埃塞俄比亚阿尔西-巴列山地大气水汽与地形降水动态的时空分析：多源卫星及再分析数据融合研究

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Spatiotemporal Analysis of Atmospheric Moisture and Orographic Precipitation Dynamics in the Arsi-Bale Massif Mountains, Ethiopia: A Multi-Source Satellite and Reanalysis Data Integration

　　

- CHIRPS较好地捕捉了降雨变率，尽管在山地区域存在偏干偏差
- 高度校正使各海拔高度的水汽偏差减少了83%
- 大气湿度随海拔升高而急剧下降
- 水汽在整个区域领先降雨近一个月
- 地形抬升对降雨的控制作用强于单纯的水汽

## 引言

山地区域为下游人口充当关键的"水塔"，但由于强烈地形梯度、稀疏的观测网络和大气湿度及降水的显著空间变率，其水文气候过程仍然难以刻画（Viviroli等人，2007年）。埃塞俄比亚东南部的阿锡-巴莱山脉是东非最重要但研究仍不足的高地地区之一。该山脉从低地平原一直延伸至海拔超过4000米的地区，构成了主要河流系统的水源地，为奥罗米亚州和索马里州的生态系统、农业、水电和水资源提供了支撑。山脉拦截了从印度洋和西部赤道印度洋环流系统输送的水汽，产生了强烈的地形降水，极大地影响着区域水文和生态系统生产力（Fazzini等人，2015年；Nicholson，2017年）。最近的研究进一步表明，东非山脉系统对大气环流变化、陆-气相互作用和气候变率的降雨响应具有高度异质性，强调了开展区域特异性水文气候研究的必要性（Gebremicael等人，2023年；Demissie等人，2025年；Zeleke等人，2025年）。

埃塞俄比亚高地的地形降水源于地形诱发的抬升、大气稳定性、水汽输送和对流过程之间的复杂相互作用（Roe，2005年；Smith & Barstad，2004年）。从印度洋平流而来的湿润气团沿埃塞俄比亚东南缘被强制抬升，产生绝热冷却、凝结和迎风坡增强的降水（Smith，1979年）。近期基于卫星和再分析的研究表明，在Belg季（三月、四月和五月）和Kiremt季（六月、七月和八月）的主要雨季期间，海拔强烈调节降雨强度、云的形成和水汽辐合（GebreMariam等人，2025年；Tsegaye等人，2025年）。在埃塞俄比亚高地，地形增强作用与中尺度环流、索马里急流以及低中层对流层中约850 hPa和700 hPa高度的水汽通量辐合有关（Seleshi & Camberlin，2006年；Diro等人，2011年；Mengistu等人，2014年）。尽管取得了这些进展，复杂海拔梯度上大气湿度与降水的耦合行为仍然约束不足，特别是在埃塞俄比亚东南部。

可降水水汽（PWV），定义为大气柱内垂直积分的水汽含量，是联系大尺度环流、热力不稳定和降水过程的基本大气变量（Trenberth等人，2003年）。由于大气水汽是降水和潜热释放的主要来源，PWV在云的形成、对流发展以及水文气候变率中发挥着核心作用。多项研究已表明，高PWV经常出现在强降雨和极端降水事件之前，使其成为天气预报、洪水预测和水文气象监测的重要指标（Foster等人，2006年；Manandhar等人，2018年）。长期PWV变化趋势也成为气候变化的重要指标，反映了全球变暖条件下大气湿度的增强，与克劳修斯-克拉珀龙关系相一致（Vaquero-Martínez等人，2020年；IPCC，2021年）。

除了在天气和气候研究中的传统应用外，PWV越来越多地被确认为监测和理解多种自然灾害的有价值指标。近期研究表明，PWV在水汽河事件中的重要性，在这些事件中大量水汽被远距离输送并导致极端降水和洪水。利用GNSS观测和大气再分析数据，Guo等人（2025a）表明PWV为影响加州的水汽河事件提供了关于演变、水汽输送路径和降水特征的重要信息。此类研究凸显了PWV在识别与高影响天气事件相关的水汽积聚和输送过程中的实用性。

PWV也已被研究其与地球物理灾害的关系，特别是地震。与地震活动相关的大气扰动可改变大气湿度的分布，产生可测量的PWV异常。例如，Guo等人（2023年）报告了在青藏高原中等地壳地震后显著的后震PWV变化，并确定了PWV异常与地表温度变化之间的强相关性。最近，Guo等人（2025b）整合了PWV、对流层、电离层和热观测数据来研究2023年土耳其地震相关的大气响应，展示了PWV在监测复杂大气-岩石圈相互作用方面的潜力。这些研究共同说明了PWV作为气象和地球物理灾害敏感大气指标日益增长的重要性。

