地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

采用非静力中尺度模式WRF研究地形辐射效应参数化对海南岛2012年7月5日多云天气条件下的海风环流结构和云水分布模拟的影响, 并分析了差异产生的可能原因。地形辐射效应是考虑坡地辐射强迫后, 辐射与大气中的各种气体、云以及非均匀下垫面间相互反馈的累积效应。其中地形辐射效应参数化的使用使得温度的模拟更接近实际, 对水汽的模拟也有一定改进能力, 对风速、风向的改进效果不明显。考虑地形辐射效应后, 海风的发生发展演变过程及风场的水平分布无显著变化, 但局地海风以及海风对流云的位置和强度有较明显的改变。山区四周的海风环流结构和对流云的变化与坡地辐射强迫直接相关, 考虑地形辐射效应后, 山坡向阳面的海风有所增强, 背阳面的海风减弱; 向阳坡谷风减弱, 背阳坡谷风增强; 同时紧临海岸的山坡对海风的影响与岛上山坡对谷风的作用类似。平坦地区的海风环流和海风对流云总体上有所减弱, 其变化原因比较复杂。各向海风的强度变化最终会改变海风辐合线的分布, 使海风潜在降水区域发生变化。      

中国大气净辐射的气候特征

根据ＥＲＢＥ和ＩＳＣＣＰ资料以及实测和计算和地表净辐射资料进行了计算，并讨论了我国大气净辐射的气候特征；分析了其与各辐射分量及影响因子的关系。结果表明，大气净辐射与大气吸收波辐射有很高的线性关系，并可由此建立起统一的大气净辐射计算式。     

中国西北大气沙尘的辐射强迫

利用CCM3的辐射模式CRM研究大气沙尘的辐射强迫特性。大气沙尘减小地面净辐射冷却地面同时增暖沙尘层大气，最大加热率出现在沙尘层的上部和贴近地面处。地表反照率对地面冷却和大气加热的大小有影响，地面净辐射的减幅和大气加热率在高地表反照率的沙漠大于低地表反照率的绿洲。大气沙尘对地一气系统的辐射强迫同样受地表反照率的影响，存在着一个“临界地表反照率”，其值在0．25～0．3之间。当地表反照率高于“临界地表反照率”(如沙漠)，大气沙尘减小行星反照率增暖地一气系统，反之(如在绿洲)，大气沙尘增大行星反照率冷却地一气系统。     

利用MODIS-GOCART气溶胶资料研究中国东部地区气溶胶直接辐射强迫

利用MODIS-GOCART同化的2001年逐月气溶胶光学厚度资料，在修改区域气候模式RegCM2辐射方案的基础上，连续积分5年获得平均的中国东部地区气溶胶短波和长波直接辐射效应，并通过数值试验研究了气溶胶垂直分布对辐射强迫及其气候响应的影响。结果表明：气溶胶的短波辐射效应能冷却地表、加热大气；长波辐射效应能加热地表、冷却大气；大气顶净辐射强迫年平均为-4．1W／m^2；辐射强迫绝对值在春季最大，夏季次之，冬季最小；模拟区域中最大辐射强迫值主要位于华北、华南地区及四川盆地；气溶胶垂直分布是影响气溶胶辐射强迫的重要因素。总体上气溶胶层越靠近地面，大气顶辐射强迫绝对值越大，地表辐射强迫绝对值越小，大气顶辐射强迫对垂直分布较敏感；气候系统的反馈作用会放大气溶胶垂直分布对辐射气候效应的影响。     

利用NOAA卫星HIRS探测器监测东亚地区辐射收支的研究

地球－大气系统的辐射收支是描述地球和宇宙空间能量交换的重要参量，也只有从卫星平台才能直接观测大气顶的地球－大气系统的辐射收支。目前，长期的地－气系统射出长波辐射序列资料是从美国ＮＯＡＡ极轨业务气象卫星的甚高分辨率扫描辐射计测量中计算的，精度不能满足气候监测的要求。本文根据美国ＮＯＡＡ卫星高分辨率红外大气探测器（ＨｉｇｈＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｏｕｎｄｅｒ，缩写为ＨＩＲＳ）测量资料，研究了从中推算地球大气系统辐射收支的方法，并对计算出的１９９１年１月份东亚地区的地－气系统的辐射收支各参量、白天和夜间射出长波辐射差别分别进行了对比分析。结果表明，此方法计算的辐射收支分量，能揭示云和地球－大气系统的辐射分布特征及其分布细节，是进行区域气候研究的有效资料。     

