【摘要】：本文將多形狀冰云光學(xué)性質(zhì)參數(shù)化方案應(yīng)用于輻射傳輸模式和氣候模式中,詳細(xì)討論了冰云光學(xué)中的不確定性對(duì)輻射計(jì)算和氣候模擬的影響。結(jié)果顯示,冰晶粒子形狀假定對(duì)冰云光學(xué)厚度、輻射通量和加熱率以及溫度場(chǎng)均有明顯的影響。采用新的冰云方案使得全球平均云光學(xué)厚度值降低0.28;熱帶地區(qū)降低最為明顯,其差異絕對(duì)值可達(dá)1.02,而在中高緯度陸地地區(qū),兩者的冰云光學(xué)厚度差別較小。冰晶粒子形狀假定改變將導(dǎo)致全球平均的大氣頂出射長(zhǎng)波輻射通量增加5.52W/m~2。與觀測(cè)資料的比較表明,多形狀冰晶粒子假定明顯減小了球形粒子假定對(duì)長(zhǎng)波出射輻射的低估。對(duì)大氣加熱率廓線的模擬顯示,多形狀冰晶粒子假定會(huì)減弱短波輻射對(duì)大氣的加熱作用,同時(shí)增強(qiáng)長(zhǎng)波輻射對(duì)大氣的冷卻作用;在熱帶對(duì)流層中高層,這兩種影響尤為顯著。冰晶粒子形狀假定的改變對(duì)溫度場(chǎng)有明顯的影響,熱帶地區(qū)的對(duì)流層高層大氣溫度降低幅度可超過(guò)1.5 K。多形狀假定下,形狀權(quán)重對(duì)冰云光學(xué)和輻射特性的影響也比較大。不同形狀冰晶粒子權(quán)重的選取對(duì)長(zhǎng)波帶平均消光系數(shù)、單次散射比、不對(duì)稱因子和短波帶平均不對(duì)稱因子均有較大的影響。冰晶粒子權(quán)重選取對(duì)長(zhǎng)波輻射通量有很大影響:對(duì)長(zhǎng)波向下輻射通量,權(quán)重選擇不同可在云底處造成高達(dá)-10.50W/m~2的差別;對(duì)長(zhǎng)波向上輻射通量,權(quán)重選擇不同可在云頂處造成高達(dá)15.05W/m~2的差別。冰晶粒子權(quán)重選擇對(duì)短波輻射通量也存在較大影響:對(duì)短波向下輻射通量,權(quán)重選擇不同可在云底處造成高達(dá)12.48W/m~2的差別;對(duì)短波向上輻射通量,權(quán)重選擇不同可在云頂處造成高達(dá)-10.23W/m~2的差別。冰晶粒子權(quán)重選擇對(duì)長(zhǎng)波加熱率影響較大,在云頂處和云底處分別可達(dá)1.31K/d和-2.06K/d。其次,基于改進(jìn)后的冰云多形狀光學(xué)性質(zhì)參數(shù)化方案,詳細(xì)分析了在輻射傳輸算法中通常使用的HG(Henye-Greenstein)近似對(duì)冰云短波輻射傳輸過(guò)程的影響。對(duì)于單個(gè)冰晶粒子光學(xué)性質(zhì),HG近似對(duì)相函數(shù)勒讓德展開(kāi)式第3和第4項(xiàng)系數(shù)計(jì)算造成了較大誤差,最大誤差分別為-0.28和-0.33,最大相對(duì)誤差分別為-55.7%和-73.8%。第4項(xiàng)系數(shù)的誤差絕對(duì)值和相對(duì)值均高于第3項(xiàng)系數(shù)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),HG近似在可見(jiàn)光區(qū)造成的誤差高于近紅外區(qū)。對(duì)于冰云體積光學(xué)性質(zhì),HG近似同樣對(duì)第3和第4項(xiàng)系數(shù)造成了較大的誤差,最大誤差分別為-0.18和-0.22,最大相對(duì)誤差分別為-27.9%和-37.1%。第4項(xiàng)系數(shù)的誤差高于第3項(xiàng)系數(shù),可見(jiàn)光區(qū)誤差高于近紅外區(qū),與對(duì)單個(gè)冰晶粒子光學(xué)性質(zhì)的影響一致。對(duì)短波向下輻射通量造成的最大誤差為-2.78W/m~2,對(duì)短波向上輻射通量造成的最大誤差為-1.06W/m~2,對(duì)短波加熱率造成的最大誤差為0.27K/d。HG近似低估了短波輻射通量量,高估了云內(nèi)加熱率。最后,發(fā)現(xiàn)在氣候模擬中,氣體吸收和水云消光相互作用導(dǎo)致了更小的短波加熱率和全球平均大氣頂短波凈輻射通量。前者在某些地區(qū)減少了2.54W/m~2,后者在某些緯度減小了0.086K/d;考慮了氣候反饋之后,前者在某些地區(qū)減少了15.57W/m~2,后者在某些緯度減小了0.107K/d。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：P426.5;P407
【圖文】：

