单层不同类型云系统的特性及高云重叠的影响

通过时空匹配主动遥感产品（2B-CLDCLASS-LIDAR）的云类型参数与被动遥感产品（Clouds and the Earth's Radiant Energy System-Single Scanner Footprint: CERES-SSF）的云宏微观物理特性和大气层顶处辐射通量参数（2007/01~2010/12），本文在全球尺度上统计分析了不同类型单层云以及高云重叠的双层云的云特性和大气层顶云辐射强迫。尽管主动和被动卫星遥感产品相互独立，但被动遥感反演的云光学厚度和云相态等参数能够合理反映不同类型云之间的差异。不同类型单层云表现出的云特性差异能进一步影响大气层顶的辐射能量收支。本文通过对比不同类型单层云的Clouds and the Earth's Radiant Energy System（CERES）视场样本数量随短波和长波云辐射强迫的分布，发现它们的高值区形状、位置和面积存在差异，反映了其各自独特的辐射特性。层积云的CERES视场样本数量密集区类似椭球结构，而其它云类型则趋于指数曲线结构。当进一步考虑高云重叠的影响时，统计结果表明:重叠的高云比高云单层状态有更蔽光和更厚的云体；高云重叠的底层云类型则比其单层状态有更透光和更薄的云体；高云重叠的双层云（除了高云重叠积云）对地气系统的净冷却效应要弱于其低层云类型单层状态。本文研究结果旨在加深理解云辐射反馈机制，并为改进模式中云重叠参数化方案提供一定观测依据。     

利用CERES(SYN)资料分析青藏高原云辐射强迫的时空变化

利用2001年11月—2005年10月"云与地球辐射能量系统(CERES)"辐射和云资料SYN(Syn-optic Radiation Fluxes and Clouds),分析了青藏高原(下称高原)地区不同高度云辐射强迫的时空变化特征。结果表明:(1)高原整体为云强迫正、负值的过渡区域,这种过渡性有显著的季节差异和区域划分。高原东南部表现出较强的冷却效应,其西部和东北部干旱区在冬、春季表现为较弱的加热效应。(2)高云、高的中云和低的中云对云短波辐射强迫的季节变化都有贡献,其中中云是导致区域差异的主要因素;云长波辐射强迫的区域差异不明显,但季节差异显著,这主要是由高的中云和高云的变化引起的,且云量是主要的影响因子,高云云量虽小但其影响不可忽视。(3)高云在高原地区产生净加热效应,高的中云既产生加热作用也产生冷却作用,低的中云产生净冷却效应。(4)云短波辐射强迫在云辐射强迫的日变化中仍然占主导地位,日变化的区域差异主要是由云量引起的。白天,在云短波辐射强迫的日变化中,低的中云贡献更大。高云对云长波辐射强迫的日变化贡献主要在晚上,低的中云在夜间对云长波辐射强迫有抑制作用。     

青藏高原云对地气系统长波射出辐射(OLR)强迫的气候研究

利用地球辐射平衡试验（ＥＲＢＥ）和国际卫星云气修计划（ＩＳＣＣＰ）提供的地气系统长波射出辐射（ＯＬＲ）和云量资料,计算并讨论了青藏高原地气系统各季和年平均总云量对ＯＬＲ的强迫及其所产生的温室效应,揭示了高、低示了高、低云对ＯＬＲ强迫的特点。结果表明：高原的ＯＬＲ云强迫与总云量、高云量都有较好的相关关系,且季节变化明显;ＯＬＲ云强迫和云温室效应的地理分布与高原总云量的分布较为一致;云强迫的年变化一同     

云层分布对辐射增效和冷却的影响

本文计算了冬、夏两季在平原和高原地区分别有低云、高云和当高、低云同时出现时的短波辐射增热率,长波辐射冷却率以及高低云之间的相互影响。结果发现:1)高原上云的短波增热率和长波冷却率要比平原上的大,低云的增热和冷却较平原尤甚。2)高云存在时,地面附近由冷却变为增热。3)高原地区出现双层云时总是使地面附近增热。4)当两层云同时出现时,高云的短波增热率和长波冷却率都有所增大,低云的短波增热率减小,低云的长波冷却率则减小很多。5)低云量的变化对高云的冷却影响较小,而高云量变化对低云的冷却影响甚大。6)云的短波辐射增热受地面反照率的影响不很大,但对太阳高度角的变化甚为敏感。 由以上结果看来,在大气环流和气候模式中必须要很好地考虑高云云量的变化,否则难以得到好的结果。在区域气候模式中不可忽略高原地区和平原地区云的辐射增热和冷却作用的差别。     

