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气候模式中重叠云的辐射传输实现方法探讨

中国学术期刊网【通信论文】 编辑:天问 气象学报 2016-05-03气候模式中重叠云的辐射传输实现方法探讨论文作者:张华 荆现文,原文发表在《气象学报杂志》,经中国学术期刊网小编精心整理,仅供您参考。

关键词: 云重叠 气候模式 参数化
摘要: 概述了全球气候模式中云的垂直重叠的处理方法及其辐射物理过程的最新研究进展。从云垂直重叠模型的构造、模型在气候模式中的实现方式,得到与观测一致的云重叠结构所采用的数据和方法、重叠云的辐射传输等方面,给出了针对这一国际研究难点问题的最新研究进展。关于气候模式中云的垂直重叠问题的研究至今已取得了许多成果,表现在:重叠模型上有了更为科学的描述形式(如指数衰减重叠);重叠云的辐射传输也有了更快速的处理方法(如蒙特卡洛独立柱近似)并被广泛应用;连续的三维云遥感观测(如CloudSat/CALIPSO)和云分辨尺度的三维云模式的发展为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了丰富的观测资料和模式数据。但是,气候模式中现有的云重叠结构处理及其辐射传输方法还远不够完善,仍然存在很多没有解决的问题需要在未来进行探索。

张华1,2, 荆现文1,2
1. 国家气候中心, 中国气象局气候研究开放实验室, 北京, 100081;
2. 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, 210044
2015-11-03 收稿; 2015-12-23 改回
资助课题: 国家科技部公益性行业(气象)科研专项项目(GYHY201406023);国家自然科学基金项目(41375080)和国家重点基础研究发展计划项目(2011CB403405)。
作者简介: 张华,主要从事云-辐射相互作用及其气候影响、大气辐射传输模式等方面的研究。
通讯作者: 荆现文,主要从事气候模式中的云-辐射过程研究。

1 云垂直重叠问题简介

覆盖地球表面约60%面积的云,是影响地-气系统辐射收支平衡的重要因素(Liou,1992)。云也是地-气系统中最活跃的因素之一,与地-气系统的辐射能量收支、水分循环、大气化学和气溶胶相关过程等都有着密切联系。对云的各种物理性质和光学性质的准确模拟是影响气候模拟、气候预测的准确性和可靠性的重要因素。

大尺度模式(包括天气和气候模式)的水平尺度一般在几十千米以上,使得云通常成为次网格参量而不能被大尺度模式精确描述。虽然模式可以通过诊断方法或预报方程得到每个模式网格上云量的垂直廓线,但是网格内云的结构:包括垂直结构和水平结构并不能被显式地给出。在云的辐射传输计算中,网格内云层的垂直结构需要通过一定的重叠假定给出(Morcrette et al,1986;Liang et al,1997;Chou et al,1998)。与描述云相关的物理量,如云滴大小、云的相态、云水凝结量等,大多可以直接被仪器观测到或用反演算法计算得到,但多层云的垂直重叠的描述要复杂得多,很难用直接观测或反演的量来完整描述,因此也成为模式模拟中一个重要的不确定性来源。

气候模式中云的垂直重叠假定对计算有云大气的辐射传输至关重要,而正确描述云的宏观特征对云的光学参数化非常重要(汪方等,2005;霍娟等,2009)。这是因为对于给定云量垂直廓线,采用不同的云重叠假定所得到的垂直投影的总云量不同,一方面导致有云和晴空部分的辐射贡献比重有差别;另一方面使云光学厚度在网格内的分布发生变化,从而影响大气顶反射和到达地表的总辐射通量以及整层大气的加热/冷却率(McFarlane et al,2007),这些将通过影响大气稳定度、蒸发等过程作用于大气动力过程,影响模式的整体模拟结果。例如,Barker等(1999)利用多个例研究发现,利用通常的重叠设置得到的大气顶短波辐射通量误差常常超过100 W/m2; Li等(2005)用理想个例也得到与此相当的误差量级;当这些云重叠假定应用于全球气候模式时,不同重叠假定在大气顶及地表的全球平均辐射通量相差可以达到20—40 W/m2(Morcrette et al,2000;荆现文等,2009;张华等,2010);研究发现,不同模式模拟的大气顶短波和长波云辐射强迫差异很大,而所用云垂直重叠结构的不同对这种差异的贡献超过35%(张华等,2013;Zhang et al,2013a)。由于云垂直重叠结构对有云大气辐射传输的重要作用,使得模式对外强迫(如温室气体和气溶胶等)的敏感程度也因云的垂直重叠结构差异而有明显不同(Weare,2001),因此,减小云垂直重叠结构描述及其辐射传输处理的不确定性对于气候变化研究也具有重要意义。

