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行业专项成果综述-新一代云-辐射-气溶胶物理过程模块的研制与应用

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/10/25 9:50:40   标签:   浏览次数:2055

项目编号GYHY201406023

研究周期2014年1月-2016年12月

国拨经费331万元

项目负责人】石广玉

项目骨干成员】张华,戴铁,王志立,荆现文,陈琪

项目承担单位中国科学院大气物理研究所

项目协作单位】国家气候中心,中国气象科学研究院

主要研究成果

根据水云光学性质和气体吸收之间关系,利用逐线积分计算了与BCC_AGCM相匹配的CKD水云光学性质参数表,并作为水云参数化方案应用到模式中;根据包含多种形状冰晶粒子、高光谱分辨率的实测冰云光学性质数据,以及实测的各种形状冰晶粒子的混合比例,计算了与BCC_AGCM相适应的冰云光学性质参数表,包含6种有效半径下的冰晶消光和吸收光学厚度、单次散射比、非对称因子,并成功的应用到模式中。首次考虑水云光学性质与吸收气体的相关性及其在波带内的变化;研制考虑了多种形状粒子冰云光学性质参数化方案,提高对冰云辐射的模拟精度,该成果为自主创新的世界前沿技术。

通过CloudSat CALIPSO卫星观测资料,研究全球云的垂直结构特征,同时将实际观测资料与云产生器相结合,选取目前最灵活,对云层复杂的重叠关系具有最优描述的云重叠假设方案,得出基于国家气候中心的全球气候模式网格点的云重叠特征参数,改进模式对云重叠结构及其辐射传输的描述。将高垂直分辨率的卫星资料用于气候模式的云垂直结构参数化方案中,改善气候模式对云宏观结构的模拟能力,该成果为自主创新模式世界前沿技术。

Morrison and Gettelman (2008)开发的双参数云微物理方案和以Khler理论为基础的气溶胶活化方案应用到了气候模式BCC_AGCM中;同时利用四流离散坐标和四流球谐函数展开累加两种具有较高精度和计算效率的辐射传输算法替代BCC_AGCM原有的二流辐射传输算法。将国际模式比较计划的气溶胶排放资料应用于气候模式中,详细评估新的云微物理参数化方案对气候模式模拟性能的影响;利用新模式研究了气溶胶的间接效应及其气候的影响。在BCC_AGCM中首次引入双参数云微物理方案,改进云的微物理过程和气溶胶-云相互作用过程,首次将四流辐射传输方案应用于BCC_AGCM中,提高有云大气辐射传输的模拟精度,该成果为气候模式中的重要改进。

 

成果应用情况

考虑最新的多形状冰晶光学性质算法、30种冰云粒子尺度分布,以及观测得到的各形状冰晶粒子的比例基础上,建立了一个包含不同形状冰云混合的总的光学性质的参数化方案。将包含多形状冰晶的新冰云辐射参数化方案应用于大气环流模式BCC_AGCM中,充分比较了冰云球形方案(Nakajima方案)和冰云多形状方案在气候模式中的模拟结果。结果显示,冰云形状假定改变对长波辐射通量有显著影响。多形状方案的全球平均大气层顶长波向上辐射通量大于球形方案,其全球平均差异绝对值为5.52 W/m2(相对差异2.3%)。球形方案与CRERS观测资料的全球平均差异为 -5.83 W/m2,而多形状方案与观测的全球平均差异仅为 -0.30 W/m2。整体来看,多形状方案比球形方案更为精确,其对全球平均大气层顶长波向上辐射的估计更为精确,误差缩小了一个数量级(图1)。

将水云相关k分布方案应用于气候模式BCC_AGCM中,分析了气体吸收和水云消光相互作用对地表和大气顶短波辐射通量的影响。水云相关k分布方案得到了更大的地表短波辐射通量,主要是由于水云相关k分布方案会带来更小的消光。全球平均地表短波辐射通量增加了0.426 W/m2。然而水云相关k分布方案造成大气顶的短波向上辐射通量增大。水云相关k分布导致了更大的单次散射比,造成更多的短波辐射被反射回大气层顶,终导致大气顶短波净辐射通量减小。全球平均大气顶短波净辐射通量减小了0.805 W/m2

分析CloudSatCALIPSO卫星遥感资料,获得不同地区和时间云的结构特征,建立次网格云的垂直重叠和水平结构处理方法,改进全球气候模式BCC_AGCM中次网格云-辐射处理方案;并评估模式对云量和云反照率模拟能力的改进。结果表明,云重叠参数的时空变化的引入对模拟的云量、辐射通量都有一定的改进作用。并在此基础上研究不同云重叠参数抗相关厚度对模拟云量和云反照率的影响。采用了四种抗相关厚度的方案:1)卫星观测资料计算得到Lcf*2)取全球平均值Lcf=2km3)选取大于平均值的3km4)选取小于平均值的1km。通过与CERES卫星资料对比得知:由卫星观测资料计算得到的Lcf模拟的云量和云反照率结果相比于固定Lcf的模拟结果更接近观测值,体现了由卫星数据计算Lcf的优越性(图2)。

将双参数云微物理方案和以Khler理论为基础的气溶胶活化方案应用到了气候模式BCC_AGCM中,并利用四流离散坐标和四流球谐函数展开累加两种具有较高精度和计算效率的辐射传输算法替代BCC_AGCM原有的二流辐射传输算法。结合国际模式比较计划的气溶胶排放资料,详细评估新的云微物理参数化方案对气候模式模拟性能的影响;并利用新模式研究气溶胶的辐射效应及其气候的影响。包含双参数的模式能合理模拟出云滴数浓度的全球分布,陆地上污染高,具有更高的云滴数浓度,但是在南北半球中纬度洋面上,模拟结果有些偏大(图3)。采用二流算法的BCC_AGCM模式二流算法明显过低估计了气溶胶的短波直接辐射效应和加热率。对于全天(晴空)情况,四流算法分别增强了大气顶、大气中和地表的全球年平均气溶胶短波直接辐射效应超过8%14%)、15%18%)和12%15%)。同时二流算法也过低估计了人为气溶胶的直接辐射强迫。明显的过低估计出现在北半球中纬度区域,晴空条件下最大过低估计接近0.6 W/m2

 

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