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。     

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。     

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。     

地面对晴空大气热辐射结构的影响

本文利用1987年美国FIFE资料及1986年6月TIPMEX资料,并利用大气长、短波一维辐射传输数值模式,计算了晴空大气状态下地面辐射参数(地面热辐射温度、地表反照率等)对大气长波冷却率、短波加热率廓线的影响。结果表明,地球表面对大气边界层内的热辐射结构影响很大,特别是在高原地区这种影响尤其显著。     

基于地面短波辐射观测资料计算淡积云的辐射强迫及水平尺度方法研究

本文根据不同类型云影响地面短波辐射的差异,提出利用地面短波总辐射变化检测识别淡积云以及计算淡积云水平尺度的方法,并对该算法进行误差分析,统计内蒙古草原地区夏季淡积云的水平尺度及其辐射强迫。结果表明:淡积云检测方法能比较好地识别、筛选出淡积云天。淡积云水平尺度和淡积云所在高度的风速成正比,风速测量的准确性直接影响淡积云水平尺度估算准确性;淡积云水平与垂直尺度比对计算淡积云水平尺度影响最大;云移动经过遮挡太阳直射辐射的时段内,太阳天顶角变化的影响可以忽略不计。内蒙古草原地区夏季淡积云短波辐射强迫小时平均为-134.1 W m-2,水平尺度平均值为1129 m,水平尺度的概率密度呈幂指数分布。     

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。     

云间屏蔽对块状云阵短波辐射参数的影响

本文使用短波辐射传输方程建立分析模式研究规则排列块状云阵的短波辐射参数。模式中考虑了云对地表的遮光、邻近云对地表反射光的遮挡以及云侧面之间、云侧与地表之间的散射与吸收。本模式最大特色是加入了云体间相互屏蔽。这点由于其复杂性而多为以前的研究者所忽略。与不考虑此效应的Ｂｒａｄｌｅｙ模式所得结果比较，本模式在太阳天顶角较大时对云阵辐射参数有较大修正。     

全球气候模式对东亚地区地表短波辐射的模拟检验

利用WCRPCMIP3提供的18个全球气候模式输出结果, 检验了其对东亚地区地表短波辐射的模拟能力, 结果表明:多模式集合的多年平均地表短波辐射模拟偏高约8.7 W/m 2, 晴空地表短波辐射模拟偏高约3.4 W/m 2, 地表短波云辐射强迫模拟偏低约5.3 W/m2, 模式间的标准差分别达到9.6, 7.8 W/m2和8 W/ m2; 多模式集合能够很好地模拟出地表短波辐射的纬向平均季节变化的位相特征, 但在量值上还有较大的差距; 模拟偏差分析表明, 多模式集合的区域年平均地表短波辐射、晴空地表短波辐射、地表短波云辐射强迫的均方根偏差分别为34.7, 17.1 W/m 2和29.1 W/ m2, 表明云在地表短波辐射的模拟偏差中起着重要作用; 多模式集合能够很好地模拟出地表入射短波辐射年变化的线性减小趋势, 但模式高估了晴空入射辐射的减小趋势, 而模拟的云辐射强迫变化趋势与ERA 40完全相反。     

两组辐射方案对中国短期天气过程影响的比较和探讨

为了比较长短波辐射方案对中国短期天气过程模拟的影响, 并进一步完善中尺度模式MM5中的辐射过程的参数化方案, 将WRF中Goddard短波辐射参数化方案移植到模式MM5中.利用移植的方案和MM5模式原有的参数化方案, 设计了两组试验方案.通过对2002年第16号台风个例和2002年12月19～24日北方降雪的个例模拟, 结果表明: 选用不同的辐射参数化方案对两个个例模拟结果具有较明显的影响, 较详细的长短波辐射参数化方案组合模拟的各种辐射量和云更加细致合理地反映地形、台风、副高和槽脊的结构和位置; 台风降     

基于RegCM4.6的中国地区云对地表太阳辐射的影响研究

使用RegCM4.6区域气候模式，选取Emanuel和Mix（Grell+Emanuel）两种积云对流参数化方案，以2016年为例，分别对中国地区云短波辐射强迫及其涉及的物理量进行数值模拟，揭示其时空分布特征，并探究两种积云对流参数方案模拟效果的差异及其原因。结果表明：从季节平均来看，全国地表云短波辐射强迫均为负值，云对地表为冷却效应，冬季最小，春夏季较大。塔里木盆地四季均为辐射强迫低值区，夏季冷却效应最弱，辐射强迫绝对值低于40 W·m-2；全天空地表净短波辐射分布也呈显著季节差异，除夏季外均呈由南向北逐渐递减的分布趋势；晴空地表净短波辐射在横断山脉处和塔里木盆地处均比较低，其中春季最为明显；两个方案所得的季节空间分布特征大致相同，但在数值上存在差异。春季时全国大部分地区全天空地表净短波辐射通量差异最大，在55 W·m-2左右，晴空地表净短波辐射通量在青藏高原处差异在60W·m-2左右。     

