辐射通量密度和加热率的计算结果对垂直分层的敏感性

本文利用一个一维辐射传输模式，分析了模式垂直分层对辐射通量密度和加热率计算结果的影响，以示在辐计算方案的应用中选择合理的垂直分层的必要性，结果表明：长波辐射通量和加热率对垂直分层的改变反映敏感；辐射通量最大偏差出现在对流层中层，以中纬度模式大气为例，其值为１４Ｋ／ｍ＾２（相对偏差６％）；长波冷却率的偏差在低层比较明显，最大可达１．０℃／ｄａｙ；在高原地区，垂直分层对近地层加热率的影响更为明显，偏差     

云三维结构对加热率廓线及通量影响的模拟

大气加热率强度与结构是驱动全球大气环流的关键因素,实际加热率分布与云三维结构密切相关。作者使用三维蒙特卡洛辐射传输模式,模拟计算了云分辨模式所得3个典型三维云场的加热率廓线及通量;定义了两个参数来同时描述加热率廓线的垂直分布和强度,通过与独立像素近似算法对比,定量统计分析了高分辨率下云三维结构对辐射的影响。结果表明,在高分辨率条件下云三维结构对加热率廓线和通量影响十分显著,且不同结构云场所体现的影响各具特点,提出需要考察现有大气模式中云三维结构对当前所用加热率计算方案的订正方向。     

多层四流球谐函数算法的构建及在大气辐射传输模式中的应用

为了在不大幅度增加计算成本的情况下提高大气辐射传输计算的精度,利用单层四流球谐函数结合多层二流累加法,构造了可用于多层大气的四流球谐函数算法。为了比较与其他辐射传输算法的差异,引入48流离散纵坐标算法作为比较标准,Eddington 近似、四流离散纵坐标算法作为比较对象。在真实大气廓线条件下,计算了晴空和有云大气顶向上辐射通量、地表向下辐射通量以及加热率廓线。得出以下结论：在晴空情况下,与作为标准的48流离散纵坐标法相比,Eddington 近似、四流离散纵坐标法和新构造的四流球谐函数方法加热率绝对误差都小于0?3 K／d;向上、向下辐射通量的相对误差分别小于1％和0?6％。这表明在晴空情况下,3种算法对加热率的计算精度差别不大;对辐射通量的计算精度,两种四流近似算法比传统的 Eddington 近似更为精确。在有云情况下,与48流离散纵坐标法相比,四流球谐函数和四流离散纵坐标法计算的云顶加热率相对误差小于1％,而 Eddington 近似计算的云顶加热率相对误差大于5％。结果表明：新构造的四流球谐函数算法可用于大气辐射传输模式,在不大幅度增加计算成本的同时,提高了晴空大气的整体辐射计算精度和有云大气辐射加热率的计算精度。     

青藏高原地表分类及其东北部辐射通量的二维数值模拟

通过对青藏高原地区地表特征的格点分类及沿五道梁站的经向二维中尺度数值模拟,结果发现：青藏高原地区１３类地表特征都有,尽管其植被自西北向东南呈带状分布,但仍十分复杂;而其地表特征的这种格点分类为该地区的高分辨数值模式模拟提供了极其有用的下边界条件。地面净辐射通量及其诸分量的模拟结果与观测结果的相当接近与一致表明,该模式具有模拟青藏高原地区地面通量日变化的能力。模拟结果和观测分析还指出：夏天睛天条件下     

基于TUV模式的银川光化辐射通量特征及其影响因子

利用TUV模式计算分析了银川光化辐射通量变化特征,探讨了云、气溶胶、臭氧柱浓度、NO₂柱浓度等因子对银川光化辐射通量的影响。结果表明：2019年7—9月银川月平均光化辐射通量分别为6.5E+16光子数·cm^-2·s^-1、5.6E+16光子数·cm^-2·s^-1和4.7E+16光子数·cm^-2·s^-1,日最大值出现在13:00;波长小于325 nm时,光化辐射通量随波长增加缓慢上升,波长在325—480 nm之间时,光化辐射通量迅速升高,波长大于480 nm时,光化辐射通量随波长增加变化较小,此特征在中午前后较早晚表现更明显;云光学厚度和气溶胶光学厚度对光化辐射通量的衰减作用具有明显的“U”型日变化特征,比较而言,气溶胶光学厚度对光化辐射通量衰减作用的“U”型波形更为宽广;光化辐射通量衰减率对较低的云光学厚度的变化更敏感;光化辐射通量随气溶胶光学厚度增加而减小的变率要比随云光学厚度增加而减小的变率小;光化辐射通量对单次散射反照比大于0.6...     

