摘要:

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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.

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对多年来中国各地区包括云的分布结构、云与降水的关系、云中的水汽资源和云的辐射强迫等在内的云系统的观测研究进行了综合评述,并根据不同观测手段的特点加以区分.同时,提出了该领域研究中尚待解决的一些问题,展望了未来观测研究的可能方向.

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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.

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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.

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利用最新的1983～2009年国际卫星云气候计划(ISCCP)D2月平均资料集,得到了中国地区总云量、低云量、中云量、高云量与云光学厚度的分布与变化趋势,结果表明:中国总云量和中云量呈现南多北少的分布,青藏高原地区高云量较大而低云量很小;总云量和中云量在东部呈增加趋势,西部呈减小趋势,低云量和高云量在大部分地区呈减小趋势.从不同季节来看,春季和秋季北方总云量增加,西部总云量减小;夏季大部分地区总云量增加,冬季大部分地区总云量减少.云的光学厚度呈现南多北少的分布,且在大部分地区呈增加趋势.同时利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)资料分析了2001～2013年间中国不同污染地区总云量与云光学厚度的分布及变化趋势的异同,结果表明:中国不同污染地区云量与云光学厚度呈现不同的分布和变化规律.

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长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略.利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响.结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2.以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K.

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概述了全球气候模式中云的垂直重叠的处理方法及其辐射物理过程的最新研究进展。从云垂直重叠模型的构造、模型在气候模式中的实现方式，得到与观测一致的云重叠结构所采用的数据和方法、重叠云的辐射传输等方面，给出了针对这一国际研究难点问题的最新研究进展。关于气候模式中云的垂直重叠问题的研究至今已取得了许多成果，表现在：重叠模型上有了更为科学的描述形式（如指数衰减重叠）；重叠云的辐射传输也有了更快速的处理方法（如蒙特卡洛独立柱近似）并被广泛应用；连续的三维云遥感观测（如 CloudSat／CALIPSO）和云分辨尺度的三维云模式的发展为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了丰富的观测资料和模式数据。但是，气候模式中现有的云重叠结构处理及其辐射传输方法还远不够完善，仍然存在很多没有解决的问题需要在未来进行探索。