基于MCARaTS模式的三维云辐射通量模拟分析

云通过辐射反馈机制影响着云系的演变过程,对天气和气候系统起重要的调节作用。目前在研究辐射传输问题时普遍采用基于一维平面平行辐射传输的独立柱近似方法,忽略水平云大气柱之间的辐射传输过程,无法考虑三维云辐射效应,由此造成偏差可能影响天气和气候预报的准确性。为此,该文基于Linux系统,采用MCARaTS模式,基于大涡模拟的大气和地表光学性质参数,通过模拟光子随机路径,得到0.67 μm、2.13 μm、11 μm 3个波段下三维蒙特卡罗辐射传输和独立柱近似的向上反射和向下透射的三维辐射通量以及大气加热率空间分布场,通过Matlab进行数据预处理和图表绘制。三维辐射传输模式考虑了在水平方向上的光子传输,得出的辐射场具有真实的三维辐射现象,比独立柱近似模拟结果具有更高的准确性。     

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     

中国东部大气温湿廓线特征及其对辐射收支计算影响的分析

辐射平衡是气候决定性因素之一, 温湿廓线对辐射计算有重要影响。利用中国东部地区1960—2008年74个探空站资料, 将SBDART（Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer）辐射传输模式自带的大气温湿廓线和探空测得的实际大气温湿廓线进行对比, 并代入SBDART模式中, 分别计算晴空条件下不同温湿廓线对辐射通量的影响。结果表明:（1）中国东部地区的大气温湿廓线有明显的区域和季节特点;（2）模式地面向下辐射通量与实际相比有较明显差异, 尤其是在东北地区的冬季、中东部地区的夏季和华南地区的冬季, 差值达20—35 W/m2, 相对误差达2.01%—3.18%;（3）在东北地区的冬季、中东部地区的冬季以及华南地区的夏、冬季, 模式计算的大气顶向上辐射通量与实际相比差值达10—22 W/m2, 相对误差可达3.67%—8.94%;（4）模式与实际辐射加热率的差值在0.03—0.29 K/d。研究表明, 模式自带的大气温湿廓线区域和季节划分并不够细致, 不足以代表中国东部地区各个区域及季节的温湿特点。建立一套中国东部地区的大气标准廓线可以为辐射模拟提供更准确的输入量。      

三维辐射传输模式分析非均匀云对天空辐射场影响

为了解非均匀分立云体分布状况下的天空辐射场与无云晴空辐射场的差异, 本文借助一个三维辐射传输数值模式SHDOM模拟了离散云块分布条件下的天空辐射场分布, 重点分析不同云况分布情况下“非云”大气的辐射分布特征, 并将该区域与无云晴空大气辐射场的相同区域进行了比对。工作主要从辐亮度以及450 nm/650 nm的辐射比两参数入手进行讨论。研究发现, 相对无云晴空大气, 云的存在会对周围“非云”大气散射辐射产生影响, 影响程度与云量、云及气溶胶光学厚度等参数相关。数值模拟结果表明, 在云量不太大的条件下, 无云视场空间的大部分辐射值与无云晴空相比变化很小, 集中在±2％之间。这一结果表明, 已有的一维均匀大气辐射传输模式运算结果所得云与非云相元的判据基本适用于非均匀分布的有云大气。另一方面, 模拟结果表明我们也完全可以利用非均匀有云大气中的无云视场观测结果进行大气气溶胶等晴空大气光学特征的探测研究。     

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。     

中国地区对流参数化加热廓线的分析研究和数值试验

为了使MM4模式在我国范围内得到很好的应用,需用我国的气候资料对MM4模式中的对流加热参数进行统计分析,以适应我国各地区气候状态。为此,本文选取了1990～1993年6～8月的常规探空资料,采用郭氏的对流参数化方案,放宽假设后直接计算求得各站点各时次的对流加热率参数,再按气象站的站区分区进行统计。结果表明：黄河以南地区,对流云上、下部的垂直加热率比较均匀,加热廓线峰值偏低,为σ=0.65～0.80,对流云顶也比较高。黄河以北地区,对流云中的垂直加热率分布不均,加热集中在某一层上,加热廓线峰值出现在σ=0.     

