利用多模传输理论求解块状云的辐射特征

实际云层在水平与垂直方向都是不均匀的,但为了便于计算,绝大多数关于云辐射的理论模式,都采用平面平行模式.到目前为止,解决三维空间辐射传输问题的方法仍然不多.一般采用统计方法和二流近似法,但这两种方法分别在计算机时和计算精度上受到限制.作者在三维多模传输理论与辐射传输计算程序软件包--DISORT的基础上,发展出计算三维孤立云块多次散射过程的一套程序(MM-DISORT),并由此初步探讨了云块的三维立体结构对云的短波吸收的影响.     

利用全天空可见光图像反演天空辐亮度

由中国科学院大气物理研究所LAGEO实验室研制和开发的地基全天空成像仪,可实现地基全天空自动化观测,文中首先对全天空成像仪仪器及性能进行介绍.辐亮度是气象科学研究中基础而重要的气象要素,而全天空成像仪记录的是可见光红、绿、蓝三波段辐射信息的灰度值图像,因而无法直接应用到气象研究中.为能够从灰度值图像中获取天空辐亮度信息,文中详细介绍了与亮度反演密切相关的几个重要标定实验,包括儿何标定、光学标定,以标定参数为基础并结合全天空仪器成像原理提出了一个由可见光灰度图像反演相对天空辐亮度分布的算式算法.文中还利用大气物理研究所香河观测站(39.75°N,116.96°E)同时观测的全天空成像仪以及CIMEL光度计所观测的天空辐亮度数据(440 nm波长),对该反演算式进行检验和比对,结果表明,所提出的算法进行天空辐亮度分布反演可行,该算法将灰度图像与天空辐亮度建立了联系,有利于观测图像数据与数值模式模拟工作的相互对比和验证,有利于观测图像数据在模式研究中的应用.     

不同侧边界条件下水平有限降水云的微波辐射模式研究

从空间微波遥感降水定量分布的目标出发，本文研究在非对称侧边界条件下水平有限降水云的微波辐射率的计算公式。由普适性三维辐射传输方程出发，推导出非对称横向边界条件下的微波辐射率解析表达式。用热带降水云典型参数所作初步数值试验表明，相对于对称侧边界条件非对称侧边界条件对于上行（卫星所测）辐射率具有不可忽略的作用，且这种作用对于不同的微波频率具有不同的强度，甚至有符号的差别。云的不均匀尺度越小，这种作用越强。由于热带降水大多具有高度非均匀对流云带状或云团结构，本文所发展的模式将对微波遥感这类降雨定量分布发挥重要作     

一个三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式

建立了一个可靠和较高计算效率的三维Monte-Carlo地气耦合辐射传输模式(3DMC).该模式在光子释放和定位、地气耦合、辐射率高分辨模拟计算和计算效率等方面有所发展.     

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。     

用云和辐射传输模式研究对流性降水云微物理及辐射特性

利用中国气象科学研究院的三维对流云模式模拟了 1 998年发生在我国武汉地区的特大暴雨过程中的对流云。在模拟云的成熟阶段 ,模拟结果和地面最大降水量实况及热带测雨卫星TRMM (TropicalRainfallMeasureMission)的降水雷达PR(Pre cipitationRadar)的零度层高度和降水粒子达到的高度较接近。将该云物理模式的输出结果输入到Liu的三维辐射模式的输入场 ,模拟了以TRMM的微波成像仪TMI(TRMMMicrowaveImager)的扫描角为入射角 ,频率为 85 5GHz和 37 0GHz的星载微波辐射仪接受到的亮温 ,模拟的结果表明云中各微物理量的分布对上行微波辐射的影响较大。     

利用全天空数字图像对北京上空云况分布特征的试验分析

利用最新获取的近两年北京上空全天空数字图像资料对云况分布做统计分析,以获得云的分布特征。工作中将图像分为9个扇区和16个环区分别进行分析,从结果看,无云(云量<1)与全天空有云天气(云量>9)情况明显占优,平均各占总量的36%,46%。除去系统误差及计算所带来的误差发现,两年中北京上空多以晴好天气(包含薄卷云)和阴天为主。上空西北部云的分布略显偏多,头顶上空云的出现概率较其他位置低,并有随天顶角增大概率增大的趋势。     

不同辐射传输方案对中尺度降水影响的对比分析

在MM5非静力稳定中尺度气象模式中引进了建立在δ-4流近似和相关-k分布基础上的对云水、雨水、冰晶和霰的辐射特性进行详细描述的辐射传输方案。新建立的辐射传输方案和MM5中原有的辐射传输方案在华南暴雨中的模拟结果相互比较,并与天气实况的对比表明：辐射在中尺度暴雨中起着重要的作用;辐射传输方案对云辐射特性描述的准确程度对于地面降水影响是明显的;不同的辐射传输方案对地面降水的影响存在较大的差异,并且这些差异在白天比在夜间明显;辐射传输过程对地面降水影响的差异主要表现在降水中心上,而对降水的地理分布改变很小;相对而言,不同的辐射传输方案之间对短波描述的差异对地面降水的影响明显,而对长波描述差异的影响不大;新辐射传输方案能够在一定程度上改进MM5对中尺度降水的模拟能力。     

