存在的采样误差，不适用于直接评估再分析资料中TPW的变率。因此卫星遥感观测未来应更多聚焦于多源卫星数据的融合或均一化处理。
(2)卫星水汽亮温观测对再分析资料高层水汽季节变化特征的评估
均一化的全球静止气象卫星6.5-μm水汽通道星下点（地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，也即卫星正下方的地面点）的晴空辐射亮温观测数据可以准确表示对流层高层水汽的变化，亮温随水汽的增多而减小，反之亦然。该数据集在时间上保留了静止气象卫星的高时间分辨率，空间上实现了近全球的覆盖范围，准确度经过了与独立观测红外大气探测干涉仪IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)的检验，大部分仪器的误差在0.2K以内。直接利用辐射观测来表征水汽含量，避免了水汽反演的误差，精度更高，另外，均一化的处理有效减少了时空采样误差的影响。所以这套均一化的静止卫星水汽通道亮温观测数据集可以用于评估再分析资料对对流层高层水汽的再现能力。本研究使用3年(2015-2017)均一化的水汽亮温观测数据，基于月平均变化的时间尺度，评估了6套目前广泛用于气候研究的再分析资料（分别是欧洲的再分析资料ERA5、ERA-Interim，美国的再分析资料CFSR、MERRA-2，日本的再分析资料JRA55，中国的再分析资料CRA)对对流层高层水汽（用UTWV，upper tropospheric water vapor来表示）的再现能力，以及再分析资料中UTWV随厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)变化的时空演变特征。
结果发现，总体而言，再分析资料与观测具有较好的一致性。但是，与近全球范围内的观测相比，所有再分析资料都存在一个-1.5--3.5K左右的亮温偏差。这些负亮温偏差意味着再分析资料对流层高层的比湿相对观测偏高25％-85％左右。较大的负亮温偏差（湿偏差）往往存在于观测亮温大于245K的大尺度环流下沉区，表明再分析资料的模式系统可能存在对大尺度环流下沉支强度的低估。概率密度函数PDF(Probability Density Function)统计结果显示除了再分析资料MERRA-2以外，其他再分析资料模拟亮温的PDF分布很相似，且与观测的整体分布形态接近，但存在一个2K左右的负偏差。MERRA-2中整体负偏差更大，并且亮温分布更离散。根据PDF评分，6套再分析资料中ERA5，JRA55和CRA整体分布更接近观测，其次是CFSR和ERA-Interim，而MERRA-2的整体偏差最大。
UTWV的变化与大尺度环流的上升支和下沉支的耦合变化密切相关。再分析资料可以再现El Ni(n)o发展和衰退时期UTWV的时空演变特征。但是与观测相比，再分析资料在2015年中期至2016年初，强El Ni(n)o发展过程中，在赤道太平洋区域UTWV偏高。而在衰退年（2016年中期以后），再分析资料倾向于低估赤道太平洋东西方向UTWV的变化梯度，意味着在此次ENSO事件从暖相位转变成中性相位时，再分析资料中的Walker环流强度变化偏弱。
(3)卫星水汽亮温观测对再分析资料高层水汽日变化特征的评估
日变化是描述天气和气候系统变化的最基础要素之一，对流层高层相对湿度（用UTH，upper tropospheric humidity来表示，与UTWV类似，用于定量表示对流层高层水汽）的日变化对地球系统的辐射收支平衡和全球气候变暖具有重要的意义。本章利用均一化的全球静止气象卫星6.5-μm水汽通道辐射亮温观测数据分析了UTH的日变化特征，并在此基础上对再分析资料对UTH日变化的再现能力进行了评估。
结果发现均一化的全球静止卫星6.5-μm水汽通道亮温观测数据能够很好地描述UTH的日变化特征，总体上与前人的观测研究结果一致。在近全球尺度上，UTH通常在强对流区域表现出明显的日变化特征，并且UTH的日变化存在明显的海陆差异，陆地上UTH日变化的振幅相对较大，海洋上UTH往往更早达到峰值。
再分析资料对流层高层在各个时刻都存在湿偏差，该湿偏差在MERRA-2中最大，在JRA55中最小。并且，湿偏差通常在UTH达到最小值的时刻达到最大值，这表明再分析资料在对流层高层比较干燥的时刻对水汽的表征更加困难。对于目前的再分析系统，准确表征观测到的UTH日变化特征仍然是一项艰巨的任务。在再分析资料中，UTH的日变化振幅要显著弱于观测，另外UTH达到最大值的时间通常滞后于观测约3小时。ERA5和MERRA-2可以大致表现出UTH日变化的空间分布特征，即在深对流区域日变化振幅更强。与观测相比，ERA5和MERRA-2中日变化的振幅在陆地对流区域误差更大，而日变化的相位则在海洋上存在更大的误差。这些结果表明，再分析资料系统中云和对流参数化过程仍有待改进。
(1)卫星水汽反演产品精度和采样误差特征分析
在利用卫星水汽反演产品评估再分析资料之前，要对卫星产品的适用性进行检验。基于此，本研究利用三套典型的采用不同遥感方式得到的卫星TPW(Total Precipitable Water Vapor)反演产品，分别是微波辐射仪SSMIS(Special Sensor Microwave Imager Sounder)，红外辐射探测仪HIRS(High-resolution Infrared Radiation Sounder)，以及基于GPS(Global Positioning System)掩星探测技术的COSMIC(Constellation System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)反演的TPW，探讨了卫星遥感TPW反演产品的精度以及单一卫星遥感观测系统的采样误差特征，以及这些误差对利用卫星水汽产品评估再分析资料可行性的影响。