地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究

讨论了12通道地基微波辐射计遥感反演温度、相对湿度和云液态水廓线的BP神经网络反演方法,利用探空资料,对北京春、夏、秋、冬四个季节的大气廓线进行神经网络训练,并对训练好的网络的反演能力进行数值检验,分析了反演精度;对北京南郊观象台12通道微波辐射计的观测亮温资料进行实际反演,结果表明,神经网络(BPNN)反演的廓线与微波辐射计自带RadiomeNN的相比更加接近实际。     

平流层臭氧变化对大气加热率及到达地面紫外辐射的影响

平流层臭氧的变化对平流层的温度结构，整个大气环流以及到达地面的紫外辐射均有影响。本文采用一个计算臭氧吸收太阳辐射的参数化方法和有关资料，研究了臭氧变化对大气最大加热率和到达地面的紫外辐射通量密度的影响情况。文中给出的参数化方法可直接应用于大气环流模式计算臭氧吸收太阳辐射的加热率。     

中国沙漠沙尘气溶胶对沙漠源区及北太平洋地区大气辐射加热的影响

针对2001年春季中国沙漠和北太平洋上空沙尘气溶胶的空间分布情况,利用辐射传输模式,分别计算了沙尘气溶胶对沙漠和海洋大气的辐射加热（冷却）率,并讨论了低云、中云、高云对辐射加热率的影响。结果表明:春季,位于中国沙漠和太平洋上空的沙尘层对大气具有明显的加热作用。当沙漠上空光学厚度为1.0,海洋上空光学厚度为0.3时,取春季平均太阳高度角,沙尘层对应的净辐射加热率分别为2.8 K/d和0.4 K/d。由于WMO推荐的沙尘模型比东亚沙尘模型对太阳辐射吸收强,采用该模型计算得到的中国沙漠和海洋上空的加热率比采用东亚沙尘模型分别高1.5 K/d和0.2 K/d。沙尘对大气的加热率很大程度上依赖于沙尘的大气载荷。这种依赖性首先受太阳高度角的影响, 其次也受地表反照率的影响。云对沙尘层辐射加热（冷却）率的影响与云的高度和厚度有关。低云能够加热沙漠和海洋上空的沙尘大气,冷却地面和洋面。中、高云冷却沙漠上空的沙尘层。在海洋上空,中云对云层以上的沙尘层有加热作用,对云层以下的沙尘层有冷却作用。高云对海洋上空沙尘层的辐射加热（冷却）率的影响比较小,加热还是冷却,取决于云的厚度,当云层较薄时,加热沙尘层,而当云层较厚的时候,有可能冷却沙尘层。     

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。     

中国地区夏季平均加热率的时空分布特征

The latitude-altitude distributions of radiative fluxes and heating rates are investigated by utilizing CloudSat satellite data over China during summer. The Tibetan Plateau causes the downward shortwave fluxes of the lower atmosphere over central China to be smaller than the fluxes over southern and northern China by generating more clouds. The existence of a larger quantity of clouds over central China reflects a greater amount of solar radiation back into space. The vertical gradients of upward shortwave radiative fluxes in the atmosphere below 8 km are greater than those above 8 km. The latitudinal-altitude distributions of downward longwave radiative fluxes show a slantwise decreasing trend from low latitudes to high latitudes that gradually weaken in the downward direction. The upward longwave radiative fluxes also weaken in the upward direction but with larger gradients. The maximum heating rates by solar radiation and cooling rates by longwave infrared radiation are located over 28-40°N at 7-8 km mean sea level (MSL), and they are larger than the rates in the northern and southern regions. The heating and cooling rates match well both vertically and geographically.     

兰州地区高云和气溶胶光学特性及其辐射效应

利用激光雷达探测分析了兰州上空的高云与气溶胶的光学参数,并用LOWTRAN7定量模拟出高云对气溶胶辐射特性的影响。结果表明,消光系数廓线与相对湿度廓线随高度的变化一致性较好,气溶胶层主要在2km以下,低层气溶胶和高云的消光系数和相对湿度较大。白天,高云的存在使云下气溶胶短波加热率减小。有云和无云时气溶胶加热率的差别在地表处最为明显,中午前后差别较大,最大为11:00的0.096K.h-1。夜间,高云的存在使云下气溶胶长波冷却率减小,在1000m以下有云和无云时气溶胶冷却率的差别小,在1000m以上差别大,最大差别出现在1500m处(02:00～04:00),为0.033K.h-1。     

LASG/IAP和BCC大气环流模式模拟的云辐射强迫之比较

通过与ISCCP (International Satellite Cloud Climatology Project)逐月辐射资料的比较,本文从气候态和对ENSO响应的角度,评估了国内的三个大气环流模式BCC AGCM、IAP GAMIL和IAP SAMIL对云辐射强迫的模拟能力,讨论了影响模拟结果不确定性的因素.分...     