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。     

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。     

Direct Radiative Forcing of Anthropogenic Aerosols over Oceans from Satellite Observations

Anthropogenic aerosols play an important role in the atmospheric energy balance. Anthropogenic aerosol optical depth (AOD) and its accompanying shortwave radiative forcing (RF) are usually simulated by nu- merical models. Recently, with the development of space-borne instruments and sophisticated retrieval algorithms, it has become possible to estimate aerosol radiative forcing based on satellite observations. In this study, we have estimated shortwave direct radiative forcing due to anthropogenic aerosols over oceans in all-sky conditions by combining clouds and the Single Scanner Footprint data of the Clouds and Earth’s Radiant Energy System (CERES/SSF) experiment, which provide measurements of upward shortwave fluxes at the top of atmosphere, with Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) aerosol and cloud products. We found that globally averaged aerosol radiative forcing over oceans in the clear-sky conditions and all-sky conditions were -1.03±0.48 W m-2 and -0.34 ±0.16 W m-2, respectively. Direct radiative forcing by anthropogenic aerosols shows large regional and seasonal variations. In some regions and in particular seasons, the magnitude of direct forcing by anthropogenic aerosols can be comparable to the forcing of greenhouse gases. However, it shows that aerosols caused the cooling effect, rather than warming effect from global scale, which is different from greenhouse gases.     

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。      

Numerical simulations of stratiform boundary-layer clouds on the meso-γ-scale. Part II: The influence of a step change in surface roughness and surface temperature

A higher order closure mesoscale model is used to study the influence of different surface properties on stratiform boundary-layer clouds. The model is hydrostatic, has a terrain-following coordinate system and a sub-grid scale condensation scheme. It also has a radiation parameterisation for shortwave and longwave radiation in order to calculate radiative cooling/heating. The simulations show the effects on a cloud field when cool or cold air is advected over warm water, the possible influence of local circulation systems on cloud fields in situations with weak synoptic forcing and the influence on a cloud field by growing internal boundary layers. Some of the results are compared with simpler physical models, and limitations in those are demonstrated.     

A study of convective systems, water vapor and top of the atmosphere cloud radiative forcing over the Indian Ocean using INSAT-1B and ERBE data

Summary The distribution of cloud radiative forcing (CRF) at the top of the atmosphere over the Indian Ocean is investigated using satellite observations. Two key regions are considered: The eastern Indian Ocean and the Bay of Bengal which experience maximum upper-level cloudiness in winter and summer respectively. It is found that longwave CRF in the Bay of Bengal during summer is similar to that over the eastern Indian Ocean during winter. On the other hand shortwave CRF magnitude is larger in the Bay of Bengal. These differences explain the net CRF difference between the two regions. The stronger shortwave forcing seems to be related to the Upper-Level Cloudiness being larger over the Bay than over the eastern Indian Ocean. The reasons for the longwave CRF similarities are analysed in more details. Using the results from a convective system classification method, it is first shown that the longwave radiative properties of the individual systems do not vary much from one region to another. The distribution of the different kind of systems, a proxy for the vertical cloudiness structure, does not either indicate strong difference between the regions. It is then proposed that the substantial precipitable water vapour amount observed over the Bay of Bengal damps the effects of the upper-level cloudiness on radiation compared to the relatively dryer eastern Indian Ocean area; yielding to similar LW CRF in both region despite more Upper-Level Cloudiness over the Bay of Bengal. These observations are supported by idealised radiative transfer computations. The distribution of cloudiness and radiative forcing is then analysed over the whole tropical Indian Ocean for each season. July is characterized by a low longwave CRF regime (relative to January) over the most convectively active part of the Ocean. The non linear damping effect of water vapor on longwave CRF is also shown to contribute to this regime. Overall, this study reaffirms the need for simultaneous documentation of the cloud systems properties together with their moist environment in order to understand the overall net radiative signature of tropical convection at the top of the atmosphere (TOA).     

辐射参数化方案对一个海气耦合模式云和辐射模拟的影响

比较Morcrette辐射方案和Fu_Liou辐射方案对NCC/IAP T63海气耦合模式云和辐射模拟的影响, 结果表明:两种方案模拟的大气顶入射辐射存在明显的差异; 晴空大气Fu_Liou方案的短波吸收能力在全球普遍较Morcrette方案低; 在60°S~60°N之间, Fu_Liou方案模拟的行星反照率更接近于ERBE卫星观测; 在对大气顶净辐射的模拟上, 除了冬季的太平洋和大西洋东岸云量明显减少的部分地区外, Fu_Liou方案对大气顶净辐射的模拟总体上较Morcrette方案有了较为明显的改善; Fu_Liou方案模拟的海洋低层云显著减少, 而热带地区高云的模拟明显增加; 由于采用了“二元云量”算法, 尽管云量有所减少, Fu_Liou方案模拟的云短波吸收作用仍有所增强, 一定程度上改进了Morcrette方案云的短波吸收作用偏弱的现象。