第一章 緒 論到波帶內(nèi)部一個(gè)簡(jiǎn)單的趨勢(shì)，某種光學(xué)性質(zhì)隨著氣體吸收增大而增大或減小。波帶內(nèi)氣體吸收較小時(shí)，水云的作用更加重要，其光學(xué)性質(zhì)的值也居于主導(dǎo)地位。如圖 1.1 所示，第 10 帶中經(jīng)過(guò)重排后的質(zhì)量消光系數(shù)隨著氣體吸收的增大而增大，氣體吸收較小時(shí)的質(zhì)量消光系數(shù)權(quán)重更大，因此在考慮了氣體吸收和水云消光的相互作用之后，水云的質(zhì)量消光系數(shù)可視作減�。煌�，第 9 帶中的單次散射比可視作增加。第 9 帶和第 10 帶的重排結(jié)果顯示，水云相關(guān) k 分布方案將導(dǎo)致更小的消光和更大的散射。水云相關(guān) k分布已經(jīng)應(yīng)用于輻射傳輸模式 BCC_RAD 中，與 LBL 比較發(fā)現(xiàn)，水云相關(guān) k 分布方案計(jì)算精度高于帶模式，且其對(duì)輻射通量的影響與水云相關(guān) k 分布方案對(duì)水云光學(xué)性質(zhì)的影響一致，導(dǎo)致了更大的地表短波向下輻射通量和大氣頂短波向上輻射通量（Lu 等，2011）。水云相關(guān) k 分布方案能夠很好的反映氣體吸收與水云光學(xué)性質(zhì)的相關(guān)作用，并具備較高的計(jì)算精度。

圖 2.8 冰云光學(xué)厚度全球分布（a．球形方案，b．多形狀方案與球形方案的差異，帶點(diǎn)區(qū)域通過(guò)了顯著性水平 0.01 的 t 檢驗(yàn)）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)圖2.9給出了冰云光學(xué)厚度緯向分布和季節(jié)變化。冰云光學(xué)厚度在低緯度地區(qū)最中緯度次之，高緯度最小。在北半球的冬季和夏季，該規(guī)律同樣明顯。與此相似，冰粒子形狀假定改變對(duì)熱帶地區(qū)的全年平均冰云光學(xué)厚度影響最為明顯（減小 0.3-0.5中緯度地區(qū)次之（減小 0.2-0.3），高緯度地區(qū)最�。s減小 0.1）。在北半球冬季和夏季以多形狀假定代替球形假定改變均導(dǎo)致了更小的冰云光學(xué)厚度。形狀假定改變對(duì)夏季影響更大，尤其是在北半球熱帶區(qū)域，其降幅超過(guò) 0.6。冬季的降幅則小于 0.5。2.5.2 輻射場(chǎng)

assumption. The region shaded by black dots indicates significance at 0.01 level according to Student’stest)圖2.9給出了冰云光學(xué)厚度緯向分布和季節(jié)變化。冰云光學(xué)厚度在低緯度地區(qū)最大，中緯度次之，高緯度最小。在北半球的冬季和夏季，該規(guī)律同樣明顯。與此相似，冰晶粒子形狀假定改變對(duì)熱帶地區(qū)的全年平均冰云光學(xué)厚度影響最為明顯（減小 0.3-0.5），中緯度地區(qū)次之（減小 0.2-0.3），高緯度地區(qū)最�。s減小 0.1）。在北半球冬季和夏季，以多形狀假定代替球形假定改變均導(dǎo)致了更小的冰云光學(xué)厚度。形狀假定改變對(duì)夏季的影響更大，尤其是在北半球熱帶區(qū)域，其降幅超過(guò) 0.6。冬季的降幅則小于 0.5。2.5.2 輻射場(chǎng)不同假定下云光學(xué)厚度以及其他云光學(xué)特性的差異將導(dǎo)致輻射通量場(chǎng)的差異。圖2.10 給出了球形方案試驗(yàn)的地表短波向下輻射通量以及多形狀方案與球形方案的差別。全球平均地表短波向下輻射通量為 182.75 W/m2。多形狀方案的全球平均地表短波向下輻射通量小于球形方案，其全球平均差異絕對(duì)值為 1.25 W/m2

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