IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究II·短波辐射方案的改进

在Version 2的基础上,对短波辐射方案进行进一步的改进:引入了新增非灰体气体吸收效应、冰晶粒子形状效应和尺度效应以及云的不均匀性效应(称为Version 3)。数值模拟试验结果表明:Version 3能更好地模拟出全球冬、夏季的降水场、海平面气压场及地表气温场的主要分布特征,并且能相当准确地反映出这几个场的季节性变化特征。Version 3对这3个场的模拟能力明显优于原版本(Version 1)。此外,它对东亚地区的季风降雨具有很好的模拟能力,能较好地反映东亚区域降水的季节性变化。可见,Version 3为进一步研究云-辐射相互作用提供了很好的模式基础。本工作还清楚地表明,模式的进一步发展必须进行对相关物理过程中各个因子的更精确刻画,只有这样,模式才能得到更好的模拟能力。     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅱ.短波辐射方案的改进

在Version 2的基础上,对短波辐射方案进行进一步的改进:引入了新增非灰体气体吸收效应、冰晶粒子形状效应和尺度效应以及云的不均匀性效应(称为Version 3).数值模拟试验结果表明:Version 3能更好地模拟出全球冬、夏季的降水场、海平面气压场及地表气温场的主要分布特征,并且能相当准确地反映出这几个场的季节性变化特征.Version 3对这3个场的模拟能力明显优于原版本(Version 1).此外,它对东亚地区的季风降雨具有很好的模拟能力,能较好地反映东亚区域降水的季节性变化.可见,Version 3为进一步研究云-辐射相互作用提供了很好的模式基础.本工作还清楚地表明,模式的进一步发展必须进行对相关物理过程中各个因子的更精确刻画,只有这样,模式才能得到更好的模拟能力.     

山西省层状云降水系统不均匀性分析

本文利用2009年6月18日DMT机载云物理探测系统对山西层状云的探测资料,分析云的宏微物理结构特征,发现山西省层状云降水系统存在不均匀性。     

回流天气系统层状云的非均匀性

利用一次回流天气过程的PMS资料,从微物理结构上对回流天气系统层状云的不均匀性进行了分析,发现飞机在进入较强降水云带时,云物理量(液水含量、云滴浓度、云滴平均直径,温度)等会产生剧烈变化,表现为液水含量跃增、云滴浓度快速增大、云滴谱谱宽拓宽、温度下降等,在同一较强云带中,温度变化不大并且比周围低,较强降水云带冰晶含量丰富,自然催化较好。     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究I·引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算。Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定。因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理。作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-II中,称为Version 2。对当代气候场的模拟结果表明,Version 2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础。     

热带大气平均环流的纬向不均匀性和Kelvin波的动力作用

本文利用一个包含Wave-CISK机制以及蒸发、感热与扰动风场的反馈机制，并引入实际的下垫面温度分布和海陆差异的热带大气模式，较好地模拟了低纬平均环流在风场、散度场及低层位势高度场上的纬向非均匀性。分析表明这种纬向非对称性是由于下垫面的热力非均匀性造成的强迫与大气内部的热力-动力反馈过程相互作用的结果。对热力强迫的响应形成了西太平洋暖水区上的西风和东太平洋上的东风，而对简化模式的解析分析说明，由于热力-动力反馈造成的Kelvin波的发展过程，可以解释平均东风强于西风的事实。     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅰ.引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算.Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定.因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理.作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-Ⅱ中,称为Version 2.对当代气候场的模拟结果表明,Version2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础.       

IAP9L AGCM中大气季节内振荡的时空特征

根据IAP9LAGCM10年积分850hPa纬向风的逐日输出结果,应用Morlet小波分析方法,研究了该模式中的大气季节内振荡(MJO),结果表明该模式能抓住热带MJO的基本时空特征,模式中MJO的显著周期为36天;另外还分析了16～64天重构信号的时间经度剖面图,发现该MJO为东传,这与实际较一致;最后用EOF方法分析了模式大气中850hPa5天平均速度势,揭示出该MJO在全球表现为行星尺度1波和2波的特征。     

多普勒雷达冰雹云回波的初步分析

针对贵阳2002年1－7月的11次冰雹天气过程，利用micaps资料和雷达回波资料，结合相关的天气背景及当日的大气环流形势，初步探讨了贵阳地区冰雹天气的物理机制，总结出其发展演变的规律。在分析雷达资料的过程中，发现新一代多普勒雷达（714CDN）在预警过程中，精度更高，预报更准确，起到了以前的数字化雷达无法实现的作用，进一步证实了新一代雷达的显著功效。     

中国地区云对太阳短波辐射吸收的研究

根据两种不同的方法（即直接法和斜率法）,对中国大陆地区有关云的异常吸收问题进行了初步的探讨,研究表明:我国大陆地区云辐射强迫比小于1.2;云对短波辐射的吸收西部要比东部小,但季节变化较东部略大;在青藏高原地区,文中得到的云辐射强迫比约为1.13。     

Modeling Study of Aerosol Indirect Effects on Global Climate with an AGCM

Aerosol indirect effects (AIEs) on global climate were quantitatively investigated by introducing aerosol-cloud interaction parameterizations for water stratus clouds into an AGCM (BCC AGCM2.0.1), which was developed by the National Climate Center of the China Meteorological Administration. The study yielded a global annual mean of -1.14 W m-2 for the first indirect radiative forcing (IRF), with an obvious seasonal change. In summer, large forcing mainly occurred in mid to high latitudes of the Northern Hem...     