文中概述了以往有关气候模式中云的垂直重叠结构的处理方法及其辐射传输过程的研究状况,以期对气候模式中该类问题的处理提供有价值的参考,并提出未来研究中需要解决的问题。

2 云垂直重叠模型的发展

2.1 传统形式的云垂直重叠模型
传统的云垂直重叠模型大多采用固定形式的重叠假定,常见的有最大重叠、随机重叠、最大-随机重叠(图 1)。其中最大重叠简单地将最大层云量作为垂直投影的总云量,以简单的两层云(假设为k层和l层,分别具有云量Ck和Cl)情形为例,总云量表示为


点击浏览公式 观测或模式中只要给出Ck和Cl即可按照式(1)得到总云量。这对于在垂直方向上相衔接的云层是比较合理的,但是对于垂直上不相邻的云块、尤其是在全球大气模式的网格尺度上是不够真实的,会造成总云量的系统低估(Tian et al,1989)。

随机重叠认为云层是完全不相关的,其总云量表示为


点击浏览公式 观测或模式中给定Ck和Cl,即可按式(2)得到随机重叠的总云量。Tian等(1989)研究表明,这一假定在特定的区域(如中纬度海洋)和恰当的水平分辨率、且对于不相邻云层能够给出较准确的总云量,但是对于其他情形将不再适用,如对于深厚的强对流系统,随机重叠将大大高估总云量(Morcrette et al,2000)。


图 1 GCM中常用的3种重叠假定示意(Hogan et al,2000)

(a. 最大重叠假定,b. 随机重叠假定,c. 最大-随机重叠假定; 阴影表示垂直方向上的云层,虚线表示重叠后总云量的大小)
Fig. 1 Diagrams of the three overlap approximations traditionally used in GCMs(Hogan et al,2000)

(a. maximum overlap,b. r and om overlap,c. maximum-r and om overlap; shaded are cloud layers in the vertical direction,dashed lines indicate vertically projected total cloud fraction after overlapping)
图选项
最大-随机重叠是最大重叠和随机重叠的结合,可认为相接云层是最大程度重叠,而有晴空相隔的云层是随机重叠的。对于多层云系统,可按式(1)得到相邻云层的重叠总云量,而被晴空隔开的云块可将每个云块的总云量代入式(2)计算最终的总云量。这种折衷的重叠模型相比最大重叠和随机重叠更具有合理性,当前模式大多采用的是最大-随机重叠假定(Collins,2001; Barker,2008a)。但最新的研究表明,最大-随机重叠也不够准确,相接云层并不是简单的最大程度重叠(Hogan et al,2000),而是随着云的厚度而变化的。需要特别指出的是,最大-随机重叠和随机重叠的一个明显不足是,它们都与模式的垂直分辨率有很大联系(Räisänen,1998;Bergman et al,2002),同样的重叠假定应用于不同垂直分辨率上得到的云量分布、辐射计算结果会有很大差异。这种非真实的分辨率依赖性显然不利于模式不断向更高分辨率发展(Oreopoulos et al,2003;Stephens et al,2004)。

