数值模式中长波辐射参数化方案的对比试验

应用一个简化的长波辐射参数方案，与郭晓岚－钱永甫模式原有长波辐射参数化方案进行了对比，分析了它们对１００ｈＰａ，３００ｈＰａ，５００ｈＰａ，７００ｈＰａ及地面的高度场、温度场、流场及气压场模拟结果的影响，发现不仅两者结果相当一致，而且与实测结果也符合很好。     

青藏高原地表长波辐射参数化及其气候计算

根据１９８２年８月至１９８３年７月青藏高原辐射平衡资料，详细讨论了该地区活动面温度与地表温度的关系，提出了两种计算地表长波辐射的参数化方法Ｕ＝ｋδσ（Ｔ０＋２７３）＾４和Ｕ＝δσ［（Ｔ０＋２７３）＋ΔＴ］＾４。经反演检验，两式的拟合精度相同（均为３．６％），并适用于作瞬时和平均通量密度计算，文中还就ｋ、ΔＴ的日、年变化作了分析，计算并讨论了青藏高原地表长波辐射的气候特征。     

从FY-4静止气象卫星估算晴空地表下行长波辐射通量的反演模式

通过红外辐射传输模拟,计算了446183条全球晴空大气廓线的地表下行长波辐射通量以及FY-4成像仪通道亮温,应用统计回归分析模拟结果,建立了通道亮温与低层大气有效辐射温度的回归关系、大气柱总可降水量与低层大气比辐射率的回归关系,依据黑体辐射定律建立了由卫星观测估算地表下行长波辐射通量的反演模式。初步地,模式应用于FY-4成像仪代理资料Meteosat-8卫星的SEVIRI（Spring Enhanced Visible and Infared Imager）仪器观测数据,估算了2006年8月1日00:00（协调世界时,下同）、06:00、12:00、18:00地理范围在（45°S～45°N,45°W～45°E）的地表下行长波辐射通量,结果与用ECMWF 6 h预报场资料经验计算的通量相比,系统均方根误差（RMS）依次为12.1、13.0、20.7、12.5 W/m2,相关系数分别为0.9256、0.9291、0.9042、0.9325,相比于GOES-R同类产品（RMS=13.7 W/m2）,这一直接把卫星通道亮温与低层大气温度相联系的反演模式,其精度性能达到了应用研究对其反演产品的质量要求。     

从Himawari08卫星估算晴空地表长波辐射及其日变化特征初探

通过446183条全球晴空大气廓线的红外辐射传输模拟和统计回归,建立了由Himawari08成像仪通道遥测数据估算晴空地表上行、下行长波辐射通量的反演模式,模式应用于成像仪观测资料,处理出晴空地表上行、下行长波辐射通量实时产品,2016年2~6月的产品精度验证试验结果为:与相同时刻的AQUA卫星CERES仪器同类产品相比,地表上行通量均方根误差R_e=7.9 W/m2,相关系数R=0.9399,地表下行通量R_e=14.5 W/m2,R=0.9586;与由中国地面气象站地面气温和相对湿度观测经Brunt、Brutsaert经验公式计算的实时地表下行长波辐射通量相比,R_e=15.34 W/m2,R=0.8786;与用陆表温度计算的地表上行长波辐射通量相比,R_e=12.6 W/m2,R=0.9977。研究了2016年2、6月的晴空地表长波辐射产品,发现陆地晴空上、下行通量有着与太阳加热地表增温相应的明显日变化特征,峰值出现在12:00（当地时间,下同）至14:00,低谷出现在04:00至07:00,下行通量与上行通量几乎同步变化或约有延时,陆地上2个通量归一化的日变化指数类似一个半正弦曲线,而海面长波辐射通量则没有明显的日变化规律。     

