近20年全球总云量变化趋势分析

利用ISCCP月平均云气候资料集的总云量资料, 采用趋势分析的方法, 得到1983年7月至2001年9月近20年来全球平均总云量的变化趋势, 并分析云量变化的可能原因。近20年全球增温幅度加快, 研究这期间云的变化, 对气候研究和模拟具有重要的意义。结果表明:平均大气环流决定总云量的分布;全球平均总云量的变化趋势在20世纪80年代末发生逆转, 即由增加转为减少;全球平均云量呈减少的变化趋势, 2000年与1987年相比, 减少量约占平均总云量的4%;从地理位置上看, 云量的变化存在区域性差异, 热带和中纬度地区的总云量减少较多, 高纬度地区云量略有增加, 其中南极大陆云量增加较多。     

未来甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧的影响

利用一个耦合的大气化学-气候模式(WACCM3)研究了地表甲烷排放增加对平流层水汽和全球臭氧变化的影响.结果表明,如果地表甲烷的排放量在2000年的基础上增加50%(达到政府间气候变化专门委员会A1B排放情景中2050年的值),平流层水汽体积分数将平均增加约0.8×10^-6.南半球平流层甲烷转化为水汽的效率比北半球高.在北半球平流层中,1mol甲烷分子可以转化为约1.63mol的水汽分子,而在南半球1mol甲烷分子大概可以转化为约1.82mol的水汽分子.甲烷排放增加50%将使全球中低纬度地区以及北半球高纬度地区的臭氧柱总量增加1%-3%,使南半球高纬度地区臭氧柱总量增加近8%,而秋季(南半球春季)南极地区臭氧柱总量增加幅度可高达20%,南极臭氧的这种显着增加主要是由于甲烷增加造成的化学反馈所致.在北半球中高纬度地区,甲烷增加引起的臭氧变化主要与甲烷氧化导致的水汽增加有关.研究还表明,未来甲烷排放增加对臭氧的恢复作用其实与溴化物排放的减少一样重要.     

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。     

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。      

青藏高原云对地气系统净辐射强迫的气候研究

利用地球辐射平衡试验（ＥＲＢＥ）和国际卫星云气候计划（ＩＳＣＣＰ）提供的地气系统行星反射率、长波射出辐射（ＯＬＲ）和云量资料,计算了青藏高原地区云对地气系统净辐射的强迫,并讨论其与总云量及地气系统晴天净辐射的关系。结果表明：高原各季净辐射云强迫与总云量有较好的非线性关系,其中以暖季更明显;各月净辐射云强迫与地气系统晴天净辐射的曲线相关很明显,各条曲线均存在一个与净辐射云强迫零值相对应的晴天净辐射值     

利用REOF对全球云量趋势变化的分析

文章利用ISCCP月平均云气候资料集的总云量数据,分析了总云量在全球的时空分布,并对四季云量分布进行对比;采用趋势分析和旋转经验正交函数分解的方法,比较了1983—2009年全球平均总云量的变化趋势,结果显示:27a以来全球云量总体呈现减少趋势,尤其是赤道太平洋地区最明显,高纬度地区云量略有增加。云量低值中心位于南北回归线附近,赤道辐合带有一云量高值中心。总体而言,南半球云量多于北半球,洋面云量多于陆面;春夏两季云量多于秋冬两季。     

青藏高原云对地气系统短波吸收辐射强迫的气候研究

利用地球辐射平衡试验（ＥＲＢＥ）和国际卫星云气候计划（ＥＳＣＣＰ）提供的总云量、得星反射率资料,计算并分析了青藏高原地气系统年、月平均云对太阳短波吸收辐射的强迫,揭示了其与总云量的关系。结果表明：高原的短事射云强迫与总云量有较好的非线性相关,呈幂指数形式,且季节变化明显;短波辐射云强迫的地理分布与高原云的分产好,高原主体和北部是短波辐射云强迫的低值区,高原东南部和西部边缘迎风部位为强迫的高值区。     

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。     

环杭州湾地区自然植被净初级生产力的变化特征及其成因

利用1971—2006年环杭州湾地区25个气象站的降水、温度和云量资料及全球CO2年平均体积分数资料,采用LPJ全球动态植被模式（Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model）,通过模拟环杭州湾地区的植被年净初级生产力（Annual Net Primary Productivity,ANPP）,分析了该地区ANPP的变化特征,并探讨了植被ANPP变化的可能原因。结果表明：1）就环杭州湾地区,36a间植被ANPP均表现出不同程度的增加,尤其以嘉兴市北部、绍兴市东部较明显;全区平均增加速率为1.5243g·m-2·a-2;2）通过多元线性回归分析发现,环杭州湾地区平均云量与植被ANPP的关系最为密切,偏相关系数为-0.5175,而温度、降水与植被ANPP的关系不明显;同时,植被ANPP对气候变化的响应存在一定的地域性差异;3）在全区平均情况下,36a间由温度下降、降水增加、云量减小、CO2体积分数升高引起的植被ANPP变化趋势分别为-0.0813、-0.0171、0.7601、0.8673g·m-2·a-2,其对应的贡献率分别为-5.18%、-1.09%、48.38%、55.21%。由此可见,该地区植被ANPP变化的主要强迫因子是CO2体积分数和云量,而降水变化对植被ANNP的变化作用不大。     

