气候模式中云的次网格结构对全球辐射影响的研究

利用一种用于大尺度天气、气候模式的随机云产生器(SCG)和独立气柱近似(ICA)辐射算法,研究了次网格云的水平结构以及垂直重叠结构对全球辐射场的影响.比较了水平非均匀云(IHCLD)和水平均匀云(HCLD)的辐射场差异以及云的最大.随机重叠(MRO)和一般重叠(GenO)的辐射场差异.结果显示,与HCLD相比,IHCLD一方面可增加地面净短波辐射通量,纬向平均最大值(约1W/m~2)和次大值(约0.6 W/m~2)分别位于高纬度低云密集地区和对流旺盛的热带地区;另一方面可增加大气顶的净长波辐射通量,纬向平均最大值(0.3 W/m~2)出现在热带地区.不同的重叠结构对短波和长波辐射收支也有很大的影响.MRO和GenO的短波辐射通量差异在热带辐合带最大.达到30-40W/m~2,在高纬度低云带的纬向平均也可达到5W/m~2左右;长波辐射通量差异具有相似的地区分布,但量值相对较小.不同重叠结构可以造成大气上下层的辐射加热率差异,影响大气热力层结.云的水平和垂直结构对有云区域辐射收支的影响将改变大气热力、动力状况以及水汽条件,从而影响模拟的气候系统的演变.文中采用单向云-辐射计算,排除了与气候系统其他过程复杂的相互作用,从而使其结果具有一定的普适性,可为不同大尺度模式进行次网格云辐射参数化提供参考.     

南半球中高纬度区域不同类型云的辐射特性

利用CloudSat的2B-CLDCLASS-LIDAR云分类产品和2B-FLXHR-LIDAR辐射产品4 a（2007-2010年）的数据,定量分析了单层云（高云、中云、低云）和3种双层云（如:高云与中云共存、高云与低云共存以及中云与低云共存）在南半球中高纬度（40°-65°S）的云量、云辐射强迫和云辐射加热率。其中云辐射加热率定义为有云时的大气加热率廓线与晴空大气加热率廓线的差值。结果表明:研究区域盛行单层低云和单层中云,其云量分别为44.1%和10.3%。并且,中云重叠低云在双层云中云量也是最大（8.7%）。不同类型云的云量也显著影响着其云辐射强迫。单层低云在大气层顶、地表以及大气中的净云辐射强迫分别是-64.8、-56.5和-8.4 W/m2,其绝对值大于其他类型云。虽然单层的中云在大气层顶和地表的净辐射强迫也为负值,但其在大气中的净云辐射强迫为正值（2.3 W/m2）。最后,讨论了不同类型云对大气中辐射能量垂直分布的影响。所有类型云的短波（或长波）云辐射加热率都随高度升高表现为由负值转为正值（或由正值转为负值）。对于大部分云,其净云辐射加热率主要由长波云辐射加热率决定。这些研究结果旨在为模式中云重叠参数化方案在区域的适用性评估及改进提供观测依据。      

一维辐射对流模式对云-辐射强迫的数值模拟研究

利用一维辐射－对流气候模式, 详细研究了云量、云光学厚度以及云高等要素的变化对大气顶和地面太阳短波辐射和红外长波辐射通量以及云的辐射强迫的影响, 给出了计算这些物理量的经验拟合公式。结果表明, 云具有极为重要的辐射－气候效应。云量、云光学厚度以及云高即使只有百分之几的变化, 所带来的辐射强迫也可以与大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫（3.75 W/m2）相比拟。例如, 当分别给它们+3%的扰动时, 即取云量变化0.015, 云光学厚度变化0.27, 以及云高变化0.15 km时（在实际的地球大气中, 这种尺度的变化是完全可能发生的）, 那么,可以得到地气系统的太阳短波辐射强迫-3.10 W/m2以及红外长波辐射强迫-1.77 W/m2, 二者之和为-4.78 W/m2, 已经完全可以抵消大气二氧化碳浓度加倍所产生的辐射强迫。但是, 当云量、云光学厚度以及云高向相反方向产生类似扰动时, 所产生的辐射强迫可能极大地放大二氧化碳浓度增加所产生的增强温室效应。因此, 研究结果揭示出, 不管是为了解释过去的气候变化, 还是预测未来的气候变化, 亟待加强在一个变化了的气候环境（例如地面温度升高）下, 云将发生何种变化的研究。     

