基于地面短波辐射观测资料计算淡积云的辐射强迫及水平尺度方法研究

作者:施红蓉;陈洪滨;夏祥鳌;范学花;张金强;曹杨;朱彦良;王姝 刊名:大气科学 上传者:韩宁

【摘要】本文根据不同类型云影响地面短波辐射的差异,提出利用地面短波总辐射变化检测识别淡积云以及计算淡积云水平尺度的方法,并对该算法进行误差分析,统计内蒙古草原地区夏季淡积云的水平尺度及其辐射强迫。结果表明:淡积云检测方法能比较好地识别、筛选出淡积云天。淡积云水平尺度和淡积云所在高度的风速成正比,风速测量的准确性直接影响淡积云水平尺度估算准确性;淡积云水平与垂直尺度比对计算淡积云水平尺度影响最大;云移动经过遮挡太阳直射辐射的时段内,太阳天顶角变化的影响可以忽略不计。内蒙古草原地区夏季淡积云短波辐射强迫小时平均为-134.1 W m^-2,水平尺度平均值为1129 m,水平尺度的概率密度呈幂指数分布。

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1中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室,北京1000292中国科学院大学,北京1000493南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心,南京2100444中国电力科学研究院新能源与储能运行控制国家重点实验室,北京1001921 Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation(LAGEO),Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy ofSciences,Beijing 1000292 University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 1000493 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing,2100444 State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy&Storage Systems,China Electric Power Research Institute,Beijing 100192云对地球—大气系统的辐射收支平衡起着重要作用,云吸收、反射、散射太阳短波辐射,减少到达地面的太阳短波辐射,同时云还会吸收和发射长波辐射。云的短波和长波辐射效应与云的宏观特性以及微物理特性密切相关,而云的宏微观特性时空变化极大,给观测带来很大难度,因此云与辐射相互作用仍然是气候变化研究中的热点与难点(Potter et al.,1981;Ramanathan et al.,1989)。云的存在使得辐射收支发生相应变化的辐射值定义为云的辐射强迫(CRF:cloud radiative forcing)。大气层顶及地面的云辐射强迫可以分别通过卫星或者地基辐射观测资料计算得到。研究结果显示,不同类型云的辐射强迫不同,取决于云的分布、云粒子有效半径、云滴粒子数浓度等特征。高度低、光学厚度大及水平覆盖范围广的云,如层积云,会将大部分向下短波辐射反射回太空,地面接收到的太阳辐射减小,造成地面的辐射强迫为负值。高度较高、光学厚度小的高云,如卷云,其地面辐射强迫一般为正值(Hartmann et al.,1992;Liang andWang,1997)。本研究涉及的尺度相对较小的淡积云(一般其水平与垂直尺度相当),在海上和陆地上也经常成簇出现,它们对地面辐射收支的影响不能忽略。但由于散布的淡积云生命期短、水平尺度小、时空分布变化大,现有的探测手段(卫星遥感、地基云雷达、激光雷达和气象探空等)较难对其进行精细的观测,而现有的3维辐射传输模式的模拟计算需要观测的验证,所以其辐射效应还存在很多不确定性(陈洪滨,1997;Sengupta et al.,2004;Dupont and Haeffelin,2008;Ghate et al.,2009)。云的识别与分类是进行云—辐射—气候相互作用研究的基础。Duchon and O’Malley(1999)基于模式计算的晴天辐射和地面辐射表观测值进行比较,判别出卷云、积云、层云、降水等天空状况,识别结果与人工观测比较正确率为45%。Long andAckerman(2000)结合地表总

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