中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响

针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况，利用辐射传输模式，分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热（冷却）率，并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季，位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0，海洋上空光学厚度为0.3时，取春季平均太阳高度角，沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强，采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响， 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热（冷却）率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气，冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空，中云对云层以上的沙尘层有加热作用，对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热（冷却）率的影响比较小，加热还是冷却，取决于云的厚度，当云层较薄时，加热沙尘层，而当云层较厚的时候，有可能冷却沙尘层。     

中国地区云对地气系统长波射出辐射（OLR）强迫的气候研究

本文利用地球辐射平衡试验（ERBE）和国际卫星去气候计划（ISCCP）提供的地气系统长波射出辐射（OLR）和云量资料，计算半讲座了我国各季和年平均去量对地气系统OLR的强迫及其所产生的温室效应，结果表明：我国各季的OLR云强迫与总云量，高云量都有较好的相关，且季节变化明显；OLR云强迫和云温室效应的地理分布受云量和云状的影响较大，它们的年变化一般呈弱双峰型，峰值在春，夏季出现。     

GRAPES全球模式浅对流过程和边界层云对低云预报的影响研究

在GRAPES全球模式云方案中加入浅对流卷出过程和边界层云对云水（冰）、云量的影响,改进模式低云预报,模拟比较改进前后预报结果,并与CERES（云和地球辐射能量系统）及YOTC（热带对流年科学计划）资料进行对比分析。结果表明：考虑浅对流卷出过程和边界层云后,主要增加了模式700 hPa以下低云量及低云中液态水凝物含量,改进后的结果与实际观测更接近。其中边界层层积云主要影响大气边界层顶附近较薄的一层云,影响厚度不超过200 hPa,浅对流卷出过程对云水和云量大小的影响与边界层云相当,而影响厚度则更广,对地面到700 hPa间的低云都会产生一定影响。进一步研究表明,由于低云预报的改进促进了地表和大气层顶云长短波辐射强迫的预报,云的辐射强迫得以增加。     

气候模式中云的垂直重叠假定对模拟的地-气辐射的影响研究

本文将一种新的可以模拟云的多种垂直重叠假定的随机次网格云产生器 (SCG) 放入NCAR/CAM3气候模式中, 利用该产生器得到云的四种垂直重叠结构, 即最大重叠 (MO)、 随机重叠 (RO)、 最大-随机重叠 (MRO) 以及近年来发展的一般重叠 (GenO), 并以GenO为参照研究了这四种云的重叠结构对模拟的地-气辐射的影响, 为气候模式中云的次网格结构选择提供一定的依据。结果表明, MRO、 MO和RO总云量分别与GenO总云量 (全球平均0.64左右) 偏差约-0.012、 -0.034和0.026, 其中MRO最接近GenO。不同重叠假定对地面接收到的短波辐射通量 (DSR) 的改变显著, 在热带对流区达到16 W/m2以上, 相当于GenO下该地区相应量的8%～12%, 通过了95%信度检验; 在中高纬度低云量大的地区也达到4～8 W/m2。不同重叠假定对大气顶出射长波辐射 (OLR) 的改变比其对短波辐射通量的改变小得多, 在热带对流区有极大值3～4 W/m2。不同的云重叠结构的大气加热率垂直廓线不同, 从而影响大气热力结构, 其中长波加热率差值 (最大约0.1～0.26 K/d) 比短波加热率差值 (最大约0.01～0.025 K/d) 几乎大一个量级, 因此, 长波加热率的变化是影响大气热力层结的主要因素。云重叠假定影响地面和大气顶云辐射强迫, 并通过柱辐射强迫使得整层气柱的能量收支发生变化, 不同纬度变化趋势也不同, 从而系统性地改变地-气系统能量在各纬度地区的分配, 影响所模拟的气候系统的演变。     

Macrophysical properties of specific cloud types from radiosonde and surface active remote sensing measurements over the ARM Southern Great Plains site