结果发现，在某些情况下卫星遥感TPW反演产品的精度与欧洲中期数值预报中心(ECMWF)新一代再分析资料ERA5中TPW的精度相当，甚至比ERA5中TPW的精度差，因此卫星反演产品在精度上不足以评估再分析资料。单一的卫星遥感观测系统存在着显著的时空非均匀性等问题，由此产生的采样误差会对最终TPW变率的计算结果产生显著的影响。所以在使用卫星遥感水汽产品进行气候研究之前，必须考虑其时空采样特征及可能的影响。鉴于单一传感器的TPW反演产品存在的采样误差，不适用于直接评估再分析资料中TPW的变率。因此卫星遥感观测未来应更多聚焦于多源卫星数据的融合或均一化处理。
(2)卫星水汽亮温观测对再分析资料高层水汽季节变化特征的评估
均一化的全球静止气象卫星6.5-μm水汽通道星下点（地球中心与卫星的连线在地球表面上的交点，也即卫星正下方的地面点）的晴空辐射亮温观测数据可以准确表示对流层高层水汽的变化，亮温随水汽的增多而减小，反之亦然。该数据集在时间上保留了静止气象卫星的高时间分辨率，空间上实现了近全球的覆盖范围，准确度经过了与独立观测红外大气探测干涉仪IASI(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer)的检验，大部分仪器的误差在0.2K以内。直接利用辐射观测来表征水汽含量，避免了水汽反演的误差，精度更高，另外，均一化的处理有效减少了时空采样误差的影响。所以这套均一化的静止卫星水汽通道亮温观测数据集可以用于评估再分析资料对对流层高层水汽的再现能力。本研究使用3年(2015-2017)均一化的水汽亮温观测数据，基于月平均变化的时间尺度，评估了6套目前广泛用于气候研究的再分析资料（分别是欧洲的再分析资料ERA5、ERA-Interim，美国的再分析资料CFSR、MERRA-2，日本的再分析资料JRA55，中国的再分析资料CRA)对对流层高层水汽（用UTWV，upper tropospheric water vapor来表示）的再现能力，以及再分析资料中UTWV随厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)变化的时空演变特征。
结果发现，总体而言，再分析资料与观测具有较好的一致性。但是，与近全球范围内的观测相比，所有再分析资料都存在一个-1.5--3.5K左右的亮温偏差。这些负亮温偏差意味着再分析资料对流层高层的比湿相对观测偏高25％-85％左右。较大的负亮温偏差（湿偏差）往往存在于观测亮温大于245K的大尺度环流下沉区，表明再分析资料的模式系统可能存在对大尺度环流下沉支强度的低估。概率密度函数PDF(Probability Density Function)统计结果显示除了再分析资料MERRA-2以外，其他再分析资料模拟亮温的PDF分布很相似，且与观测的整体分布形态接近，但存在一个2K左右的负偏差。MERRA-2中整体负偏差更大，并且亮温分布更离散。根据PDF评分，6套再分析资料中ERA5，JRA55和CRA整体分布更接近观测，其次是CFSR和ERA-Interim，而MERRA-2的整体偏差最大。
UTWV的变化与大尺度环流的上升支和下沉支的耦合变化密切相关。再分析资料可以再现El Ni(n)o发展和衰退时期UTWV的时空演变特征。但是与观测相比，再分析资料在2015年中期至2016年初，强El Ni(n)o发展过程中，在赤道太平洋区域UTWV偏高。而在衰退年（2016年中期以后），再分析资料倾向于低估赤道太平洋东西方向UTWV的变化梯度，意味着在此次ENSO事件从暖相位转变成中性相位时，再分析资料中的Walker环流强度变化偏弱。
(3)卫星水汽亮温观测对再分析资料高层水汽日变化特征的评估
日变化是描述天气和气候系统变化的最基础要素之一，对流层高层相对湿度（用UTH，upper tropospheric humidity来表示，与UTWV类似，用于定量表示对流层高层水汽）的日变化对地球系统的辐射收支平衡和全球气候变暖具有重要的意义。本章利用均一化的全球静止气象卫星6.5-μm水汽通道辐射亮温观测数据分析了UTH的日变化特征，并在此基础上对再分析资料对UTH日变化的再现能力进行了评估。
结果发现均一化的全球静止卫星6.5-μm水汽通道亮温观测数据能够很好地描述UTH的日变化特征，总体上与前人的观测研究结果一致。在近全球尺度上，UTH通常在强对流区域表现出明显的日变化特征，并且UTH的日变化存在明显的海陆差异，陆地上UTH日变化的振幅相对较大，海洋上UTH往往更早达到峰值。
再分析资料对流层高层在各个时刻都存在湿偏差，该湿偏差在MERRA-2中最大，在JRA55中最小。并且，湿偏差通常在UTH达到最小值的时刻达到最大值，这表明再分析资料在对流层高层比较干燥的时刻对水汽的表征更加困难。对于目前的再分析系统，准确表征观测到的UTH日变化特征仍然是一项艰巨的任务。在再分析资料中，UTH的日变化振幅要显著弱于观测，另外UTH达到最大值的时间通常滞后于观测约3小时。ERA5和MERRA-2可以大致表现出UTH日变化的空间分布特征，即在深对流区域日变化振幅更强。与观测相比，ERA5和MERRA-2中日变化的振幅在陆地对流区域误差更大，而日变化的相位则在海洋上存在更大的误差。这些结果表明，再分析资料系统中云和对流参数化过程仍有待改进。