沙尘气溶胶辐射强迫全球分布的模拟研究

为了定景了解沙尘气溶胶对气候的影响,文中利用一个改进的辐射传输模式,结合伞球气溶胶数据集(G-ADS),计算了晴空条件下,冬夏两季沙尘气溶胶的直接辐射强迫在对流层顶和地面的全球分布,并讨论了云对沙尘气溶胶辐射强迫的影响.计算结果表明,对北半球冬季和夏季而言,在对流层顶沙尘气溶胶的全球短波辐射强迫的平均值分别为-0.477和-0.501 W/m2;长波辐射强迫分别为0.11和0.085 W/m2;全球平均短波地面辐射强迫冬夏两季分别为-1.362和-1.559 W/m2;长波辐射强迫分别为0.274和0.23 W/m2.沙尘气溶胶在对流层顶和地面的负辐射强迫的绝对值郁随太阳天顶角的余弦和地表反照率的增加而增大;地表反照率对沙尘气溶胶辐射强迫的强度和分布都有重要影响.研究指出:云对沙尘气溶胶的直接辐射强迫的影响不仅取决于云量,而且取决于云的高度和云水路径,以及地面反照率和太阳高度角等综合因素.中云和低云对沙尘气溶胶在对流层顶的短波辐射强迫的影响比高云明显.云的存在都使对流层顶长波辐射强迫减少,其中低云的影响最为明显.因此,在估算沙尘气溶胶总的直接辐射强迫时,云的贡献不可忽视.     

中国地区云对地-气系统辐射强迫温度效应的气候研究

文中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、射出长波辐射 (OLR)和云量资料 ,计算了中国地区年、月平均总云量对地 气系统短波辐射、长波辐射以及净辐射强迫的温度效应和敏感性系数 ,并讨论了云对各辐射分量强迫的温度效应与总云量的关系。结果表明 :地 气系统云辐射强迫温度效应与总云量间具有较明显的曲线相关。云辐射强迫温度效应及其敏感性系数具有明显的时空变化特点。就中国全国平均而言 ,各月地 气系统云辐射强迫净温度效应一般表现为降温作用。     

基于国际大气化学-气候模式比较计划模式数据评估中国沙尘气溶胶直接辐射强迫

目前气候模式对沙尘气溶胶直接辐射强迫模拟仍有很大不确定性,多模式对比有助于定量评估不确定范围。国际大气化学—气候模式比较计划（Atmospheric Chemistry and Climate Model Intercomparison Project,ACCMIP）旨在评估当前模式对短寿命大气成分辐射强迫和气候效应的模拟能力。基于7个ACCMIP模式模拟的中国地区沙尘气溶胶浓度,我们评估了中国区域沙尘气溶胶直接辐射强迫和不确定性范围。结果显示,中国区域沙尘气溶胶年排放总量为215±163 Tg a-1,区域年均地表浓度为41±27 μg m-3,柱浓度为9±4 kg m-2,光学厚度为0.09±0.05。中国区域年均沙尘气溶胶产生的大气顶短波、长波和总辐射强迫分别为-1.3±0.8 W m-2、0.7±0.4 W m-2和-0.5±0.7 W m-2;地表短波、长波和总的辐射强迫值为-1.5±1.0 W m-2、1.8±0.9 W m-2和0.2±0.2 W m-2。沙尘气溶胶长波辐射强迫对沙尘浓度的垂直分布敏感。高层沙尘气溶胶浓度越大,其在大气顶产生更强的正值长波辐射强迫。然而,沙尘气溶胶短波辐射强迫主要受整层沙尘柱浓度控制,对沙尘浓度的垂直分布较不敏感。本文结果可为中国沙尘气溶胶的气候模拟提供参考。     

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。     

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。     

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。      

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。     

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热红外通道的信号、云参数和大气长短波辐射强迫等的差异。研究表明,少云时高原地区的大气顶大气长波辐射强迫为108.3 W·m-2,多云时为104.5 W·m-2。同时少云个例中塔里木盆地的大气顶大气长波辐射强迫为200.7 W·m-2,表明该辐射强迫受到地表热力状况影响较大。深厚与浅薄云区的云顶高度相差不大,但多云个例中深厚云区的短波辐射强迫是浅薄云区的2倍多,这一比例远大于长波。这表明短波辐射强迫对云厚度较敏感。最后,本文分析了CERES观测的大气顶长短波辐射分别与MODIS热红外和可见光通道之间的关系,结果表明它们存在很好的相关性(相关系数超过0.95),MODIS的可见光通道可以用于估算大气顶的短波辐射量,而MODIS的热红外通道只可用来估算云区的大气顶长波辐射量。     