近20年青藏高原云分布特征及云参数时空变化分析

准确估算云量是了解青藏高原云参数时空特征的基础。通过相关分析、回归分析、趋势分析方法,分析了近21年来青藏高原云分布的动态变化。利用MODIS云量日产品（MOD08＿D3）数据和ERA5再分析资料,分析了青藏高原不同阶段云量分布和云参数的时空特征。结果表明,高云区云量中心位于墨脱县（77.3%）,林芝（72.5%）地区云量最大,青藏高原日平均云量在过去21年间减少了0.04%。季节分布上,夏季出现水云的概率最高（31.7%）,春季出现冰云的概率最高（26.5%）。每年出现的冰云比水云高2%左右。在全球变暖背景下,青藏高原上空水汽含量呈减少趋势,云水含量呈逐渐增加趋势。年平均云水含量比大气总水汽含量高约0.01 cm,云水总含量增加约0.04 cm。本研究为理解云水资源对全球气候变化和青藏高原地区水循环的影响提供了依据。     

东亚地区云和地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响

文中利用区域气候模式深入探讨了东亚地区云及地表反照率对硫酸盐直接辐射强迫的影响 ,同时定量估算了东亚地区云区气溶胶的直接辐射强迫 ,讨论了硫酸盐对地表和大气短波辐射平衡产生的不同影响。研究表明 :云对气溶胶的直接辐射强迫具有很强的减弱作用 ,这种减弱作用不仅取决于云覆盖份数 ,而且取决于云的光学厚度。就区域平均而言 ,文中模拟的东亚地区气溶胶直接辐射强迫为 - 0 .0 97W /m2 ,占总直接辐射强迫的 10 .4%左右。表明云对硫酸盐直接辐射具有很强的减弱作用 ,在估算其总的直接辐射强迫时 ,云区的贡献不可忽视。较高的地表反照率会减弱硫酸盐的直接辐射强迫 ,而较低地表反照率则会增加硫酸盐的辐射强迫。硫酸盐气溶胶对大气辐射平衡影响非常小 ,但对地表辐射平衡产生重要影响 ,影响程度与大气几乎一致。     

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(一)——介绍NUIST模式评估结果

为减少不同气候模式评估气溶胶气候效应的差异,第六次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)直接给定了人为气溶胶强迫数据。因此,有必要基于此强迫数据重新评估气溶胶气候效应。本研究首先将CMIP6给出的描述人为气溶胶强迫的模块引入南京信息工程大学(Nanjing University of Information Science and Technology,NUIST)的地球系统模式(The NUIST Earth System Model,NESM)。之后,利用NESM模式评估地球辐射收支平衡对此人为气溶胶强迫的响应,并分析模式模拟结果的不确定性。评估给出的人为气溶胶有效辐射强迫为-0. 45(±0. 28) W·m~(-2)。其中,气溶胶直接辐射效应为-0. 34(±0. 01) W·m~(-2),与第二次气溶胶比较计划(The second phase of Aerosol Comparisons between Observations and M odels,Aero ComⅡ)的评估结果基本一致;气溶胶对云辐射强迫的影响(包括半直接效应和间接效应)为-0. 10(±0. 30) W·m~(-2),明显受到模式内部变率的干扰,具有较大的不确定性。     