2.2 指数衰减重叠
以上3种传统的重叠假定及其他一些变换形式都过于固定,缺乏可变性,而且没有明确的物理基础和观测依据,模式在使用这些假定时往往需要人为调整辐射程序以使大气顶能量达到一定的统计平衡(Stephens et al,2004)。实际大气云的垂直重叠关系比以上模式假定要复杂得多,采用单一、固定形式的假定显然是不够准确的。

从21世纪初开始,国际上开始对云垂直重叠结构进行定量化的研究。Hogan等(2000)首次用高垂直分辨率的雷达资料,研究了英国范围云的垂直重叠关系,发现云层之间的重叠关系随着它们之间的垂直距离增大而迅速减弱,这与大多数大尺度模式假定的最大-随机重叠是不同的。Mace等(2002)把以上研究方法扩展到包括热带、中纬度、北极等更广泛的地区,也得到了相似的规律。Bergman等(2002)在以上研究基础上,进一步提出了一个 “抗相关厚度”参数(以下以Lcf表示)来表示云层间的重叠关系,利用一个指数函数很好地再现了云层重叠随云间垂直距离的变化关系。该方法充分体现了云层重叠程度与垂直距离的关系,并且避免了其对模式分辨率的依赖,被称为指数衰减重叠,它根据两层云之间的垂直高度差判断其重叠关系,使云的重叠结构具有多样性,能够体现不同类型云的特点。

指数衰减重叠模型将上下两层(标记为第k和第l层)的垂直投影的总云量写为


点击浏览公式 式中,Ck,lmax和Ck,lran分别为假设最大重叠和随机重叠时的总云量。αk,l是两层云的重叠系数,反映两层云之间的重叠程度,αk,l越大,则重叠程度越高。当重叠系数αk,l=1时,指数衰减重叠即为最大重叠,而当αk,l=0时,即为随机重叠,当αk,l位于0—1时,重叠关系介于最大和随机之间。αk,l可以由以下公式计算


点击浏览公式 式中,Lcf是云层的抗相关厚度,表示重叠系数减小为e-1时的层间距离,此时两层云的重叠程度已经很小,接近于随机重叠。

对于不同云系统、水平分辨率,Lcf特性也不同,实际应用中可对具体的观测云场计算相应的Lcf。对于一个观测的云场,总云量Ck,l是已知的,Ck,lmax和Ck,lran可按照式(1)和(2)计算得到,由式(3)可计算得到αk,l,进一步由式(4)(已知云层高度Zk和Zl)即可计算Lcf。

指数衰减重叠比其他重叠方案最明显的优越性在于其实现了云垂直重叠这一宏观特性的“定量化”描述,使其有了量化标准。因此,越来越多的大尺度天气和气候模式开始采用这种新的重叠模型(Pincus et al,2006;Morcrette et al,2008;Shonk et al,2010a;Räisänen et al,2010;荆现文等,2009;Zhang et al,2013b,2014)。

指数衰减重叠只是给出了定量描述云垂直重叠的数学方法,在指数衰减重叠假定下,新的问题是:如何给出恰当的Lcf值,使重叠情况更接近真实?理论上,只要给出真实的Lcf随时间、区域以及高度的变化,利用指数衰减重叠模拟的总云量就能足够真实。随着云垂直剖面探测技术的发展,系统研究并得到Lcf参数的时空分布规律的条件也已经成熟。已有许多学者利用不同资料从不同的时间和空间尺度对Lcf的特征进行了研究。Barker(2008a,2008b)利用一个月的CloudSat和CALIPSO 卫星数据(Stephens et al,2008)进行了Lcf随云量、日出、日落等的统计分析,给出了纬向平均的Lcf分布。Zhang等(2013b)同样利用CloudSat和CALIPSO卫星资料侧重研究了东亚地区不同区域的Lcf季节变化。