NASA/Goddard长波辐射方案在GRAPES_Meso模式中的应用研究

本文将NASA（National Aeronautics and Space Administration）/Goddard长波辐射方案引入到GRAPES_ Meso（Global/Regional Assimilation and PrEdiction System_Meso）模式中,对2006年4月中国地区进行了一个月的模拟试验,并与相应的NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析资料进行了对比分析。试验结果表明:在模拟区域内,使用GRAPES_Meso模式进行24 h、48 h预报得到的晴空大气顶向外长波辐射通量（the clear sky outgoing longwave radiation flux,OLRC）、地面接收到向下长波辐射通量（the clear sky downward longwave radiation flux at ground,GLWC）分布形势与NCEP再分析资料具有较好的对应关系;模式预报24 h、48 h OLRC和NCEP再分析资料月平均误差百分比控制在－10%～＋10%以内,GLWC月平均误差百分比比OLRC略大,但总体上两者误差都在合理和可接受范围之内。OLRC和GLWC 24 h、48 h的预报和NCEP再分析资料的逐日距平相关系数及标准误差的对比显示,模式24 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.96、0.98,标准误差月平均值分别为24.54 W m-2、27.23 W m-2;模式48 h预报OLRC、GLWC的距平相关系数月平均值分别为0.9521、0.9804,标准误差月平均值分别为22.43 W m-2、27.64 W m-2。总体上,模式24 h、48 h预报OLRC和GLWC的距平相关系数都在0.93以上,标准误差都在31 W m-2以内,且GLWC预报和NCEP再分析资料的相关性比OLRC略好,OLRC预报与NCEP再分析资料的的标准误差比GLWC略小。通过和RRTM长波辐射方案对比可知,两者的预报水平基本一致。本文研究结果表明,引入NASA/Goddard长波辐射方案后的GRAPES_Meso模式整体上能够较好地预报OLRC和GLWC,该辐射方案可以作为模式GRAPES_Meso的备选辐射方案之一。     

长波辐射对大气变化的敏感性和在WRF模式中的应用检验

用RRTM长波辐射 (LWR)参数化方案测试了LWR对大气变化的敏感性。结果表明 :高云对向外长波辐射(OLR)、30 0和 5 0 0hPa净LWR通量的减弱作用较中、低云大 ;低云对 85 0hPa和地表净LWR通量的减弱作用较中、高云大。在云层中 ,LWR冷却率受云影响最大 ;在云层下方 ,云对LWR的影响迅速减小 ;而在云层上方 ,冷却率几乎不受云的影响。当水汽含量减少或增加时 ,地表向下LWR受到相应减弱或增强 ,而净LWR则在一定程度上受到相应增强或减弱 ,并且越接近地面 ,受到水汽变化的影响就越大。O3 对LWR的影响相对云和水汽来说是比较小的。文中介绍了在WRF模式中应用RRTM方案预报LWR不同季节的 2个个例 ,给出了应用NCEP/AVN分析资料预报和验证中国范围 2d之内LWR通量的模拟结果。试验表明 ,OLR和 5 0 0hPa净LWR通量与高度形势场有较好的对应关系 ,而地表净LWR很大程度上还受到地形的影响。     

高寒草原地区边界层参数化方案的适用性评估

为了验证中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案对青藏高原地区高寒草原均匀下垫面的适用性,选取4种不同的边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、ACM2和BouLac),分别在青藏高原东部玛曲地区进行了高分辨率的数值模拟,借助中国科学院寒区旱区环境与工程研究所若尔盖高原湿地生态系统研究站观测资料,对典型晴天条件下近地层温度、辐射收支、地表能量以及边界层结构特征进行了相互比较分析,评估了不同边界层参数化方案的模拟差异.结果表明,对于近地层温度,白天不同方案的模拟值与观测值差异不明显,夜间MYNN2.5方案更偏离观测值,而其余方案的模拟差异不大;相对短波辐射,长波辐射过程更易受边界层参数化方案的影响;对于地表热通量,非局地闭合方案的模拟值相对湍流动能TKE闭合方案更接近观测值;对于净辐射通量、感热通量和潜热通量,MYNN2.5方案的模拟要优于其他3种方案;不同边界层参数化方案均模拟出了白天超绝热层以及夜间逆温、逆湿现象,但不同方案对边界层结构的模拟仍然存在一些差异.     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

