云光学性质参数化改进及其应用

发布时间：2020-07-25 19:40

【摘要】：本文将多形状冰云光学性质参数化方案应用于辐射传输模式和气候模式中,详细讨论了冰云光学中的不确定性对辐射计算和气候模拟的影响。结果显示,冰晶粒子形状假定对冰云光学厚度、辐射通量和加热率以及温度场均有明显的影响。采用新的冰云方案使得全球平均云光学厚度值降低0.28;热带地区降低最为明显,其差异绝对值可达1.02,而在中高纬度陆地地区,两者的冰云光学厚度差别较小。冰晶粒子形状假定改变将导致全球平均的大气顶出射长波辐射通量增加5.52W/m~2。与观测资料的比较表明,多形状冰晶粒子假定明显减小了球形粒子假定对长波出射辐射的低估。对大气加热率廓线的模拟显示,多形状冰晶粒子假定会减弱短波辐射对大气的加热作用,同时增强长波辐射对大气的冷却作用;在热带对流层中高层,这两种影响尤为显著。冰晶粒子形状假定的改变对温度场有明显的影响,热带地区的对流层高层大气温度降低幅度可超过1.5 K。多形状假定下,形状权重对冰云光学和辐射特性的影响也比较大。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-10.50W/m~2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15.05W/m~2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12.48W/m~2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-10.23W/m~2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1.31K/d和-2.06K/d。其次,基于改进后的冰云多形状光学性质参数化方案,详细分析了在辐射传输算法中通常使用的HG(Henye-Greenstein)近似对冰云短波辐射传输过程的影响。对于单个冰晶粒子光学性质,HG近似对相函数勒让德展开式第3和第4项系数计算造成了较大误差,最大误差分别为-0.28和-0.33,最大相对误差分别为-55.7%和-73.8%。第4项系数的误差绝对值和相对值均高于第3项系数。进一步分析发现,HG近似在可见光区造成的误差高于近红外区。对于冰云体积光学性质,HG近似同样对第3和第4项系数造成了较大的误差,最大误差分别为-0.18和-0.22,最大相对误差分别为-27.9%和-37.1%。第4项系数的误差高于第3项系数,可见光区误差高于近红外区,与对单个冰晶粒子光学性质的影响一致。对短波向下辐射通量造成的最大误差为-2.78W/m~2,对短波向上辐射通量造成的最大误差为-1.06W/m~2,对短波加热率造成的最大误差为0.27K/d。HG近似低估了短波辐射通量量,高估了云内加热率。最后,发现在气候模拟中,气体吸收和水云消光相互作用导致了更小的短波加热率和全球平均大气顶短波净辐射通量。前者在某些地区减少了2.54W/m~2,后者在某些纬度减小了0.086K/d;考虑了气候反馈之后,前者在某些地区减少了15.57W/m~2,后者在某些纬度减小了0.107K/d。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P426.5;P407
【图文】：

水云,气体吸收系数,光学性质,气体吸收

第一章绪论到波带内部一个简单的趋势，某种光学性质随着气体吸收增大而增大或减小。波带内气体吸收较小时，水云的作用更加重要，其光学性质的值也居于主导地位。如图 1.1 所示，第 10 带中经过重排后的质量消光系数随着气体吸收的增大而增大，气体吸收较小时的质量消光系数权重更大，因此在考虑了气体吸收和水云消光的相互作用之后，水云的质量消光系数可视作减小；同理，第 9 带中的单次散射比可视作增加。第 9 带和第 10 带的重排结果显示，水云相关 k 分布方案将导致更小的消光和更大的散射。水云相关 k分布已经应用于辐射传输模式 BCC_RAD 中，与 LBL 比较发现，水云相关 k 分布方案计算精度高于带模式，且其对辐射通量的影响与水云相关 k 分布方案对水云光学性质的影响一致，导致了更大的地表短波向下辐射通量和大气顶短波向上辐射通量（Lu 等，2011）。水云相关 k 分布方案能够很好的反映气体吸收与水云光学性质的相关作用，并具备较高的计算精度。

冰云,全球分布,光学厚度

图 2.8 冰云光学厚度全球分布（a．球形方案，b．多形状方案与球形方案的差异，带点区域通过了显著性水平 0.01 的 t 检验）Fig.2.8 Global distribution of the ice cloud optical depth(a. the spherical assumption, b. the difference between the multi-shape assumption and the sphericaassumption. The region shaded by black dots indicates significance at 0.01 level according to Studentest)图2.9给出了冰云光学厚度纬向分布和季节变化。冰云光学厚度在低纬度地区最中纬度次之，高纬度最小。在北半球的冬季和夏季，该规律同样明显。与此相似，冰粒子形状假定改变对热带地区的全年平均冰云光学厚度影响最为明显（减小 0.3-0.5中纬度地区次之（减小 0.2-0.3），高纬度地区最小（约减小 0.1）。在北半球冬季和夏季以多形状假定代替球形假定改变均导致了更小的冰云光学厚度。形状假定改变对夏季影响更大，尤其是在北半球热带区域，其降幅超过 0.6。冬季的降幅则小于 0.5。2.5.2 辐射场

冰云,光学厚度,平均分布,纬向

assumption. The region shaded by black dots indicates significance at 0.01 level according to Student’stest)图2.9给出了冰云光学厚度纬向分布和季节变化。冰云光学厚度在低纬度地区最大，中纬度次之，高纬度最小。在北半球的冬季和夏季，该规律同样明显。与此相似，冰晶粒子形状假定改变对热带地区的全年平均冰云光学厚度影响最为明显（减小 0.3-0.5），中纬度地区次之（减小 0.2-0.3），高纬度地区最小（约减小 0.1）。在北半球冬季和夏季，以多形状假定代替球形假定改变均导致了更小的冰云光学厚度。形状假定改变对夏季的影响更大，尤其是在北半球热带区域，其降幅超过 0.6。冬季的降幅则小于 0.5。2.5.2 辐射场不同假定下云光学厚度以及其他云光学特性的差异将导致辐射通量场的差异。图2.10 给出了球形方案试验的地表短波向下辐射通量以及多形状方案与球形方案的差别。全球平均地表短波向下辐射通量为 182.75 W/m2。多形状方案的全球平均地表短波向下辐射通量小于球形方案，其全球平均差异绝对值为 1.25 W/m2

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