虽然基于指数衰减重叠模型的研究已有很多,但是就气候模拟实际应用而言,由于云本身的极端复杂性,至今还没有很完善的方案能够在模式中真实地表现出Lcf的复杂变化,仅有一些非常简化的近似参数化方案。Shonk等(2010a,2010b)根据地基雷达观测结果给出简单的Lcf随纬度的线性变化关系,但是却没有体现云重叠随时间的变化。Oreopoulos等(2012)根据CloudSat/CALIPSO卫星观测结果,用纬度和儒略日的函数表示Lcf的变化,虽然能够一定程度上反映云垂直重叠的时、空变化特征,但是这一方法不适用于对未来气候变化的模拟研究,因为这一函数并不随未来云系统(云系构成、云系动力过程等)的变化而变化。Zhang等(2014)则针对对流云和其他类型云的重叠特征差异,给出了一个用不同类型云的云量计算Lcf的参数化方法


点击浏览公式 式中,Lcf-1和Lcf-2分别是深对流云和其他类型云的抗相关厚度(分别取经验常数10 km和1 km),fcon和ftot分别为深对流云量和总云量。该方法的优点在于可以使Lcf动态反映云系统的变化,同时能够给出Lcf在垂直高度上的变化。但是该参数化方法仅区分了深对流云和其他类型云,对于浅层对流云、层状云、卷云等没有做进一步区分,因此还有待进一步的研究加以完善。

2.3 云重叠模型对辐射场的影响
除总云量以外,检验云的重叠假定是否可行的另一个重要标准是其能否使计算的相应辐射场更加符合实际。然而,在实测情形中,影响辐射计算的因素除了云宏观特征外,还有云的微观属性(如云滴尺度和数浓度、冰晶尺度和形态等)和光学属性(消光系数、单次散射比等),这些因素很难在较大的空间尺度上精确地观测得到,从而为利用实测云和辐射资料来判断不同云重叠假定的优劣增加了难度。一些研究仅采用观测的三维云场的宏观信息,在人为给定其微观和光学参数的基础上诊断不同云重叠假定的辐射误差,如Barker(2008a)利用CloudSat和CALIPSO卫星的全球云场简要探讨了短波辐射对Lcf的敏感性。

更多的研究采用云分辨尺度的模式(称为云分辨模式或云系统分辨模式,简称CRM)模拟云场来代替实测云:通过固定云微观和光学属性、变换云的重叠假定,将相应的辐射场与利用精细云场直接计算得到的辐射场对比即可判定不同云重叠假定的有效性。Barker等(1999)利用一个云分辨模式的3个瞬时模拟结果比较了随机重叠和最大-随机重叠的辐射场差异,对于该云场随机重叠的辐射模拟误差在太阳高度角较大时可达250 W/m2,云的短波辐射反照率普遍被高估;采用最大-随机重叠时辐射误差有所减小,但是云的短波辐射反照率普遍被低估,这说明实际重叠情形应该介于随机重叠和最大-随机重叠之间。Wu等(2005)利用一个云分辨模式进行了1个月的模拟,诊断了随机重叠的误差,发现随机重叠高估了总云量的同时也减少了到达地表的短波辐射通量(月平均减少约5.2 W/m2)。Barker等(2005)在指数衰减重叠下,利用一个全球云分辨模式结果着重讨论了不同纬度云辐射强迫对Lcf的敏感性,结果表明热带地区和南半球中纬度海洋云辐射强迫对Lcf的变化最为敏感,可达约5 W/(m2·km)。Wang等(2016)用一个云分辨模式云场详细比较了最大重叠、随机重叠、最大-随机重叠和指数衰减重叠4种假定的辐射差异,结果表明,最大重叠和最大-随机重叠都显著低估了短波/长波云辐射强迫,而随机重叠则相反;短波和长波辐射强迫的最大误差分别可达100和60 W/m2 ;指数衰减重叠得到的辐射误差仅为上述传统重叠形式的1/3,同时指数衰减重叠也显著减小了传统重叠形式的辐射加热率误差,这充分显示了指数衰减重叠的优越性。