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

典型站点气溶胶对云特性的影响

结合Cloud Sat对云的主动观测和MODIS(MODerate-Resolution Imaging Spectroradiometer)对气溶胶的被动反演,研究了典型站点气溶胶对云的宏观、微观和辐射特性的影响。结果表明,气溶胶对大陆性和海洋性站点的云均有显著影响。1)随气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)增加,水汽含量较弱站点的低层(高层)云量呈减小(增加)趋势,而水汽条件较强站点的各层云量均增大,且具有较高(较低)云顶的云层发生概率在各个站点都呈增加(减小)趋势。2)AOD的增大导致各站点云滴和冰晶粒子的有效半径均减小、大气层顶的短波和长波云辐射强迫均增强、短波云辐射强迫绝对值的加强更显著、长波云辐射强迫增加的幅度相对更大。3)气象要素在AOD大(小)值情况下的变化表明,大尺度动力条件并不能解释云的上述特性随AOD的显著改变。     

一个海气耦合模式模拟的云辐射过程

利用NCC/IAP T63海气耦合模式进行了20 a积分,详细分析了模式对云量及其辐射影响的模拟能力。结果表明,模式能够模拟出云量分布的基本特征,但同ISCCP卫星观测资料及ERA再分析资料相比还存在较大的差距,总体表现为模拟的云量偏小,尤其是海洋上部分地区出现了异常的低值区。通过对云量方案的改进,明显改善了两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上空低云的模拟。但模式对热带印度洋到西太平洋地区云量的模拟仍然存在明显的偏差,这主要是由于模式对该地区强对流云模拟能力差,造成该地区高云模拟存在较大的误差。对辐射及其云辐射强迫的分析表明,模式对长波及其云辐射强迫的模拟要明显好于短波。短波辐射模拟的偏差主要是由于短波云辐射强迫模拟过小、耦合模式对积雪和海冰模拟较差、以及未考虑气溶胶的影响等原因共同引起的;而长波辐射模拟的差距主要是云量以及下垫面温度模拟不足造成的。相应于云量方案的改进,两大洋东岸、夏半球副热带到中纬度海洋上辐射(尤其是短波辐射)的模拟有了明显的改善,这也明显改进了这些地区的净辐射模拟。     

利用卫星产品评估数值预报模式云层垂直结构

对云层垂直结构的准确参数化描述是数值天气预报模式准确计算长短波辐射通量、辐射加热率廓线、云反射率、云辐射效应等参数的重要基础,但地基观测数据无法对模式预报的云层垂直分层情况进行验证。文章基于卫星资料Collection5版本的MODIS云产品MOD06,利用国际上能够较准确判别云层垂直分层的一个新算法,以反演的高、中、低云发生频率和云顶气压结果,评估美国国家环境预报中心(NCEP)北美中尺度模式NAM的云层垂直结构。2006年7～10月北美地区(153°～48°W,12°～62°N)的评估结果表明:①卫星反演和模式预报的高、中、低云的云量区域分布比较相似,尤其是高云。热带太平洋地区模式预报高云量大于卫星反演值。模式预报的低云在墨西哥及北美大陆、大西洋地区更多。②卫星反演和模式预报中云发生频率的差异最小,模式预报高云和低云发生频率峰值比卫星反演的峰值更大,且云顶出现的高度更高。③模式预报中云量和低云量的纬度平均值比卫星反演的高,尤其是低云量。NAM的云参数化有待于进一步改进。     

不同云重叠参数对全球和东亚地区模拟总云量的影响

在国家气候中心全球大气环流模式BCC_AGCM2.0中引入一组基于CloudSat/CALIPSO卫星观测的、能够体现真实时空变化特征的云垂直重叠参数（抗相关厚度,L_cf）数据,以减小由云的重叠描述造成的辐射场的不确定性。对比了采用时空变化的云重叠参数和采用恒定云重叠参数的气候模拟结果,发现无论在全球还是东亚区域,采用基于卫星观测的云重叠参数对模拟的总云量都有一定程度的改进。采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季全球平均总云量与云和地球的辐射能量系统（CERES）卫星资料的误差都减少了1.6%,其中热带对流区域总云量的正偏差和副热带地区总云量的负偏差都明显减少,这些有助于正确模拟不同区域间的能量收支差异。在东亚区域,采用时空变化的云重叠参数后,冬、夏两季的东亚区域平均总云量与CERES卫星资料的误差分别减少了1.8%和1.4%。综上所述,基于CloudSat/CALIPSO卫星资料计算得到的L_cf有助于改进大气环流模式对总云量的模拟,从而提高模式对辐射场的模拟精度。      