1992年冬季兰州城市污染大气的辐射状况

利用１９９２年１２月在兰州进行的辐射观测资料，特别是使用了以前未有的空中辐射观测资料，分析了冬季城市污染大气的辐射状况。分析表明，直接辐射在大气中的减弱较大，其中６００ｍ以下所占的比例尤为显著，最大可达４２％，平均为２４％，低层大气浑浊度比１９８０年稍有减小，但最大值仍较大；总辐射大气中的减弱主要集中在２００－４００ｍ高底；低层大气的短波辐射加热率约为３．６℃／ｄ；空中测得的城市反射率平均为０．１     

中国大气有效辐射的气候学研究

根据ＥＲＢＥ的ＯＬＲ资料以及地表有效辐射气候计算资料，探讨了全国大气有效辐射与气温，大气含水量，总云量等因子的关系，以及纬度，拔海高度对它的影响，得出了大气有效辐射的气候计算式。分析了其在全国的分布，指出，１，７月和年平均大气有效辐射场大致为一不对称的鞍形场，其高值区分别位于东南沿海和西北内陆，青藏高原为主要低值区。     

利用MODTRAN3计算我国太阳直接辐射和散射辐射

根据光的多次散射理论－离散纵标法，利用我国国家一级辐射测站的大气廓线，计算出晴空大气观测波段不同高度上的太阳直接辐射和向下散射辐射。将模式输出的地面辐射值与地面辐射观测资料进行比较，对不同高度的太阳直接辐射和向下散辐射以及日变化进行了讨论。最终目的是直接由MODTRAN3计算我国辐射空白站的地面辐射值，以弥补我国辐射站稀少，时空分布短缺的不足。     

城市化对广西夏季海陆风影响的数值试验

利用2003—2006年观测资料分析了广西区夏季海陆风地面特征,并运用WRF模式模拟了2006年8月1—2日海陆风的结构,结果表明：使用修正后的城市下垫面试验模拟的海陆风强度和分布更接近实测,白天沿海城区为海风辐合带,与暴雨中心相对应;夜间北部湾海面为陆风的汇合区,易产生对流云团。城市化试验结果表明热岛效应加强了海风的发展,但削弱了陆风;同时热岛效应减缓了夜间城市上空大气的辐射冷却,使下沉运动相应减弱,从而抑制了逆温稳定发展的主要控制因子,逆温强度大幅度降低,但对逆温层高度影响不大。     

南海季风爆发前后辐射特征分析

利用“2000年南海海气通观测”项目现场观测的辐射资料分析了南海季风爆发前后南海太阳总辐射，海面反射辐射，大气长波辐射，海面长波辐射，净余辐射的日变化和逐日变化规律的实际事实，结果表明，季风爆发前后，云系增多云层增厚，对太阳总辐射，海面反射辐射，海洋和大气长波辐射均有显著的影响，季风爆发期间产生的大浪对海面反射辐射，洋面反射率影响很大，可导致两者的强度急剧增加。     

海风发展对模式初始场依赖的敏感性试验

本文建立了一个二维的中尺度静力模式，考虑了长短波辐射，湿凝结和土壤等物理因子，用六种典型的初始风场对海风发展作了敏感性试验，发现至少有一部分中尺度系统发生发展的结构与性质可以不依赖于初始场的中尺度特征，而是由局地中尺度强迫作用决定的。但是，中尺度系统的强度与位置仍然受初始场的影响。     

地气耦合系统中温湿变化的数值模拟

本文提出了计算地气耦合系统中温度和湿度变化的一维数值模式,在土壤中,利用热量平衡和水份平衡原理计算土壤温度和湿度,在大气中,考虑了长短波辐射、云量和凝结等因素对大气温湿变化的影响。选择一种代表性土壤对模式进行了检验,结果发现,模式能较好地模拟诸多物理量的日变化过程。计算表明,大气和土壤的初始温湿分布,对结果有较大影响。本文的原理可应用于大气环流模式中陆气相互作用过程的参数化。     