中国地区云对地气系统太阳短波吸收辐射强迫的气候研究

本文利用地球辐射平衡试验（ＥＲＢＥ）和国际卫星云气候计划（ＩＳＣＣＰ）提供的总云量、行星反射率资料,计算并分析了我国年、月平均云对地气系统太阳短波吸收辐射的强迫及其敏感性系数,揭示了它们之间的关系,最后绘制了地气系统短波辐射云强迫的全国分布图。结果表明：我国地气系统短波辐射云强迫及其敏感性系数都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总量配合较好。     

中国及邻近地区污染排放对对流层臭氧变化与辐射影响的研究

利用双向耦合的区域气候模式和大气化学模式系统, 研究了中国与邻近地区人为污染排放引起对流层臭氧变化和产生的辐射强迫.结果表明, 污染排放对对流层臭氧含量的影响有明显的季节变化, 对北方的影响不如南方显著, 西部的季节变化稳定且小于东部, 内陆污染地区各季节臭氧柱含量的变化量均较高.对整个模拟区域而言, 臭氧变化量的年平均值为30.928 DU, 春季最大为32.168 DU, 而空间分布变化在12～38 DU之间.臭氧变化量对北方地区辐射的影响较小, 而对低纬和华东地区影响较大, 臭氧变化量引起的晴空地气系统短波辐射强迫、长波辐射强迫的平均值分别是0.185 W·m-2和0.464 W·m-2, 标准化短波辐射强迫与净辐射强迫值为0.006 W·m-2·DU-1和0.021 W·m-2·DU-1.气候反馈过程对对流层臭氧含量的影响范围在-0.470～0.752 DU之间, 包含气候反馈过程的区域年平均臭氧变化量是30.942 DU.在气候反馈条件下, 臭氧变化量的短波和长波辐射强迫分别是0.249 W·m-2及 0.482 W·m-2, 标准化的短波与净辐射强迫值为0.008 W·m-2·DU-1和0.024 W·m-2·DU-1.臭氧变化量导致地表温度的变化范围在±0.80 K之间.     

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。     

Why Is the Climate Forcing of Sulfate Aerosols So Uncertain?

l. IntroductionAlthough the aerosol has been recognized as an important factor which has innuence onthe past, present and future climate for a long time, it still has much uncertainty in assessingits climate forcing. The direct radiative forcing of sulfate aerosols has been estimated rangingfrom --0.3 W/ m2 to --0.9 W/ m2 in recent publications (Charlson et al., l992, Kiehl andBriegleb l993; Taylor and Penner 1994, Boucher and Anderson l995, Kieh1 and Rodhe l995;Chuang et al., l997, Penne…     

基于美国AMF寿县观测的云特性研究

美国能源部大气辐射观测计划移动观测ARMAMF（atmospheric radiation measurement mobile facility）2008年首次在我国寿县开展综合观测,为研究云特性提供了很好的资料平台。本文在此次云雷达等观测资料基础上,研究了寿县秋末冬初云高、云厚、云量及其辐射特性,结果发现,寿县有76．3％的观测日有云出现,54．0％的观测时间有云覆盖,中云（以下简称M云）和高云（以下简称H云）出现频率占全部云系的76．7％,天气系统对寿县云系形成有较大影响;云底高度大于3km的降水性云（以下简称P云）出现频率占全部P云的67．7％,是云底高度小于3kmP云的5．3倍,发生在下午的降水占全部P云的47．8％,气溶胶可能对P云的这种分布有较大影响;云和气溶胶减少地面短波辐射的日均值达一99．1W／m。,其中气溶胶减少约占25．1％。不同高度和厚度云对地面辐射通量的影响有较大差异,P云产生最大的冷却效应（一201．9W／m。）,厚度小于2km的H云对地面辐射通量的减少量最少（一32．9w／m。）。另外,用地面单点云辐射观测与中分辨率成像光谱仪MODIS（moderate resolution imaging spectroradiometer）资料估计结果对比发现,两种资料有较大差异,差异可达-1．9～-36．9W／m。     