三维有云大气辐射变温率数值模拟研究——邻云辐射效应

大气数值模式普遍采用一维辐射传输模型,无法表征有云大气中的三维辐射传输过程,从而影响数值模拟乃至数值天气预报的准确性。为评估这种不确定性,研究了水平云体间的三维辐射相互作用及其改变云体热力结构的规律,力求为改进数值模式辐射计算方案提供理论依据。选取I3RC PhaseⅡ的典型积云场和层积云场作为试验对象,将云场中心区域云体视为目标云体,周围云体为邻近云体,采用宽带三维辐射传输模式SHDOM模拟长波和短波辐射变温率的空间分布,定量阐明邻近云体对目标云体热力结构的影响。结果表明,邻云在长波区域对目标云体主要起辐射保温的作用,目标云体增温区域集中于邻云一侧的云体表面层,增温强度与云覆盖率和云间距离倒数成正比,最高可达3.08K/h,云体增温的厚度与目标云体液态水含量成反比;在短波区域,邻云同时起散射增温和遮蔽降温的作用,太阳垂直入射时,散射增温效应较弱,变温率空间差异小;当太阳天顶角增大后,遮蔽降温效应逐步起主导作用,造成目标云体被邻云遮挡一侧的表面层明显降温,峰值可达-1.72K/h,数值上甚至超过邻云长波增温效应。总之,邻近云体可以明显改变目标云体的变温率空间分布,引入三维邻云辐射效应对改进大气数值模式辐射计算方案具有重要意义。     

中国东部和印度季风区云辐射特性的比较

基于 ＩＳＣＣＰ和 ＥＱＢＥ资料,本文比较了中国东部和印度季风区的云和云辐射强迫的气候特征。虽然它们同属于亚洲季风区,并且有相似的降水季节特征,但它们各自的云和云辐射强迫特征差异很大。在印度区域,所有的云量有着相同的季节变化,最大云量分布都出现在夏季,且总云量中以高云量为主。而中国东部云量的季节变化都比较复杂,在总云量中以中、低云量为主,最大总云量出现在春季。冬季的总云量和中、低云量要大于夏季。在全球云量分布中,中国东部最典型的特征是：该地区为全球最大的雨层云覆盖区。与云的分布和变化相关,印度季风区最大的负短波云辐射强迫,最大的正的长波辐射强迫和最大的负的净云辐射强迫发生在夏季,而在中国东部,大的负的短波云辐射强迫发生在春夏之交。年平均的负的短波云辐射强迫在中国东部地区明显要大于在印度季风区。     

不同形状冰晶权重假定对冰云光学和辐射特性的影响

在BCC_RAD辐射传输模式和包含多形状冰晶粒子的冰云光学性质参数化方案的基础上,详细分析了不同冰晶粒子权重选取对冰云光学和辐射特性的影响。结果显示,不同形状冰晶粒子权重的选取对长波带平均消光系数、单次散射比、不对称因子和短波带平均不对称因子均有较大的影响。冰晶粒子权重选取对长波辐射通量有很大影响:对长波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达10.50 W/m2的差别;对长波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达15.05 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对短波辐射通量也存在较大影响:对短波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达12.48 W/m2的差别;对短波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达10.23 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对长波加热率影响较大,在云顶处和云底处分别可达1.31和-2.06 K/d。研究表明,不同形状冰晶粒子权重的选取对冰云光学性质和辐射计算均有较大的影响,在长波区间尤其明显。      

冰晶粒子不同形状假定对辐射收支和气候的影响

将包含多形状冰晶粒子的冰云辐射参数化方案应用于全球气候模式中,详细讨论了冰云粒子从球形假定到多形状假定的变化对辐射场和气候场的影响。结果显示,冰晶粒子形状假定的引入对冰云光学厚度、辐射通量和加热率以及温度场均有明显的影响。采用新的冰云方案使得全球平均云光学厚度值降低0.28（23%）;热带地区降低最为明显,其差异绝对值可达1.02,而在中高纬度陆地地区,两者的冰云光学厚度差别较小。冰晶粒子形状假定改变将导致全球平均的大气顶出射长波辐射通量增加5.52 W/m2（2.3%）。与观测资料的比较表明,多形状冰晶粒子假定明显减小了球形粒子假定对长波出射辐射的低估。对大气加热率廓线的模拟显示,多形状冰晶粒子假定会减弱短波辐射对大气的加热作用,同时增强长波辐射对大气的冷却作用;在热带对流层中高层,这两种影响尤为显著。冰晶粒子形状假定的改变对温度场有明显的影响,热带地区的对流层高层大气温度降低幅度可超过1.5 K。研究表明,冰晶粒子形状假定的改变对模拟的辐射和温度场均有重要的影响。      

LASG Global AGCM with a Two-moment Cloud Microphysics Scheme:Energy Balance and Cloud Radiative Forcing Characteristics