三维有云大气辐射变温率数值模拟研究——邻云辐射效应

大气数值模式普遍采用一维辐射传输模型,无法表征有云大气中的三维辐射传输过程,从而影响数值模拟乃至数值天气预报的准确性。为评估这种不确定性,研究了水平云体间的三维辐射相互作用及其改变云体热力结构的规律,力求为改进数值模式辐射计算方案提供理论依据。选取I3RC PhaseⅡ的典型积云场和层积云场作为试验对象,将云场中心区域云体视为目标云体,周围云体为邻近云体,采用宽带三维辐射传输模式SHDOM模拟长波和短波辐射变温率的空间分布,定量阐明邻近云体对目标云体热力结构的影响。结果表明,邻云在长波区域对目标云体主要起辐射保温的作用,目标云体增温区域集中于邻云一侧的云体表面层,增温强度与云覆盖率和云间距离倒数成正比,最高可达3.08K/h,云体增温的厚度与目标云体液态水含量成反比;在短波区域,邻云同时起散射增温和遮蔽降温的作用,太阳垂直入射时,散射增温效应较弱,变温率空间差异小;当太阳天顶角增大后,遮蔽降温效应逐步起主导作用,造成目标云体被邻云遮挡一侧的表面层明显降温,峰值可达-1.72K/h,数值上甚至超过邻云长波增温效应。总之,邻近云体可以明显改变目标云体的变温率空间分布,引入三维邻云辐射效应对改进大气数值模式辐射计算方案具有重要意义。     

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。     

宁夏区域太阳日辐射通量计算方法的研究

利用银川站过去5 a的太阳日辐射观测资料(1981~1985)与大气外太阳辐射、日照时数、日照长度间的相关关系,确定了区域系数as。通过对bs的取值进行敏感测试,可得到一组最佳推算太阳辐射通量的区域系数:as=0.3,bs=0.5。用此系数和太阳日辐射通量计算公式,推算了银川站1986、1987年太阳日辐射通量并用观测值进行验证,结果表明:两者之间有很好的线性相关,R2=0.94,验证了区域系数的可信度。通过对银川站2 a(1986,1987)资料的平均误差、平均偏差、平均绝对偏差和均方根偏差的计算表明,结果与国内相关报道基本一致。对宁夏永宁站1989~2000年的太阳日辐射通量用区域系数进行估算,并与银川站的实际观测资料比较,结果显示永宁站太阳日辐射通量估算值和银川站实测值间有很好的线性关系,12 a间的方差最小值R2=0.88。     

辐射和积云对流过程对大气辐射通量的影响

基于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发展的全球大气环流谱模式(SAMIL-R42L26),研究了澳大利亚气象局研究中心(BMRC)新辐射方案和新Zhang-McFaflane积云对流方案对大气辐射通量模拟的影响.新辐射方案相比原辐射方案在辐射计算光谱分辨率、气体吸收和计算效率等方面作了很多改进,其对大气辐射通量的模拟能力相应提高.在晴空条件下,大气顶出射长波、大气吸收短波和地表入射短波等与观测的偏差较原辐射方案明显减小,尤其是在对流活跃区域.在云天条件下大气辐射通量与观测的偏差也较原辐射方案减小,但其偏差依然较大,这与模式中积云对流参数化方案模拟能力不足引起的辐射通量偏差有关.为此,换用了新Zhang-McFarlane积云对流方案,其结果表明,对流活跃区水汽含量显著增加,原对流方案中偏强的"双赤道辐合带"现象明显减弱,赤道辐合带地区的大气辐射通量偏差有明显减小,在海洋地区晴空大气顶出射长波和地表入射短波的量值及空间分布均接近观测结果,同时大气顶全球平均能量收支的年变化和观测结果趋于一致,其中模拟的伞球年平均大气顶能量收支和观测的偏差不到0.6 W/m2.试验结果同时表明,在未来研究中引入气溶胶分布、调整相关的云物理和陆面过程等物理参数化方案是进一步提高SAMIL-R42L26辐射通最模拟性能的关键.     

利用简化动力学近似分析黑河实验区的感热通量

本文利用简化动力学近似．运用统计和参数化两种方法分析了黑河实验区的感热通量．结果表明：不稳定条件下绿洲区的感热通量与近地面辐射温度(T3)和空气温度(Ta)之差符合幂定律方程；沙漠地区符合形式为H=f[u(T2-Ta)]的幂定律方程。利用从实验得到的热传输附加阻尼表示式kB^-1=0．2u(T2-Ta)用于对空气动力学阻尼(ra)的参数化，可适用于不同下垫面．并得到了比较满意的感热通量值．最后利用以上结果计算了实验区的潜热通量并做了比较分析。     