云变化迅速且类型复杂,获取准确的云观测信息具有一定挑战。本文使用2001-2010年期间南部大平原的大气辐射观测实验数据,定量评估了探空和地基主动遥感观测六种类型云(低云、中低云、高中低云、中云、高中云、高云)的一致性和差异。尽管探空和地基观测六类云的云量变化趋势相近,但是针对不同类型云,两者探测结果存在一定差异,其中高云差异最大。两者对中低云、中云和高中云的云底高度的观测吻合较好,对中低云和高云的云顶高度的观测差异较大,对所有类型云的云厚度的观测均吻合较好。     

中国地区云对地气系统长波射出辐射(OLR)强迫的气候研

本文利用地球辐射平衡试验(ERBE)和国际卫星云气候计划(ISCCP)提供的地气系统长波射出辐射(OLR)和云量资料，计算并讨论了我国各季和年平均云量对地气系统OLR的强迫及其所产生的温室效应。结果表明我国各季的OLR云强迫与总云量、高云量都有较好的相关，且季节变化明显；OLR云强迫和云温室效应的地理分布受云量和云状的影响较大，它们的年变化一般呈弱双峰型，峰值在春、夏季出现。     

Cloud radiative forcing of subtropical low level clouds in global models

Simulations of subtropical marine low clouds and their radiative properties by nine coupled ocean-atmosphere climate models participating in the fourth assesment report (AR4) of the intergovernmental panel on climate change (IPCC) are analyzed. Satellite observations of cloudiness and radiative fluxes at the top of the atmosphere (TOA) are utilized for comparison. The analysis is confined to the marine subtropics in an attempt to isolate low cloudiness from tropical convective systems. All analyzed models have a negative bias in the low cloud fraction (model mean bias of −15%). On the other hand, the models show an excess of cloud radiative cooling in the region (model mean excess of 13 W m⁻²). The latter bias is shown to mainly originate from too much shortwave reflection by the models clouds rather than biases in the clear-sky fluxes. These results confirm earlier studies, thus no major progress in simulating the marine subtropical clouds is noted. As a consequence of the combination of these two biases, this study suggests that all investigated models are likely to overestimate the radiative response to changes in low level subtropical cloudiness.     

Radiative energy partition and cloud radiative forcing at a Po valley site

Values of downward and upward flux densities of solar and terrestrial radiation were continuously recorded between 1 December 2001 and 30 November 2002 using a four-components radiometer at S. Pietro Capofiume (SPC) in northern Italy (44°39′N, 11°37′E, alt. 11 m a.m.s.l.), which is characterized by a weakly-reflective surface. The aim of the study was to investigate the effects of clouds on surface radiation balance (SRB); the cloud fraction (N) has been retrieved through the inverted form of the parameterization proposed by Kasten and Czeplak [Solar Energy 24 (1980) 177] and cloud types estimated following the methodology of Duchon and O'Malley [J. Appl. Meteorol. 38 (1999) 132]. The cloud radiative forcing (CRF) was evaluated through the Bintanja and Van den Broeke [Int. J. Climatol. 16 (1996) 1281] formula and then associated with cloud type. Experimental results showed that during the measuring period the net shortwave (Sw) balance always decreased with increasing N, whereas the net longwave (Lw) balance increased in all seasons. The net radiation available at the surface decreased with increasing N in all seasons except in winter, where no significant dependency was detected.The analysis of the cloud radiative forcing indicates that all seasons were characterized by a net cooling of the surface except winter, where clouds seem to have no effects on the surface warming or cooling. Taking into account the dependence on solar radiation cycle, an intercomparison between the retrieved cloud types seems to indicate that the effect of stratus was a slight cooling whereas that of cumulus clouds was a stronger cooling of the surface. On the contrary, cirrus clouds seem to have slight warming effect on the surface.The annual trends of mean monthly values of shortwave and longwave radiation balances confirmed that the measurement site is characterized by a temperate climate. Moreover, in spite of the cooling effect of clouds, a monthly radiative energy surplus is available all year long for surface–atmosphere energy exchanges. The analysis is also instrumental for the detection of SRB variations.     

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.     