Model Analysis of the Anthropogenic Aerosol Effect on Clouds over East Asia

A coupled meteorology and aerosol/chemistry model WRF-Chem(Weather Research and Forecast model coupled with Chemistry) was used to conduct a pair of simulations with present-day(PD) and preindustrial(PI) emissions over East Asia to examine the aerosol indirect effect on clouds.As a result of an increase in aerosols in January,the cloud droplet number increased by 650 cm-3 over the ocean and East China,400 cm-3 over Central and Southwest China,and less than 200 cm-3 over North China.The cloud liquid water path(LWP) increased by 40-60 g m-2 over the ocean and Southeast China and 30 g m-2 over Central China;the LWP increased less than 5 g m-2 or decreased by 5 g m-2 over North China.The effective radius(Re) decreased by more than 4 μm over Southwest,Central,and Southeast China and 2μm over North China.In July,variations in cloud properties were more uniform;the cloud droplet number increased by approximately 250-400 cm-3,the LWP increased by approximately 30-50 g m-2,and Re decreased by approximately 3 ?m over most regions of China.In response to cloud property changes from PI to PD,shortwave(SW) cloud radiative forcing strengthened by 30 W m-2 over the ocean and 10 W m-2 over Southeast China,and it weakened slightly by approximately 2-10 W m-2 over Central and Southwest China in January.In July,SW cloud radiative forcing strengthened by 15 W m-2 over Southeast and North China and weakened by 10 W m-2 over Central China.The different responses of SW cloud radiative forcing in different regions was related to cloud feedbacks and natural variability.     

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(二)——诊断方法在分类评估中的重要性

对气溶胶气候效应开展分类评估并探讨诊断方法的合理性。人为气溶胶辐射效应对计算云辐射强迫的影响为0.38 W·m~(-2)。诊断评估气溶胶对云辐射强迫的影响需要排除这个偏差。两种基于不同试验设计诊断得出的半直接效应分别为0.21和0.09 W·m~(-2),存在显著差异。主要原因可能是人为气溶胶影响云辐射强迫的不同机制之间在模式模拟过程中不断地相互交织,不是简单的线性叠加关系。模式诊断得出的Twomey效应不仅包括Twomey效应本身,还包括Twomey效应引起的部分快速调整。总之,利用模式评估分析人为气溶胶气候效应需要注意审查试验设计和诊断方法的合理性。     

Radiative Forcing and Climate Response Due to Black Carbon in Snow and Ice

The radiative forcing and climate response due to black carbon(BC) in snow and/or ice were investigated by integrating observed effects of BC on snow/ice albedo into an atmospheric general circulation model(BCC AGCM2.0.1) developed by the National Climate Center(NCC) of the China Meteorological Administration(CMA).The results show that the global annual mean surface radiative forcing due to BC in snow/ice is +0.042 W m 2,with maximum forcing found over the Tibetan Plateau and regional mean forcing exceeding +2.8 W m 2.The global annual mean surface temperature increased 0.071 C due to BC in snow/ice.Positive surface radiative forcing was clearly shown in winter and spring and increased the surface temperature of snow/ice in the Northern Hemisphere.The surface temperatures of snow-covered areas of Eurasia and North America in winter(spring) increased by 0.83 C(0.6 C) and 0.83 C(0.46 C),respectively.Snowmelt rates also increased greatly,leading to earlier snowmelt and peak runoff times.With the rise of surface temperatures in the Arctic,more water vapor could be released into the atmosphere,allowing easier cloud formation,which could lead to higher thermal emittance in the Arctic.However,the total cloud forcing could decrease due to increasing cloud cover,which will offset some of the positive feedback mechanism of the clouds.     

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。     

我国对流层臭氧增加对气温的影响

利用耦台的区域气候模式和大气化学模式模拟对流层臭氧的产生、分布和对辐射传输、地表温度、气温等的影响。通过对比模拟发现：对流层中臭氧的增加基本使大气顶晴空辐射强迫为正；对流层中的臭氧含量变化能影响云量且进一步影响温度。由于对流层臭氧增加导致的晴空辐射强迫在4月份最大、1月份最小。     

Cloud and Radiation Processes Simulated by a Coupled Atmosphere-Ocean Model

Using NCC/IAP T63 coupled atmosphere-ocean general circulation model (AOGCM),two 20-yr integra- tions were processed,and their ability to simulate cloud and radiation was analysed in detail.The results show that the model can simulate the basic distribution of cloud cover,and however,obvious differences still exist compared with ISCCP satellite data and ERA reanalysis data.The simulated cloud cover is less in general,especially the abnormal low values in some regions of ocean.By improving the cloud cover scheme, simulated cloud cover in the eastern Pacific and Atlantic,summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is considerably improved.But in the tropical Indian Ocean and West Pacific the cloud cover difference is still evident,mainly due to the deficiency of high cloud simulation in these regions resulting from deep cumulus convection.In terms of the analysis on radiation and cloud radiative forcing,we find that simulation on long wave radiation is better than short wave radiation.The simulation error of short wave radiation is caused mostly by the simulation difference in short wave radiative forcing,sea ice,and snow cover,and also by not involving aerosol's effect.The simulation error of long wave radiation is mainly resulting from deficiency in simulating cloud cover and underlying surface temperature.Corresponding to improvement of cloud cover,the simulated radiation (especially short wave radiation) in eastern oceans, summer hemisphere's oceans from subtropical to mid-latitude is remarkably improved.This also brings obvious improvement to net radiation in these regions.