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。     

全球气候模式（GCM）对辐射强迫的响应

长波辐射加热（ＬＷＲＨ）对气候预报有显著作用，文章比较了６种取自ＧＣＭ的ＬＷＲＨ算法所产生的加热率廓线，表明在有云情况下，ＬＷＲＨ算法对输入变量的敏感性。ＬＷＲＨ算法对ＧＣＭ变化的敏感性测试结果表明，加热率强烈地依赖于模式截断，模式变化（包括长波辐射ＬＷＲ算法）和地表强迫（ＳＳＴ）。引入假观测评价各种ＬＷＲ算法所产生加热率的精确性，在ＣＣＭ２模式中应用ＮＣＡＲ原版本和移植的ＥＣＭＦＷ方案计算了ＬＷ     

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。      

棉田土壤热通量的计算

本文在两年棉花田间试验观测的基础上,利用土壤中热传导方程模拟5cm层土壤温度的时间变化,进而推算出其它层次的土壤温度,与实测值相比,模拟均方误最大为0．14,最大温度绝对误差为0．7℃．通过对温度方程求深度上的偏导数获得土壤热通量的计算公式,计算值与实测值比较,均方误最大为0．006,效果较好。本文还通过2cm层土壤热通量与棉花冠层净辐射之间的关系,结果表明土壤热通量与冠层净辐射有着很好的相关性。     

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。     

两种逐线积分辐射模式大气吸收的比较研究

由于缺乏完整的和精确的实验室测量结果, 目前无法判断各种逐线积分方案的最终精度.因此, 逐线积分模式精度的比较基本上只能在模式之间进行.比较了作者研制的快速高效逐线积分大气吸收计算方法(简记为ZS2000), 与国际上用得较多的LBLRTM (Line-By-Line Radiative Transfer Model) .得出: 二者在长波区间向上和向下辐射通量的相对差别对整层大气均小于3.1%, 大气冷却率的绝对差别对整层大气均小于0.13 K·d-1, 处于ICRCCM (Intercompariso     

CFMIP大气环流模式模拟的东亚云辐射强迫特征

通过与卫星观测云和辐射资料的比较,检验了10个大气环流模式对东亚地区云量、垂直结构、光学属性以及辐射特征的模拟能力.10个模式的模拟结果均来自"云反馈模式比较计划"(CFMIP),为便于与国际卫星云气候计划(ISCCP)资料的比较,所有模式都引入了ISCCP模拟器.结果表明,10个模式均能模拟出东亚地区冬、夏两季云量及...     

丘陵区土壤热通量遥感估算模型适应性分析

利用具有丘陵区典型特征的四川省乐至县气象站的土壤热通量和净辐射观测数据,分析了二者的变化特征,并验证了土壤热通量遥感估算模型的适用性。分析结果表明：晴空土壤热通量G与净辐射Rn存在明显日变化,最大值出现13时左右;其比值G／Rn受土壤湿润程度和地表覆盖的影响,地表湿润、覆盖率高,比值小。在干旱时,瞬时比值可高达0．7,而湿润情况,可低至0．05。对目前广泛使用的G／Rn卫星遥感模型估算结果与实测值的对比分析表明,不同的G／Rn卫星遥感估算模型估算结果存在明显的差异,仅依靠植被指数的模型不适合南方丘陵区。本研究认为Bastiaanssen等的模型较适合丘陵区的土壤热通量遥感估算模型。     

海气耦合模式FGOALS_gl模拟的水汽和云辐射反馈过程

本文分析了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(LASG)发展的快速耦合模式FGOALS_gl对低纬太平洋区域水汽温室效应(Ga)和云辐射强迫特征的模拟能力,讨论了模拟偏差的成因.结果表明,FGOALS_gl能合理再现Ga、云辐射强迫的气候态空间分布特征,但也存在明显的偏差.模式低估了冷...     

陆面模拟中植被辐射传输参数化方案研究

在冠层二流辐射传输模式基础上新发展了一个描述太阳短波辐射在植被中传输的冠层四流辐射传输模式.冠层四流辐射传输模式是在大气辐射传输理论的基础上得到一组描述短波辐射在植被中传输过程的冠层辐射传输基本方程,引进大气中求解辐射传输方程的四流近似解法,并求得冠层四流辐射传输方程的解析解.方程中各项参量能够反映叶子或冠层特殊的几何和光学特征.冠层向上、向下辐射通量取决于冠层散射相函数、叶子在入射光方向投影面积、单个叶子反射率和透射率、叶面积指数以及直射光入射太阳高度角等.四流模式计算叶子水平倾角时对太阳短波辐射的反照率,与二流模式结果比较可以验证模式的理论推导和建模都是正确的:计算结果的比较,表明四流模式在水平叶角分布时计算的冠层反照率与二流模式结果一致,同时直射光从任何太阳高度角入射的冠层反照率结果也一致,从而证明发展的冠层四流辐射传输模式是成功的.模拟试验中将两种模型同时耦合到同一个陆面过程模式中进行比较试验,结果表明,冠层四流辐射传输模式能够得到更精确的植被反照率,从而使得陆面模式计算的地表吸收的净太阳辐射通量更接近于观测值.