在热带和半干旱地区，PWV变率已被证明强烈影响降水的发生、强度和季节性（Battaglia等人，2014年；Alshawaf等人，2017年）。然而，在多山地形中，PWV与降水之间的关系高度非线性，因为地形抬升、大气分层、水汽辐合和区域环流强烈调节凝结效率和降雨生成。因此，理解复杂海拔梯度上PWV的空间和时间变率对于增进对山地环境中地形降水过程和水文气候动力学的理解仍然至关重要。

过去三十年间，大气遥感和数值再分析的快速发展大大提高了PWV的获取能力。最广泛使用的方法之一是基于全球导航卫星系统（GNSS）的PWV反演，该方法从天顶对流层延迟测量中估计大气水汽（Bevis等人，1992年；Rocken等人，1995年）。GNSS反演的PWV提供了高时间分辨率、全天候监测能力，并且非常适合气象和气候应用（Bock等人，2019年；Guerova等人，2016年）。在东非，近期GNSS研究已展示了PWV观测在监测埃塞俄比亚高地和裂谷系统的水汽输送、降雨变率和对流活动方面的价值（Koji等人，2022年；Mengistu等人，2015年）。微波辐射计也通过大气发射测量提供可靠的PWV反演，并广泛用于卫星校准和大气廓线测量（Guerova等人，2016年）。此外，来自中分辨率成像光谱仪（MODIS）和可见红外成像辐射仪套件（VIRS）等传感器的卫星近红外和热红外反演技术使得在数据稀疏区域进行大气湿度场的高分辨率制图成为可能（Gao & Kaufman，2003年；Borbas等人，2021年）。这些反演系统在非洲热带地区尤为宝贵，因为传统的高空气球和GNSS观测在空间上仍然有限。

大气再分析产品进一步变革了大气湿度和降水动力学的研究。由欧洲中期天气预报中心制作的ERA5通过先进的四维变分数据同化和改进的物理参数化方案提供高分辨率大气场（Hersbach等人，2020年）。同样，MERRA-2整合了多种卫星辐射观测和大气测量，产生了动力学一致的水分场，并改进了气溶胶-辐射相互作用和水文过程的表征（Gelaro等人，2017年）。近期研究表明，ERA5和MERRA-2在再现东非大气湿度变率方面总体表现良好，尽管由于地形平滑、稀疏的现场观测和对流参数化的局限性，在复杂地形上仍存在显著的不确定性（Alemu等人，2023年；Tsegaye等人，2025年）。因此，在进行山地水文气候研究之前，多种数据集之间的比较和偏差评估仍然是必不可少的。

同样，卫星降水反演的重大进展显著提高了非洲全境的降雨监测能力。气候危险组红外降水与站点数据（CHIRPS）将卫星红外观测与站点气候资料相结合，生成长期高分辨率的降雨估计（Funk等人，2015年）。CHIRPS在东非表现相对良好，特别是在捕捉季节降雨变率和干旱演变方面（Dinku等人，2018年；Gebremicael等人，2023年）。全球降水测量任务框架下开发的GPM多卫星综合降水反演（IMERG），提供了改进的时间分辨率并增强了对对流降水过程的表征（Huffman等人，2019年）。近期在埃塞俄比亚高地及邻近东非地区的验证研究表明，IMERG在主要雨季期间表现良好，但仍存在与地形复杂性和对流风暴结构相关的偏差（Lemma等人，2023年；Taye等人，2024年）。这些发现凸显了在复杂山地环境中对降水和大气湿度数据集进行系统性比较的持续需求。

在持续的气候变化背景下，大气湿度与降水之间的关系尤为重要。根据克劳修斯-克拉珀龙关系，大气持水能力每升高1摄氏度增加约7%（Held & Soden，2006年）。然而，降水响应具有空间异质性，并受大气环流、水汽输送路径和地形强迫的强烈影响（Allen & Ingram，2002年；O'Gorman & Schneider，2009年）。在东非，近期研究报告了水文气候变率增加、降雨季节性偏移以及与印度洋变暖条件和大气环流模式变化相关的降水极端事件增强（Nicholson，2017年；Demissie等人，2025年）。尽管已有若干研究考察了埃塞俄比亚高地的降雨变率，但PWV在调节降水过程、特别是在陡峭海拔梯度上的作用仍然知之甚少。