从以往的研究不难总结出以下一般性的结论:(1)云重叠假定的选择对辐射场、尤其是瞬时辐射场的影响非常可观;(2)最大重叠、最大-随机重叠一般低估云对短波辐射的反射和向外太空的长波发射、增加到达地表的短波辐射,而随机重叠则相反;(3)指数衰减重叠具有明显优越性,但其效果受具体的云类型和参数Lcf设置的影响。这些结论对于气候模式云重叠参数化具有重要的参考价值。

鉴于指数衰减重叠的优越性,更多的气候模式倾向于采用这种最新的云重叠模型。例如,Morcrette等(2008)在欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的模式中用最新的指数衰减重叠代替原有的最大-随机重叠后,该模式模拟的长、短波云辐射强迫都有了非常明显的改进;张华等(2010)、Zhang等(2013b)研究表明中国国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM的辐射场模拟对云重叠结构的变化也有明显的响应;Zhang等(2014)进一步在BCC_AGCM2.0.1模式中给出区分不同云类型的指数衰减重叠形式,从而减小了热带对流区域与其他区域的云量和辐射场误差。正如上面所述,目前气候模式中的云重叠参数化研究主要在于在指数衰减重叠形式下如何更好地给出参数Lcf的变化(Tompkins et al,2015)。

3 重叠云的辐射传输实现方法

为表述方便,以下将“考虑了次网格云重叠结构的云”称为“重叠云”。由于重叠云中涉及到部分覆盖的云层(即云层仅覆盖某个模式层的一部分),而辐射传输过程本身只能直接计算晴空和全云(云覆盖整个模式层)情况,因此考虑重叠云的辐射传输过程,需要借助于一定的方法才能实现。即使对于相同的云重叠模型,采用不同的辐射传输方法也会对辐射计算结果产生一定的影响;而重叠云的辐射传输方法也对辐射计算的效率以及云-辐射过程的灵活性产生较大影响。以下列举几种常见的云重叠模型的辐射传输计算方法。

3.1 云矩阵方法
对于次网格重叠的处理,传统上多采用云矩阵法处理,Li(2000)对云矩阵处理重叠结构的方法做了详细的介绍。利用云矩阵来表达云重叠最初来自Manabe等(1964)的工作,Harshvardhan等(1987)、Liang等(1997)、Räisänen(1998)、Morcrette等(2000)应用并改进了该方法,提高了云矩阵法的准确度。

但是在大气辐射传输计算中利用云矩阵法处理云的垂直重叠有其明显的弊端。Räisänen(1998)指出,利用云矩阵法处理红外辐射传输时,通常用云量和云的发射率合并为一个等效云量来处理云层的红外发射,这种做法和最大-随机重叠或最大重叠结合时,其计算结果比较容易受到模式垂直分辨率的影响。Li等(2005)则对云矩阵法的短波辐射效果进行了详细的检验,结果显示,即使抛开特定云重叠模型的影响,单纯云矩阵法本身就带来很大的短波辐射计算误差。另外,云矩阵法所需的计算时间较长、内存占用空间也比较大,而且不能用在某些二流近似辐射传输解法中(Li,2002)。

3.2 马赛克方法
Liang等(1997)提出了一个处理多层云重叠的“马赛克”方法,在GCM辐射参数化中显式地考虑对流云、卷云和层状云的垂直相关。该方案将模式网格按照云的类型和相应云量划分为若干次网格,每个次网格上的各层云量只能为1或0;对流云按照云量最大的一层分配所占的次网格面积比例,从云顶到云底具有统一的云量1,并采用最大重叠模型;卷云(被认为是对流云顶的延展)和层状云则按照面积比例分配于其余次网格内,其中层云之间的重叠采用前文介绍的最大-随机重叠模型,而卷云与层云间的重叠则采用随机重叠模型。尽管“马赛克”方法考虑到了不同种类云的重叠,但是具体到某类云仍采用的是传统的重叠模型,因此对模式水平和垂直分辨率有较大的依赖。