A Preliminary Evaluation of Global and East Asian Cloud Radiative Effects in Reanalyses

Cloud radiative effects(CREs) at the top of the atmosphere(TOA) in three reanalysis datasets(the European Center for Medium-Range Weather Forecasts Interim Reanalysis(ERA-Interim), the Japanese 55-yr Reanalysis Project(JRA-55), and the Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications(MERRA)) are evaluated using recent satellite-based observations. The reanalyses can basically capture the spatial pattern of the annual mean shortwave CRE, but the global mean longwave CRE in ERA-Interim and JRA55 is weaker than observed, leading to overestimations of the net CRE. Moreover, distinct CRE biases of the reanalyses occur in the Intertropical Convergence Zone(ITCZ), coastal Pacific and Atlantic regions, and East Asia. Quantitative examination further indicates that the spatial correlations of CREs and TOA upward radiation fluxes with corresponding observations in ERA-Interim are better than in the other two reanalyses. Although MERRA has certain abilities in producing the magnitudes of global mean CREs, its performance in terms of spatial correlations in winter and summer are worse than for the other two reanalyses. The ability of JRA55 in reflecting CREs lies between the other two datasets. Compared to the global mean results, the spatial correlations of shortwave CRE in East Asia decrease and the biases of regional mean CREs increase in the three reanalyses. This implies that, currently, it is still difficult to reproduce East Asian CREs based on these reanalyses. Relatively, ERA-Interim describes the seasonal variation of East Asian CREs well, albeit weaker than observed. The present study also suggests that in-depth exploration of the ability of reanalysis data to describe aspects relating to cloud properties and radiation is needed using more comprehensive observations.     

一次对流云团过程结构特征的观测和模拟研究

为了解2015年8月22日发生在北京东部的一次对流云团的生消演变过程及微物理特征,使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度云分辨模式对此次过程进行数值模拟。由于研究的对流云团尺度较小,对时空分辨率要求较高,把LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析和预报系统同化多源观测资料后输出的高分辨率的中尺度分析场作为模式的初始场。将模拟结果与FY-2F卫星、北京SA波段多普勒天气雷达、地面雨量站等观测资料进行对比分析。同时,研究了对流云团中的微物理含量分布,深入分析此次过程的降水机制。结果表明:模式能够较好地模拟出对流云团在生成、发展、成熟和消散的四个不同阶段的演变规律,整个对流云系的发展持续4 h左右,对北京有直接影响的对流单体的生命时长在1 h左右;模拟的自然云云带分布和演变规律、小尺度云团的尺度、位置、形状和垂直结构都与观测资料有较好的一致性;模式也能模拟出降水落区和量级及强中心的位置。此次对流云过程主要为冷暖混合云系结构,云中过冷水丰沛,降水机制以冷云降水为主,暖区供水云对降水的发展有促进作用,霰融化为雨滴是主要的成雨过程。     

Data-driven Estimation of Cloud Effects on Surface Irradiance at Xianghe,a Suburban Site on the North China Plain

Clouds are a dominant modulator of the energy budget. The cloud shortwave radiative effect at the surface (CRE) is closely related to the cloud macro- and micro-physical properties. Systematic observation of surface irradiance and cloud properties are needed to narrow uncertainties in CRE. In this study, 1-min irradiance and Total Sky Imager measurements from 2005 to 2009 at Xianghe in North China Plain are used to estimate cloud types, evaluate cloud fraction (CF), and quantify the sensitivities of surface irradiance with respect to changes in CF whether clouds obscure the sun or not. The annual mean CF is 0.50, further noting that CF exhibits a distinct seasonal variation, with a minimum in winter (0.37) and maximum in summer (0.68). Cumulus occurs more frequently in summer (32%), which is close to the sum of the occurrence of stratus and cirrus. The annual CRE is –54.4 W m^–2, with seasonal values ranging from –29.5 W m^–2 in winter and –78.2 W m^–2 in summer. When clouds do not obscure the sun, CF is a dominant factor affecting diffuse irradiance, which in turn affects global irradiance. There is a positive linear relationship between CF and CRE under sun-unobscured conditions, the mean sensitivity of CRE for each CF 0.1 increase is about 1.2 W m^–2 [79.5° < SZA (Solar Zenith Angle) < 80.5°] to 7.0 W m^–2 (29.5° < SZA < 30.5°). When clouds obscure the sun, CF affects both direct and diffuse irradiance, resulting in a non-linear relationship between CF and CRE, and the slope decreases with increasing CF. It should be noted that, although only data at Xianghe is used in this study, our results are representative of neighboring areas, including most parts of the North China Plain.