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。     

SAMIL大气环流模式海面湍流通量参数化方案研究

将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大气环流谱模式SAMIL_R42L26 2.08中的海气通量参数化方案——Louis方案, 与新发展的一种新型近海层湍流通量参数化方案——LGLC方案进行比较和分析。离线测试结果表明, LGLC方案计算的通量结果与观测数据具有更好的一致性, 且由于其区分热力粗糙度和动力粗糙度, 使得对热量通量的计算更加准确。在线测试则证明, 引入LGLC方案的SAMIL模式对洋面风应力、 感热通量、 潜热通量和降水率的模拟能力有了进一步的提高, 尤其对北半球夏季印度季风和南海季风区的降水改善明显。     

夏季西藏4个站点大气向下长波辐射观测分析

对2011—2016年部分夏季时段分别在西藏那曲、拉萨、林芝和阿里观测的大气向下长波辐射（L_↓）进行分析,结果显示:L_↓具有明显的日变化,最大值出现在北京时间15:00前后,而最低值出现在凌晨至10:00,日平均值林芝最高（368 W·m-2）,其次是拉萨（319 W·m-2）、阿里（305 W·m-2）和那曲（299 W·m-2）。晴天L_↓ ?ngstr?m（1915）的经验公式最适合林芝,而Konzelmann（1994）的公式则适合那曲、拉萨和阿里;随着人工观测总云量的增加,L_↓增强趋势明显,满云（云量7~10成）情形4个站点云增强效应均从20 W·m-2上升至50 W·m-2以上,低云量对L_↓的增强效应明显高于总云量。云份额数（C_F）上升所对应天顶方向平均云底高度下降,但云增强效应上升。在晴天（C_F为-5%~5%、平均云底高度大于4 km）时,云增强效应仅为5 W·m-2左右（林芝接近20 W·m-2）,但当C_F为90%以上（云底高度小于3.5 km）时,云增强效应则上升到60 W·m-2（林芝接近50 W·m-2）。固定云底高度,C_F与L_↓云增强效应呈显著相关（r2为0.91~0.97）,远高于云底高度与L_↓云增强效应的相关（r2为0.32~0.58）。     

从FY-4A卫星遥感数据和GFS资料估算全天空状况下的地表长波辐射通量

本文介绍一种利用FY-4A成像仪遥感数据和全球预报系统(GFS)资料估算全天空地表长波辐射通量的反演方法。该方法通过辐射传输模拟和统计回归计算建立云天地表下行长波辐射通量的反演模式,并基于GFS资料处理云覆盖地区的地表上、下行长波辐射通量。这种全天空状况下两种通量的反演结合了FY-4A晴空地表长波辐射业务产品和本文反演模式处理的云天地表上、下行长波辐射通量。2018年9月1日的处理结果与Aqua/CERES同类产品相对比,精度为:RMSE=20.52 W·m^-2,R=0.9481,Bias=3.3 W·m^-2(夜间地表下行辐射通量对比);RMSE=25.58 W·m^-2,R=0.9096,Bias=5.4 W·m^-2(白天地表下行辐射通量对比);RMSE=10.97 W·m^-2,R=0.9762,Bias=-3.3 W·m^-2(夜间地表上行辐射通量对比);RMSE=19.97 W·m^-2,R=0.9283,Bias=5.0 W·m^-2(白天地表上行辐射通量对比)。这些结果表明本文发展的方法能够反演出精度较好的云天上下行长波辐射通量资料,为今后利用FY-4后续星处理生成全天空状况下的地表长波辐射通量产品奠定了理论基础。     

我国住宅区日照标准下墙面晴天太阳辐射分析

为研究我国不同地区住宅通过垂直墙面上的窗口实际接受到的太阳辐射量空间分布特征,以卡斯特洛夫公式为基础,建立了各朝向墙面晴天太阳总辐射和直接辐射小时总量的计算方案。使用水汽压和海拔高度拟合了公式中的参数,计算了我国各地满足国家标准对住宅间距要求下的水平面和垂直墙面辐射量,并绘制了分布图。研究发现:大寒日各朝向墙面晴天最大2 h辐射量空间分布受纬度和大气透明度共同影响,青藏高原为全国高值中心,川黔地区为低值中心。在我国东部地区,与水平面辐射量随纬度增加而降低的规律相反,同样是辐射量最大的2 h日照时间,纬度越高的地区南墙面接受的太阳辐射量就越大。与南墙相比,东、西墙面接收的最大2 h辐射量明显偏小,不能发挥阳光对健康和卫生的作用。上述结果表明,从大寒日建筑底层南墙面接收的最大2 h辐射量上看,适当放宽北方地区日照间距标准具有一定可行性。     

