水汽(Precipitable Water,简称PW)是地球系统中最丰富、也是最重要的温室气体之一,在全球水分和能量循环中扮演着重要角色,是地球系统中物质、能量传输的纽带,对天气和气候变化有着非常重要的影响。水汽反馈是影响气候系统敏感性的最大反馈作用之一,能够放大其他温室气体增暖的效应,并可能导致极端天气和气候事件的发生趋多趋强。因此,系统分析大气水汽的时空分布特征及其长期变化趋势,评估水汽反馈的区域和全球气候效应,对于我们深入认识和理解全球变暖背景下区域气候变化及其响应机理具有重要意义。本研究基于最新均一化的高空湿度观测资料,并结合多种全球大气再分析资料以及数值模拟结果,系统分析近几十年来中国区域高空水汽的时空分布特征及其长期趋势,并预估其未来变化情景,评估水汽变化与中国区域气候增暖之间的关系,为中国区域气候变化的影响评估提供科学依据。因此,本研究首先应用均一化探空观测资料系统评估了NCEP/NCAR, NCEP/DOE, MERRA, JRA-55, JRA-25, ERA-Interim, ERA-40, CFSR和20CR等9种全球大气再分析产品在中国区域大气水汽变化中的适用性问题；然后基于观测结果系统评估了国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)多模式结果(BCC-CSM1.1,BCC-CSM1.1(m), CanESM2, CNRM-CM5, MIROC5, MRI-CGCM3和NorESM1-M)对中国区域大气水汽变化的模拟能力,并在此基础上分析了不同“典型浓度路径”(RCPs)下未来水汽变化情景；最后进一步估算了地表气温变化与水汽变化之间的定量关系,明晰区域水汽反馈的区域气候效应及其不确定性。由于观测资料自1970年代以后才比较连续,因此本研究主要关注1970年代以后中国区域水汽变化及其反馈效应。主要研究方法包括：误差百分比分析、趋势分析、时间序列分析、泰勒(Taylor)分析、经验正交函数(EOF)分析等。本研究的主要结论总结如下：(1)在中国大陆大部分地区大多数再分析产品都能较好地描述观测值的气候学特征,尤其是在中国东部地区观测值和再分析值的相对偏差在20%以内,但是在中国西部可达20%-40%,而在青藏高原西北部的偏差则高达60%及以上。大多数再分析资料都能较好地描绘中国东部和北部大部分地区水汽观测值的季节和年际变化,但在西部大部分地区的质量则较差,尤其是在青藏高原地区。通过经验正交函数(EOF)分解表明：再分析资料所描述的前两个主要模态以及与之对应的时间序列(PCs)与观测结果均具有较高的相关性；其中,20CR再分析产品能够更好地描述与ENSO变化相联系的EOF第二观测模态的时空演变特征。(2)相比而言,新一代的再分析资料(如：ERA-40, ERA-Interim, MERRA,JRA-55和JRA-25)比第一代的再分析资料(NCEP/NCAR和NCEP/DOE)可信度高,主要表现在新一代的再分析资料与观测值有较小的相对偏差以及较高的时空关联性。但是,由于受模式系统误差、同化技术和观测系统误差等因素的影响,特别是观测系统误差会在再分析产品中引入虚假的气候变化信号。因此,目前还需要慎用再分析资料来估算中国区域水汽变化的长期趋势。(3) CMIP5多模式结果能够较好地模拟出中国区域观测水汽的时空分布特征,尤其是对中国东南部地区具有较高模拟能力。但与观测结果相比,多模式模拟的水汽变化幅度和趋势量级均要弱于观测结果。在这些模式中,CanESM2和MIROC5相对于其他模式更能较好地捕捉到中国区域观测的水汽长期变化特征。(4)在不同典型浓度路径(RCPs)情景下,多模式预估的中国水汽的未来变化情景是一种明显上升趋势,尤其是在RCP8.5情景下的增长幅度近乎是RCP4.5情景下的2倍。在高端排放情景下(RCP8.5),水汽的这种变化可能会导致中国一些地区出现干愈干、湿愈湿的分布特征。(5)水汽的长期变化受气温和相对湿度共同影响。本文研究结果显示,观测资料、再分析资料以及CMIP5多模式结果所描述的地表气温与水汽的长期变化具有较好的一致性；其中,观测的水汽距平百分率与地表气温相关系数达0.65,再分析资料中两者的关系大多在0.5-0.6之间,CMIP5模式模拟中两者的相关系数均在0.6以上。大多数再分析资料以及模式结果能够抓住中国区域观测到的显著变暖、变湿的这一变化特征,即：观测表气温每上升1℃,观测PW的相应变化约为4.9%,即dPW/dT为4.9%K-1。相比来看,新一代再分析产品,如MERRA、JRA-55、 JRA-25、ERA-Interim、ERA-40等所描述的水汽与气温之间的关系与观测结果较为接近,但多数CMIP5模式的模拟结果则要高于观测结果。