Cloud dominates influence factors of atmospheric radiation, while aerosol–cloud interactions are of vital importance in its spatiotemporal distribution. In this study, a two-moment(mass and number) cloud microphysics scheme, which significantly improved the treatment of the coupled processes of aerosols and clouds, was incorporated into version 1.1 of the IAP/LASG global Finite-volume Atmospheric Model(FAMIL1.1). For illustrative purposes, the characteristics of the energy balance and cloud radiative forcing(CRF) in an AMIP-type simulation with prescribed aerosols were compared with those in observational/reanalysis data. Even within the constraints of the prescribed aerosol mass, the model simulated global mean energy balance at the top of the atmosphere(TOA) and at the Earth's surface, as well as their seasonal variation, are in good agreement with the observational data. The maximum deviation terms lie in the surface downwelling longwave radiation and surface latent heat flux, which are 3.5 W m-2(1%) and 3 W m-2(3.5%), individually. The spatial correlations of the annual TOA net radiation flux and the net CRF between simulation and observation were around 0.97 and 0.90, respectively. A major weakness is that FAMIL1.1 predicts more liquid water content and less ice water content over most oceans. Detailed comparisons are presented for a number of regions, with a focus on the Asian monsoon region(AMR). The results indicate that FAMIL1.1 well reproduces the summer–winter contrast for both the geographical distribution of the longwave CRF and shortwave CRF over the AMR. Finally, the model bias and possible solutions, as well as further works to develop FAMIL1.1 are discussed.     

Variation of surface temperature during the last millennium in a simulation with the FGOALS-gl climate system model

A reasonable past millennial climate simulation relies heavily on the specified external forcings, including both natural and anthropogenic forcing agents. In this paper, we examine the surface temperature responses to specified external forcing agents in a millennium-scale transient climate simulation with the fast version of LASG IAP Flexible Global Ocean-Atmosphere-Land System model (FGOALS-gl) developed in the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics (LASG/IAP). The model presents a reasonable performance in comparison with reconstructions of surface temperature. Differentiated from significant changes in the 20th century at the global scale, changes during the natural-forcing-dominant period are mainly manifested in the Northern Hemisphere. Seasonally, modeled significant changes are more pronounced during the wintertime at higher latitudes. This may be a manifestation of polar amplification associated with sea-ice-temperature positive feedback. The climate responses to total external forcings can explain about half of the climate variance during the whole millennium period, especially at decadal timescales. Surface temperature in the Antarctic shows heterogeneous and insignificant changes during the preindustrial period and the climate response to external forcings is undetectable due to the strong internal variability. The model response to specified external forcings is modulated by cloud radiative forcing (CRF). The CRF acts against the fluctuations of external forcings. Effects of clouds are manifested in shortwave radiation by changes in cloud water during the natural-forcing-dominant period, but mainly in longwave radiation by a decrease in cloud amount in the anthropogenic-forcing-dominant period.     

层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

Effects of Clouds and Aerosols on Surface Radiation Budget Inferred from DOE AMF at Shouxian, China

Based on data collected during the first U.S.Department of Energy(DOE) Atmospheric Radiation Measurement(ARM) field campaigns at Shouxian,eastern China in 2008,the effects of clouds and aerosols on the surface radiation budget during the period October-December 2008 were studied.The results revealed that the largest longwave(LW),shortwave(SW),and net Aerosol Radiative Effects(AREs) are 12.7,-37.6,and-24.9 W m-2,indicating that aerosols have LW warming impact,a strong SW cooling effect,and a net cooling effect on the surface radiation budget at Shouxian during the study period 15 October-15 December 2008.The SW cloud radiative forcing(CRF) is-135.1 W m-2,much cooler than ARE(about 3.6 times),however,the LW CRF is 43.6 W m-2,much warmer than ARE,and resulting in a net CRF of-91.5 W m-2,about 3.7 times of net ARE.These results suggest that the clouds have much stronger LW warming effect and SW cooling effect on the surface radiation budget than AREs.The net surface radiation budget is dominated by SW cooling effect for both ARE and CRF.Furthermore,the precipitatable clouds(PCs) have the largest SW cooling effect and LW warming effect,while optically thin high clouds have the smallest cooling effect and LW warming on the surface radiation budget.Comparing the two selected caseds,CloudSat cloud radar reflectivity agrees very well with the AMF(ARM Mobile Facility) WACR(W-band ARM Cloud Radar) measurements,particularly for cirrus cloud case.These result will provide a ground truth to validate the model simulations in the future.     

利用MODIS和CERES遥感数据研究青藏高原的云辐射强迫效应

准确估算青藏高原的云辐射效应,对分析该地区的近地面感热通量十分重要.本文首先利用加权平均方法,分别将中分辨率成像光谱仪(MODIS)、测云雷达(CPR)和云与地球辐射能量系统(CERES)的像元数据进行融合.利用这些数据,分析了青藏高原上多云个例(2017年5月5日)与少云个例(2017年8月2日)情况下的可见光通道和...