基于上述背景，本研究利用综合卫星和再分析数据集，对阿锡-巴莱山脉的大气湿度和降水动力学进行了全面评估。本工作的创新之处在于四个主要方面。第一，在一个数据稀疏的热带山地环境中，对包括CHIRPS、IMERG、ERA5和MERRA-2在内的多种大气和降水产品进行系统比较。第二，利用物理一致的大气湿度-海拔关系，在复杂地形中研究PWV的海拔依赖性。第三，考察PWV、降水、水汽通量辐合和地形抬升机制之间的季节耦合。第四，评估埃塞俄比亚东南部大气湿度和降水的长期变率和极端事件行为。与分别研究降雨或大气湿度的先前研究不同，本工作在统一的水文气候框架内整合了多种观测和动力学视角。

具体而言，本研究的目的是：（1）对CHIRPS降水与IMERG以及ERA5反演的PWV与MERRA-2进行系统比较，包括开发适当的偏差评估程序；（2）利用物理一致的水分-地形分析定量PWV与海拔之间的空间关系；（3）刻画PWV与降水的季节变率及其耦合关系；（4）评估大气湿度和降水的长期趋势；（5）研究极端PWV事件的频率和变率；（6）考察水汽通量辐合和地形抬升在控制阿锡-巴莱山脉降水格局中的作用。通过整合多种数据集和分析方法，本研究增进了对埃塞俄比亚高地大气湿度动力学和地形降水过程的理解，并为改善埃塞俄比亚东南部的水文气候评估和气候适应规划做出贡献。

### 章节摘要

**地理环境**

阿锡-巴莱山脉位于埃塞俄比亚东南部，大约在北纬5.35°至8.86°、东经38.69°至42.21°之间（图1）。研究区域面积约为75,942平方公里，涵盖了埃塞俄比亚高地的东南部边缘以及向索马里高原延伸的邻近过渡低地。地理上，该山脉代表埃塞俄比亚高原系统的最东南延伸，是……

**数据与方法**

本研究利用卫星衍生和大气再分析数据集分析阿锡-巴莱山脉的大气湿度和降水动力学。由于埃塞俄比亚高地上地面气象和高空气球观测稀疏且不连续，分析主要依赖多源卫星和再分析产品以确保空间和时间上一致的水文气候评估。采用跨数据集比较方法而非直接……

**结果**

结果分三个主要部分呈现，以全面理解2002-2025年间阿锡-巴莱山脉的大气湿度和降水动力学。首先，系统比较CHIRPS和IMERG降水数据集以评估其一致性、季节差异和潜在偏差。其次，评估ERA5和MERRA-2 PWV数据集以考察大气湿度的时空变率及其与地形的关系。

**讨论**

本研究对埃塞俄比亚东南部阿锡-巴莱山脉的PWV、降水变率和水汽输送进行了全面评估。通过整合卫星降水产品、再分析衍生大气湿度场、基于海拔的校正、时间变率分析和水汽输送诊断，结果表明埃塞俄比亚高地上水文气候变率受复杂相互作用控制，该……

**结论**

在埃塞俄比亚东南部阿锡-巴莱高地，降雨生成主要受地形抬升和大气动力学控制，而非仅取决于大气湿度可用性。通过整合近24年的卫星降水产品、再分析衍生PWV、地形分析和大气环流数据集，本研究对水汽变率、降水过程及……的耦合关系提供了全面的水文气候评估。

**作者贡献声明**

Jeilan Hussein Feto：可视化、验证、软件、资源、方法论、数据整理、概念化。

阿比迪萨·卡沃·科吉：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念构思
未引用的参考文献 Bock and Parracho, 2019; Friis, 2011; Masson-Delmotte et al., 2021; Philip et al., 2020; R Core Team, 2023; Vaquero‐Martínez and Antón, 2021.
利益冲突 作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
数据可用性声明 本研究期间分析的数据集可公开获取自原始数据提供商。来自气候危险组红外降水与站点数据（CHIRPS v3.0）的月度降水数据从加州大学圣巴巴拉分校的气候危险中心获得，可在（CHIRPS v3.0; https://doi.org/10.15780/G2JQ0P, 访问于 https://data.chc.ucsb.edu/products/CHIRPS/v3.0/, 2025 年 6 月获取）处获得。综合多星降水测量...
资金 本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。
竞争利益声明 作者声明他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文报告的工作。
致谢 本研究利用了多个开放获取来源的数据。CHIRPS 降水数据由加州大学圣巴巴拉分校的气候危险中心提供。IMERG 降水数据来自 NASA 的全球降水测量任务。ERA5 再分析产品（PWV、风、湿度）源自欧洲中期天气预报中心（ECMWF）。MERRA-2 PWV 数据由 NASA 全球建模与同化办公室提供。海拔数据
阿比迪萨·卡沃·科吉 | 杰伊兰·侯赛因·费托