A Multi-layer Radiation Model for Urban Neighbourhoods with Trees

A neighbourhood-scale multi-layer urban canopy model of shortwave and longwave radiation exchange that explicitly includes the radiative effects of tall vegetation (trees) is presented. Tree foliage is permitted both between and above buildings, and mutual shading, emission and reflection between buildings and trees are included. The basic geometry is a two-dimensional canyon with leaf area density profiles and probabilistic variation of building height. Furthermore, the model accounts for three-dimensional path lengths through the foliage. Ray tracing determines the receipt of direct shortwave irradiance by building and foliage elements. View factors for longwave and shortwave diffuse radiation exchange are computed once at the start of the simulation using a Monte Carlo ray tracing approach; for subsequent model timesteps, matrix inversion rapidly solves infinite reflections and interception of emitted longwave between all elements. The model is designed to simulate any combination of shortwave and longwave radiation frequency bands, and to be portable to any neighbourhood-scale urban canopy geometry based on the urban canyon. Additionally, the model is sufficiently flexible to represent forest and forest-clearing scenarios. Model sensitivity tests demonstrate the model is robust and computationally feasible, and highlight the importance of vertical resolution to the performance of urban canopy radiation models. Full model evaluation is limited by the paucity of within-canyon radiation measurements in urban neighbourhoods with trees. Where appropriate model components are tested against analytic relations and results from an independent urban radiation transfer model. Furthermore, system response tests demonstrate the ability of the model to realistically distribute shortwave radiation among urban elements as a function of built form, solar angle and tree foliage height, density and clumping. Separate modelling of photosynthetically-active and near-infrared shortwave bands is shown to be important in some cases. Increased canyon height-to-width ratio and/or tree cover diminishes the net longwave radiation loss of individual canyon elements (e.g., floor, walls), but, notably, has little effect on the net longwave loss of the whole urban canopy. When combined with parametrizations for the impacts of trees on airflow and hydrological processes in the urban surface layer, the new radiation model extends the applicability of urban canopy models and permits more robust assessment of trees as tools to manage urban climate, air quality, human comfort and building energy loads.     

基于IASI双二氧化碳通道的一种不同高度云检测算法

利用红外高光谱探测仪（Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI）在二氧化碳吸收带的长短波红外通道对云反应程度的不同来探测云。依据不同通道的权重函数峰值高度和云不敏感层高度将IASI长短波红外通道进行配对,成功配对的长短波红外通道晴空亮温之间建立线性回归模型,即通过长波红外通道亮温可以线性回归得到配对的短波通道亮温,将短波通道的晴空回归亮温和观测亮温之差定义为云指数。权重函数峰值高度位于383 hPa的云指数空间分布和云成分为冰的空间分布较为一致,尤其在赤道和低纬度地区。权重函数峰值高度位于790 hPa的云指数空间分布和低云云顶气压也有较好的一致性。     

A Double-Canyon Radiation Scheme for Multi-Layer Urban Canopy Models

We develop a double-canyon radiation scheme (DCEP) for urban canopy models embedded in mesoscale numerical models based on the Building Effect Parametrization (BEP). The new scheme calculates the incoming and outgoing longwave and shortwave radiation for roof, wall and ground surfaces for an urban street canyon characterized by its street and building width, canyon length, and the building height distribution. The scheme introduces the radiative interaction of two neighbouring urban canyons allowing the full inclusion of roofs into the radiation exchange both inside the canyon and with the sky. In contrast to BEP, we also treat direct and diffuse shortwave radiation from the sky independently, thus allowing calculation of the effective parameters representing the urban diffuse and direct shortwave radiation budget inside the mesoscale model. Furthermore, we close the energy balance of incoming longwave and diffuse shortwave radiation from the sky, so that the new scheme is physically more consistent than the BEP scheme. Sensitivity tests show that these modifications are important for urban regions with a large variety of building heights. The evaluation against data from the Basel Urban Boundary Layer Experiment indicates a good performance of the DCEP when coupled with the regional weather and climate model COSMO-CLM.     

不同形状冰晶权重假定对冰云光学和辐射特性的影响

在BCC_RAD辐射传输模式和包含多形状冰晶粒子的冰云光学性质参数化方案的基础上,详细分析了不同冰晶粒子权重选取对冰云光学和辐射特性的影响。结果显示,不同形状冰晶粒子权重的选取对长波带平均消光系数、单次散射比、不对称因子和短波带平均不对称因子均有较大的影响。冰晶粒子权重选取对长波辐射通量有很大影响:对长波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达10.50 W/m2的差别;对长波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达15.05 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对短波辐射通量也存在较大影响:对短波向下辐射通量,权重选择不同可在云底处造成高达12.48 W/m2的差别;对短波向上辐射通量,权重选择不同可在云顶处造成高达10.23 W/m2的差别。冰晶粒子权重选择对长波加热率影响较大,在云顶处和云底处分别可达1.31和-2.06 K/d。研究表明,不同形状冰晶粒子权重的选取对冰云光学性质和辐射计算均有较大的影响,在长波区间尤其明显。      