青藏高原出射长波辐射特征分析

对青藏高原地区1月、4月、7月和10月高时空分辨率的出射长波辐射(OLR)时间序列进行了谱分析。将各点的功率谱分为三类:第一类代表日变化（周期≤1 d）,另外两类分别为天气过程(2 d≤周期≤10 d）和低频（周期>10 d）变化;将高原分为6个区域,对区域平均的各季节OLR时间序列进行功率谱分析和显著性检验,结果表明:1、4、10月份高原上以日变化为主;而7月份日变化、天气尺度变化和低频变化的贡献相当。显著性分析表明高原上最为显著的周期为1 d周期,2～4 d的天气尺度振荡也较明显。6～8 d和10～13 d处虽有明显的谱峰,但只有少数地区和个别季节其谱值能超过95%的信度检验。     

基于MODTRAN模式与卫星资料的晴空净太阳辐射模拟

探讨了中分辨率大气辐射传输模式MODTRAN4.0与卫星资料同化在模拟净太阳辐射中的应用,并利用CERES卫星资料作为MODTRAN模式输入参数,对2005年北京上甸子进行了晴空下的地表净太阳辐射模拟与比较。结果表明:利用MODTRAN4.0模式和CERES卫星资料可以较为精确地模拟晴空天气下的净太阳辐射,平均绝对误差为25.74 W/m2,平均相对误差为4.98%。此外,对净太阳辐射的影响因子的研究表明:太阳天顶角、反照率、水汽含量、大气光学厚度与臭氧浓度等因子与净太阳辐射均呈负相关关系,且太阳天顶角与反照率影响较大,其余因子影响较小。     

新疆博湖地区大气向下红外辐射特性及其对云识别应用的研究

为加强新疆戈壁地区云的自动观测,利用辐射传输模式SBDART和新疆博湖地区历史气候资料,分析了当地大气向下红外辐射对大气影响因子的敏感性和利用全天空红外辐射进行云识别分类的可行性,并提出了一种基于典型云族红外阈值的云分类方法。结果表明：（1）水汽、云、天顶角、能见度等对中红外波段向下红外辐射值都有较大影响;（2）当能见度较差时,气溶胶对向下红外辐射的贡献不可忽略,并由于局地气溶胶辐射特性难以确定,因此是利用天空向下红外辐射进行云识别时的一个不确定因素;（3）根据8～14μm波段不同云族的辐射特性差异分析,阈值法是进行云识别和云族区分的有效方法。但该方法应用效果的好坏依赖于实测探空数据和历史气候数据的有效性及准确性。     

热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化

本文用单点相关研究了1月和7月热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化。结果表明，热带纬带（15°N-15°S）遥相关型具有纬向偶极结构和准驻波性。1月遥相关具有热带波数2的结构，它反映了东非（赤道中太平洋）和南美（热带西太平洋）之间的非绝热加热异常存在翘翘板（Seesaw）关系；7月遥相关呈热带1波型，它同全球最强的行星尺度热源异常的东西振荡相联系。遥相关型对季节变化的敏感性主要表现为全球热带纬带几个热源（汇）区强度变化和纬向位移，以及东非的遥相关在6-9月符号变异，并由此引起遥相关型从冬到夏从波数2向波     

晴空回波特征与风场信息应用

为研究晴空回波风场信息在对流性降水天气中的预警应用价值,选取山东省临沂雷达站2008—2013年5—9月的观测数据分析降水晴空回波特征。研究发现:临沂地区5—9月约87%的日数会出现晴空回波,且90%以上出现在距离雷达站100km范围之内,反射率因子多在10~25dBz,具有明显日变化;晴空回波的速度产品能提供有效监测对流性降水出现前的大气低层风场信息,能一定程度反映低层湍流的耗散率,对降水过程有一定的指示性,相关研究成果对降低对流天气漏报率和提高预警提前量有重要意义。