一次沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理量和辐射强迫的影响

利用MOD IS Aqua卫星反演和装载在Aqua上的CERES仪器观测资料,讨论了我国北方地区2004年3月26~28日沙尘暴过程中沙尘气溶胶对云物理特性和辐射强迫的影响。初步结果表明,沙尘气溶胶明显改变了云的物理特性,使云滴变小,含水量及光学厚度减少,减弱了云的净辐射强迫,云的冷却效应受到了抑制,相当于大气层顶沙尘气溶胶的增温作用。     

两种对流参数化方案对辐射能量收支的影响研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的格点大气环流模式(GAMIL)1.0版设计了两组数值模拟实验来研究两种不同的对流参数化方案对辐射能量收支的影响.这两种对流参数化方案分别是:Zhang and McFarlance/Hack方案(简称ZM)和Tiedtke/Nordeng方案(简称 TN).对应的数值模拟实验分别取名为EX-ZM和EX-TN.通过对实验结果的分析表明:在对流过程中,EX-ZM允许深对流和浅对流同时发生,因此两种对流同时在模式低层消耗了更多的水汽,释放了更多的潜热,引起了更大的增温;EX_TN每次只允许一种对流发生,也就避免了不同类型的对流在同一层同时消耗水汽的现象.因此对流过后,EX-ZM的环境空气相对湿度较小,而EX-TN周围空气的相对湿度较大,有利于低云云量的生成和大尺度的凝结,因此EX-TN模拟的低云云量偏多,低层的云水含量偏高,模式低层的云光学厚度偏大,这就使得EX_TN中更多的太阳短波辐射通量被云反射掉,严重低估了模式对短波波段的辐射通量的模拟.此外,不同的对流参数化方案通过改变云的长波发射率和降水,进而影响了模式对长波波段的辐射通量、感热和潜热通量的模拟.     

Cloud Variations under Subtropical High Conditions

The cloud variations under subtropical high(STH) conditions during summers over a ten-year period are studied using combined data from the International Satellite Cloud Climatology Project and the National Centers for Environmental Prediction.The results reveal that clouds mainly experience an isolated evolution in the STHs,which is designated in this study by the 1540 gpm geopotential lines at 850 hPa.In the STH domain throughout the Northern Hemisphere,the average amount of total clouds exceeds 30%.Low clouds dominate in the STH domain,contributing over 60%of total cloud amount within the Pacific subtropical high and over 40%within the Atlantic subtropical high.The prevalence of low clouds in above regions is determined by the circulation pattern around 150°-180°E and 850 hPa,which suppresses both the upward development of the cloud tops and the water vapor divergences near the surface.Furthermore,clouds present great geographical incoherence within the STH domain.In the eastern STHs,the amount of middle and low clouds increases to peak in the early morning and decreases to a trough in the afternoon,while the amount of high clouds remains stable throughout the day.Conversely,in the western STHs,the diurnal amplitude of low and middle clouds is less than three,while high clouds dramatically reach the maximum in the afternoon and drop to the minimum in the evening.Among the nine cloud categories,stratocumulus clouds with greater optical thickness account for the most under STH conditions,no matter their occurrence or amount,causing more shortwave cloud radiative forcing to cool the local atmosphere and surface as a consequence.     

云辐射效应在华北持续性大雾维持和发展中的作用

观测研究发现华北地区的持续性大雾天气通常伴随高层云的存在,具有云-雾共存结构特征,为揭示云在持续性大雾维持和发展中的作用,利用中尺度数值模式WRF,结合华北雾霾观测试验期间的卫星、探空、地面观测、系留气艇、微波辐射计等观测资料,研究了2011年12月3—6日和2013年1月28—31日两次华北持续性大雾天气形成和发展演变过程。在模拟与观测对比检验研究的基础上,重点开展了云辐射效应在大雾维持和发展中作用的探讨。研究结果表明:两次大雾过程持续时间超过48 h,近地面具有偏南暖湿平流,在持续性大雾发展过程中,均出现了由单层雾发展为云-雾共存结构,一般是雾形成24 h以后有中高云移到雾层之上,云底高度在3 km以上,云厚超过3.5 km,云中以冰晶和雪晶为主。白天云-雾共存结构出现后,云-雾的反照率效应使地表接收的短波辐射减少71%—84%,地面增温效应显著减小,从而阻碍了大雾的消散过程,使大雾天气得以维持,同时由于云-雾产生的温室效应,湍流过程加强,使地面雾向上扩展,雾在稳定层内维持;夜晚云-雾共存时,由于云-雾温室效应使地表净长波辐射增大超过70 W/m2,导致地面长波辐射冷却过程减弱,并不利于雾的加强,但云对雾的增温效应有利于混合层内的湍流扩散过程,促使雾在更高的空间内得以维持。可见,在云-雾共存结构中,云辐射效应有利于低层大雾的长时间维持,对持续性大雾的形成和发展产生了重要作用。      

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。