飞机人工增雨的农业效益评估

利用催化剂线源扩散模式确定人工增雨作业后的目标区,并采用非随机活动对比区和目标区分层历史回归的方法估算作业效果。这评估增雨对农业的影响,利用自然降水对农作物产量贡献的积分回归,获得降水对农作物贡献系数。建立了每次人工增雨对主要农作物的经济效益模型。从而可根据增雨量对农作物产生的直接经济效益进行实时、动态、定量评估。     

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。     

Compensating Errors in Cloud Radiative and Physical Properties over the Southern Ocean in the CMIP6 Climate Models

The Southern Ocean is covered by a large amount of clouds with high cloud albedo. However, as reported by previous climate model intercomparison projects, underestimated cloudiness and overestimated absorption of solar radiation (ASR) over the Southern Ocean lead to substantial biases in climate sensitivity. The present study revisits this long-standing issue and explores the uncertainty sources in the latest CMIP6 models. We employ 10-year satellite observations to evaluate cloud radiative effect (CRE) and cloud physical properties in five CMIP6 models that provide comprehensive output of cloud, radiation, and aerosol. The simulated longwave, shortwave, and net CRE at the top of atmosphere in CMIP6 are comparable with the CERES satellite observations. Total cloud fraction (CF) is also reasonably simulated in CMIP6, but the comparison of liquid cloud fraction (LCF) reveals marked biases in spatial pattern and seasonal variations. The discrepancies between the CMIP6 models and the MODIS satellite observations become even larger in other cloud macro- and micro-physical properties, including liquid water path (LWP), cloud optical depth (COD), and cloud effective radius, as well as aerosol optical depth (AOD). However, the large underestimation of both LWP and cloud effective radius (regional means ~20% and 11%, respectively) results in relatively smaller bias in COD, and the impacts of the biases in COD and LCF also cancel out with each other, leaving CRE and ASR reasonably predicted in CMIP6. An error estimation framework is employed, and the different signs of the sensitivity errors and biases from CF and LWP corroborate the notions that there are compensating errors in the modeled shortwave CRE. Further correlation analyses of the geospatial patterns reveal that CF is the most relevant factor in determining CRE in observations, while the modeled CRE is too sensitive to LWP and COD. The relationships between cloud effective radius, LWP, and COD are also analyzed to explore the possible uncertainty sources in different models. Our study calls for more rigorous calibration of detailed cloud physical properties for future climate model development and climate projection.     

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.     

利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响

采用2002年1月、2月、7月、8月每日8～16时(北京时间)的GMS-5卫星云图资料以及相同时次的漠河和郑州两个辐射站的地面净辐射资料,通过读取红外1、红外2、水汽和可见光云图上的卫星计数值,并将卫星计数值按照GMS-5定标表转换成亮度温度和反射率,最终形成一套利用卫星资料研究云对地面净辐射影响的数据集。采用统计的方法将地面净辐射与影响地面净辐射的各因子：太阳天顶角、地面及云面反射率等有关因子进行拟合,发现地面净辐射与这些因子之间有很好的相关性,特别在引入卫星红外通道亮温值减水汽通道亮温值这一因子后,在有云状况下,拟合的相关系数有较明显的提高,原因可能是这一因子包含了云分类的信息,这一方法的提出为利用卫星资料研究云对地面净辐射的影响提出了一个新的思路。     

北京地区气溶胶光学厚度中长期变化特征

利用1977～1985年北京地区太阳直接辐射谱资料，分析获得了气溶胶光学厚度谱特性，使用PIS光谱仪从1993年3月到1995年3月，持续观测了北京地区晴天和少云天气的太阳直射光谱。得到了至今较为长期系统的城市大气气溶胶光学性能及特征。研究表明:（1）气溶胶光学厚度有春夏季大，秋冬季小的统计规律；（2）能见度分级后，同一能见度下气溶胶光学厚度各季节之间的差别大为减小，地面能见度对整层光学厚度表现出了较强的约束作用，文中给出了统计关系；（3）气溶胶光学厚度有逐年增高的趋势，1977年至1994年间增长了约三分之二。