RegCM4对中国东部区域气候模拟的辐射收支分析

利用卫星和再分析数据,评估了区域气候模式Reg CM4对中国东部地区辐射收支的基本模拟能力,重点关注地表净短波(SNS)、地表净长波(SNL)、大气顶净短波(TNS)、大气顶净长波(TNL)4个辐射分量。结果表明:1)短波辐射的误差值在夏季较大,而长波辐射的误差值在冬季较大。但各辐射分量模拟误差的空间分布在冬、夏季都有较好的一致性。2)对于地表辐射通量,SNS表现为正偏差(向下净短波偏多),在各分量中误差最大,区域平均误差值近50 W/m2;SNL表现为负偏差(向上净长波偏多);对于大气顶辐射通量,TNS和TNL分别表现为"北负南正"的误差分布和整体正偏差。3)利用空间相关和散点线性回归方法对4个辐射分量的模拟误差进行归因分析,发现在云量、地表反照率、地表温度三个直接影响因子中,云量模拟误差的贡献最大,中国东部地区云量模拟显著偏少。     

CMIP6与CMIP5对历史大气层顶和地表辐射收支模拟的时空对比

基于云和地球辐射能量系统观测数据集（CERES),对比分析了耦合模式比较计划第五（CMIP5）和第六阶段（CMIP6）模拟的历史大气层顶和地表辐射收支的年际变化和空间分布,明确了多模式间不确定性大的关键区域。结果表明：在年际尺度上,除地表向上长波辐射外,CMIP6的辐射分量的集合均值较CMIP5更接近于CERES观测值,全球地表向下短波辐射的高估和大气逆辐射的低估在CMIP6中分别降低了1.9 W/m²和3.3 W/m²。除大气逆辐射外,CMIP6的辐射分量在多模式间的一致性较CMIP5提高。在北极,CMIP6对大气层顶反射短波、大气层顶出射长波和地表向下短波辐射的模拟偏差较CMIP5大。在南北纬60°,CMIP6对大气逆辐射的模拟偏差较CMIP5大。其他区域CMIP6的辐射分量更接近CERES观测值。CMIP6模拟的地表向下短波辐射和大气逆辐射的不确定性较大区域面积较CMIP5减小,但不确定性极大区域面积无变化。地表净辐射的不确定性空间分布在两代CMIP间变化甚小。青藏高原、赤道太平洋、热带雨林、阿拉伯半岛和南极洲沿海依然是地球系统模式模拟辐射收支不确定性极大的关键区域。     

1984—2017年ISCCP-FH辐射资料在青藏高原地区的适用性评估

长序列卫星辐射资料的缺乏一直是制约青藏高原(以下简称高原)辐射长期变化研究的重要原因之一。对国际上最新提供的1984—2017年ISCCP-FH(以下简称FH)长序列卫星辐射资料中的大气顶逸出长波辐射(OLR)、到达地面短波辐射(SWD)、地面向上长波辐射(LWU)、到达地面长波辐射(LWD)进行分析,评估了FH辐射资料在全天气条件下的青藏高原地区的适用性。结果表明:与观测相比,FH资料的4种辐射通量气候平均值误差均小于5%,其中OLR和SWD的偏差较小,LWU的偏差最大。FH资料能正确反映高原各辐射通量的冬季增强趋势,OLR和LWD在各季节的长期变化趋势均与观测一致,LWU则呈现虚假的减弱趋势。总体来说,在高原地区,FH资料的地面短波辐射通量比长波辐射通量适用性好。进一步对长波辐射偏差原因分析显示,气温偏差会增强LWD的气候态和长期趋势,而地温偏差对LWU的作用与之相反。辐射模型、云和水汽的差异导致最终FH资料中的LWD气候态和长期趋势较观测略偏弱,FH资料的计算方案在一定程度上修正了地温偏差造成的LWU偏弱。研究结果将为使用FH辐射资料提供参考依据。     

城市气溶胶对边界层热量收支的影响

本文利用长、短波辐射模式和地面能量平衡模式，计算了烟雾层状况下的边界层和地面热量收支情况，计算表明，烟地务层的全天辐射效应使低层大气上部辐射能量收入为正，中下部辐射能量收入为负，总的结果是使低层大气稍稍冷却并使稳定增加，计算还表明，烟雾层造成的地面接收短波辐射能量的减少量可由大气逆辐射的增加量来补偿，烟雾层使得地面温度振幅变小。