云、辐射对中期数值预报影响的数值试验

在国家气象中心引进的EC-T42L9谱模式的基础上，用模式诊断云和模式水汽场（以下简称B方法）代替其中计算辐射时所用的纬向平均的气候云和气候水汽场（以下简称A方法），并减少垂直层以节省计算量，从而发展了一个T42L5谱模式。此外，在计算云和辐射时，还设计了方法C，调整云和辐射计算的“时空”分辩率。该文利用改进的T42L5谱模式，并以EC的1982年7月1日12时（UTC）的客观分析为初始场，进行了A、B、C三种方法的5天中期数值预报试验，较系统地研究了云和辐射在中期数值预报中的作用。数值试验的结果表明:（     

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。     

Four-stream Radiative Transfer Parameterization Scheme in a Land Surface Process Model

Accurate estimates of albedos are required in climate modeling. Accurate and simple schemes for radiative transfer within canopy are required for these estimates, but severe limitations exist. This paper developed a four-stream solar radiative transfer model and coupled it with a land surface process model. The radiative model uses a four-stream approximation method as in the atmosphere to obtain analytic solutions of the basic equation of canopy radiative transfer. As an analytical model, the four-stream radiative transfer model can be easily applied efficiently to improve the parameterization of land surface radiation in climate models. Our four-stream solar radiative transfer model is based on a two-stream short wave radiative transfer model. It can simulate short wave solar radiative transfer within canopy according to the relevant theory in the atmosphere. Each parameter of the basic radiative transfer equation of canopy has special geometry and optical characters of leaves or canopy. The upward or downward radiative fluxes are related to the diffuse phase function, the G-function, leaf reflectivity and transmission, leaf area index, and the solar angle of the incident beam. The four-stream simulation is compared with that of the two-stream model. The four-stream model is proved successful through its consistent modeling of canopy albedo at any solar incident angle. In order to compare and find differences between the results predicted by the four- and two-stream models, a number of numerical experiments are performed through examining the effects of different leaf area indices, leaf angle distributions, optical properties of leaves, and ground surface conditions on the canopy albedo. Parallel experiments show that the canopy albedos predicted by the two models differ significantly when the leaf angle distribution is spherical and vertical. The results also show that the difference is particularly great for different incident solar beams. One additional experiment is carried out to evaluate the simulations of the BATS land surface model coupled with the two- and four-stream radiative transfer models. Station observations in 1998 are used for comparison. The results indicate that the simulation of BATS coupled with the four-stream model is the best because the surface absorbed solar radiation from the four-stream model is the closest to the observation.     

青海秋季对流云降水及催化过程数值模拟研究

利用CAMS三维对流云模式和青海省河南县秋季外场试验取得的资料，对自然云的发展演变过程进行了数值模拟试验。进一步就催化时间、催化剂量对增雨效果的影响进行了数值试验。结果表明，该地区秋季对流云降水主要为冷云降水，冰晶是霰产生的主要来源，冰霰自动转化是霰产生的最主要方式，冰晶与霰的碰并又促进了霰的进一步增长，霰是云中过冷水消耗的主要因素。人工播撒催化剂应在冰核活化过程大量开始以前进行，以达到增加冰晶浓度，消耗过冷云水，从而增加降水的目的。     

飑线型降水云微波辐射特性的数值研究

本文将三维云的微物理模式的输出作为三维辐射传输模式的输入，对降水云的微波上行辐射率同地球物理参数间的关系进行了初步研究。在侧边界条件不对称的情况下，如果不考虑实际存在的云间相互辐射作用而模拟降水云的上行辐射率时，模拟出的亮温在低频段将低估卫星上测到的亮温值；在高频段则依降水云上层含冰量的大小而异，即在降水云上层含冰量小的区域，将低估星上测到的亮温，且低估的幅度较低频通道的大，而在降水云上层含冰量大的区域，可能高估星上测到的亮温，但高估的幅度较小。     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

Cloud Radiative Effects and Changes Simulated by the Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 Models

Using 32 CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) models, this study examines the veracity in the simulation of cloud amount and their radiative effects(CREs) in the historical run driven by observed external radiative forcing for 1850–2005, and their future changes in the RCP(Representative Concentration Pathway) 4.5 scenario runs for2006–2100. Validation metrics for the historical run are designed to examine the accuracy in the representation of spatial patterns for climatological mean, and annual and interannual variations of clouds and CREs. The models show large spread in the simulation of cloud amounts, specifically in the low cloud amount. The observed relationship between cloud amount and the controlling large-scale environment are also reproduced diversely by various models. Based on the validation metrics,four models—ACCESS1.0, ACCESS1.3, Had GEM2-CC, and Had GEM2-ES—are selected as best models, and the average of the four models performs more skillfully than the multimodel ensemble average.All models project global-mean SST warming at the increase of the greenhouse gases, but the magnitude varies across the simulations between 1 and 2 K, which is largely attributable to the difference in the change of cloud amount and distribution. The models that simulate more SST warming show a greater increase in the net CRE due to reduced low cloud and increased incoming shortwave radiation, particularly over the regions of marine boundary layer in the subtropics. Selected best-performing models project a significant reduction in global-mean cloud amount of about-0.99% K~(-1)and net radiative warming of 0.46 W m~(-2)K~(-1), suggesting a role of positive feedback to global warming.     

对流性降水云辐射特性研究

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式,对2002年7月22～23日发生在湖北宜昌附近一次中尺度强降水过程中的强降水中心的对流性降水云的微波辐射特性进行了模拟,模拟结果表明：MM5模式可以较好地模拟此次降水过程;云中各微物理量的含量和分布对上行微波辐射亮温有重要影响;就物理方法而言,选用适当的云廓线,是利用微波信息反演降水的关键。     

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...