Why Does FGOALS-gl Reproduce But a Reasonable Little Ice Age a Weak Medieval Warm Period and 20th Century Warming？

To understand the strengths and limitations of a low-resolution version of Flexible Global Ocean Atmosphere-Land-Sea-ice （FGOALS-gl） to simulate the climate of the last millennium, the energy balance, climate sensitivity and absorption feedback of the model are analyzed. Simulation of last-millennium climate was carried out by driving the model with natural （solar radiation and volcanic eruptions） and anthropogenic （greenhouse gases and aerosols） forcing agents. The model feedback factors for （model sensitivity to） different forcings were calculated. The results show that the system feedback factor is about 2.5 （W m-2） K-1 in the pre-industrial period, while 1.9 （W m-2） K-1 in the industrial era. Thus, the model＇s sensitivity to natural forcing is weak, which explains why it reproduces a weak Medieval Warm Period. The relatively reasonable simulation of the Little Ice Age is caused by both the specified radiative forcing and unforced linear cold drift. The model sensitivity in the industrial era is higher than that of the pre-industrial period. A negative net cloud radiative feedback operates during whole-millennial simulation and reduces the model＇s sensitivity to specified forcing. The negative net cloud radiative forcing feedback under natural forcing in the period prior to 1850 is due to the underestimation （overestimation） of the response of cloudiness （in-cloud water path）. In the industrial era, the strong tropospheric temperature response enlarges the effective radius of ice clouds and reduces the fractional ice content within cloud, resulting in a weak negative net cloud feedback in the industrial period. The water vapor feedback in the industrial era is also stronger than that in the pre-industrial period. Both are in favor of higher model sensitivity and thus a reasonable simulation of the 20th century global warming.     

Climate sensitivity to cloud optical properties

A radiative–convective model was developed to investigate the sensitivity of climate to cloud optical properties and the related feedback processes. This model demonstrates that the Earth's surface temperature increases with cloud optical depth when the clouds are very thin but decreases with cloud optical depth when the cloud shortwave (solar) radiative forcing is larger than the cloud longwave (terrestrial) radiative forcing. When clouds are included in the model, the magnitude of the greenhouse effect due to a doubling of the CO₂ concentration varies with the cloudoptical depth: the thicker the clouds, the weaker the greenhouse warming. In addition, a small variation in the cloud droplet size has a larger impact on the equilibrium state temperature in the lower atmosphere than the warming caused by a doubling of the CO₂ concentration: a 2% increase in the average cloud droplet size per degree increase in temperature doubles the warming caused by the doubling of the CO₂ concentration. These findings suggest that physically reliable correlations between the cloud droplet size and macrophysical meteorological variables such as temperature, wind and water vapor fields are needed on a global climate scale to assess the climate impact of increases in greenhouse gases.     

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。     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

Climate feedback efficiency and synergy

Earth’s climate sensitivity to radiative forcing induced by a doubling of the atmospheric CO₂ is determined by feedback mechanisms, including changes in atmospheric water vapor, clouds and surface albedo, that act to either amplify or dampen the response. The climate system is frequently interpreted in terms of a simple energy balance model, in which it is assumed that individual feedback mechanisms are additive and act independently. Here we test these assumptions by systematically controlling, or locking, the radiative feedbacks in a state-of-the-art climate model. The method is shown to yield a near-perfect decomposition of change into partial temperature contributions pertaining to forcing and each of the feedbacks. In the studied model water vapor feedback stands for about half the temperature change, CO₂-forcing about one third, while cloud and surface albedo feedback contributions are relatively small. We find a close correspondence between forcing, feedback and partial surface temperature response for the water vapor and surface albedo feedbacks, while the cloud feedback is inefficient in inducing surface temperature change. Analysis suggests that cloud-induced warming in the upper tropical troposphere, consistent with rising convective cloud anvils in a warming climate enhances the negative lapse-rate feedback, thereby offsetting some of the warming that would otherwise be attributable to this positive cloud feedback. By subsequently combining feedback mechanisms we find a positive synergy acting between the water vapor feedback and the cloud feedback; that is, the combined cloud and water vapor feedback is greater than the sum of its parts. Negative synergies surround the surface albedo feedback, as associated cloud and water vapor changes dampen the anticipated climate change induced by retreating snow and ice. Our results highlight the importance of treating the coupling between clouds, water vapor and temperature in a deepening troposphere.