论文标题：Pseudo-Monthly Raman Lidar Dataset for Reference Water Vapor Observations in the UTLS

论文链接：https://www.mdpi.com/2072-4292/18/8/1144

期刊名： Remote Sensing

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/remotesensing

一、引言

热带和副热带上对流层水汽在全球气候反馈和辐射能量平衡中扮演着核心角色，其微小变化可对向外长波辐射产生不成比例的影响，使其成为气候系统中最敏感的放大器之一。全球气候观测系统（GCOS）将高空水汽列为基本气候变量，优先通过提高数据质量和长期观测能力来减少观测空白。然而，准确测量上对流层/下平流层（UTLS）的水汽混合比（WVMR）仍面临巨大挑战，尤其是在观测资料稀缺的副热带地区。

来自法国科学研究中心的Dunya Alraddawi博士及其他学者在Remote Sensing期刊发表研究，该研究利用留尼汪岛Maïdo天文台Li1200紫外拉曼激光雷达，构建了长达11年（2013–2023）的准月平均水汽混合比数据集，并与MLS-Aura卫星反演、ERA5再分析资料及GRUAN处理的M10探空仪数据进行了系统对比评估，为副热带上对流层水汽观测提供了重要的参考基准。

二、研究过程与结果

作者在文中提出了一种基于准月平均积分的激光雷达信号增强方法，即将夜间拉曼信号在一个月内连续累积，总积分时间不少于1920分钟，从而将水汽探测高度从单夜的约14公里提升至16公里以上，进入副热带上对流层区域。该方法有效提高了信噪比，使激光雷达能够与卫星和再分析资料进行可靠的统计对比。

为了验证Li1200数据集在副热带上对流层的观测精度，作者将其与三类独立数据集进行了系统比较：

1. 与 MLS-Aura 卫星对比：卫星存在显著干偏差

MLS 是全球 UTLS 水汽监测的重要空间数据源。研究选取2013–2023年间76 组时空匹配的准月平均廓线进行对比。结果显示，MLS 相对于 Li1200 呈现系统性偏干。在11–12 km 高度偏差接近0%，但12 km以上迅速增大，Li1200 比 MLS 高出约30%，且随高度递增。

季节差异尤为突出：湿季（10 月–次年 4 月），MLS 在12–14 km 偏干可达 40%，此时段对流层顶湿度梯度陡峭，MLS 约1.5 km 的垂直分辨率难以精确捕捉干–湿过渡；干季（5–9 月）偏差显著减小，11 km 附近甚至接近0%。这与其他学者在留尼汪岛的短期验证结果一致，证实了 MLS 在副热带上对流层存在因垂直分辨率限制导致的系统性低估。

图1.2013–2023 年期间 Li1200 水汽混合比（WVMR）相对于 MLS 的季节性对比。（a）湿季月份（10 月–4 月）激光雷达相对于 MLS 的中位数相对偏差（%）；（b）湿季中位数 WVMR 剖面（g/kg）；（c）干季月份（5 月–9 月）中位数相对偏差（%）；（d）干季中位数 WVMR 剖面（g/kg）。阴影区域表示中位数相对误差的 95% 置信区间。

2. 与 ERA5 再分析对比：校准策略决定偏差方向

传统上 Li1200 采用 GNSS 水汽总量（IWV）校准，与 ERA5 整体一致性较好，全高度平均偏差约 5%，激光雷达略偏干。但季节分析显示，湿季14 km 以下 Li1200 偏干达10%，干季更为显著。

作者进一步提出替代校准方案：利用 ERA5 本身作为参考，但选取经 GRUAN 验证一致性最佳的4–6 km 高度层推导校准系数，构建"Li1200new"数据集。这一方法避免了 GNSS 总柱水汽中低层信号占主导、对上层校准灵敏度不足的问题。

经此校准后，Li1200new 在整个上对流层均比 ERA5 偏湿，揭示出 ERA5 在 UT 存在清晰的系统性偏干，14 km 以上可达 20%。这与其他学者在中纬度报道的 ERA5 干偏差相互印证，首次在副热带地区以独立激光雷达观测予以定量确认。

图2.2013–2023 年期间 Li1200 水汽混合比（WVMR）相对于 ERA5 的季节性对比。（a）湿季月份（10 月–4 月）的中位数相对偏差（%）；（b）湿季中位数 WVMR 剖面（g/kg）；（c）干季月份（5 月–9 月）的中位数相对偏差（%）；（d）干季中位数 WVMR 剖面（g/kg）。阴影区域表示中位数相对误差的 95% 置信区间。

3. 与 GRUAN 探空对比：探空漂移与校准策略的双重影响

GRUAN 处理的 Meteomodem M10 探空仪代表了当前业务探空的最高质量标准。研究利用 2019–2023 年间41 组午夜释放的 GRUAN 廓线进行对比。结果显示：12 km 以下 Li1200 比探空偏干约10%；但12 km 以上偏差急剧反转，14 km 处 Li1200 偏高约20%，16 km 处甚至高出 40%。

作者分析了探空气球漂移轨迹（最大漂移约 100 km），按"靠近/远离"激光雷达站点分类后发现，13 km 以上探空的系统性偏干与漂移方向无显著关联，排除了空间不匹配是主因。而将 Li1200new 与 GRUAN 重新比对后，Li1200new 在整个 UTLS 均偏湿，几乎不存在偏干层次。这一关键转变强烈暗示：传统 GNSS 校准在副热带地区可能引入系统性干偏差——此前已有研究报道留尼汪岛 GNSS 相对于探空偏干——而基于 ERA5 4–6 km 层的替代校准有效缓解了这一偏差。

图3. Li1200 水汽混合比（WVMR）相对于经 GRUAN 处理的 M10 探空仪的季节性对比。（a）湿季月份（10 月–4 月）Li1200 相对于探空仪的中位数相对偏差（%）；（b）湿季中位数 WVMR 剖面（g/kg）；（c）干季月份（5月–9月）Li1200 的中位数相对偏差（%）；（d）干季中位数 WVMR 剖面（g/kg）。阴影区域表示中位数相对误差的 95% 置信区间。

三、研究总结

本文基于11年连续观测，首次系统评估了 Li1200 拉曼激光雷达在副热带上对流层的水汽探测性能。研究详细量化了 MLS 卫星（湿季偏干达 40%）、ERA5 再分析（14 km 以上偏干达 20%）及 GRUAN 探空（16 km 处偏干达40%）相对于激光雷达的偏差结构，深入探讨了仪器垂直分辨率、模式参数化及校准策略等多重不确定性来源。 准月平均方法有效拓展了拉曼激光雷达的可用高度范围，证明地面激光雷达完全有能力为 UTLS 长期气候研究提供可靠的垂直廓线参考。

该数据集为验证现有卫星和再分析产品提供了宝贵的地面真值，也为即将发射的 EarthCARE、AOS 等新一代卫星任务的算法验证奠定了坚实基础。未来，作者计划进一步评估该数据集对气候趋势分析的敏感性，并在更多副热带站点推广类似观测策略，持续推动 UTLS 水汽观测从"可行"走向"可靠"，为全球气候变化研究提供更为坚实的数据支撑。

期刊介绍

主编：Prasad S. Thenkabail, 美国地质调查局西部地理科学中心（WGSC），美国;汪东东, 北京大学，中国

期刊范围涵盖遥感科学的各个方面，从传感器设计、验证和校准，到其在地球科学、环境科学、生态学和土木工程中的应用。

2025 Impact Factor：4.3

2025 CiteScore：9.4

Time to First Decision：22 Days

Acceptance to Publication：2.9 Days