【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)中的不確定性對輻射計算和氣候模擬的影響。結(jié)果顯示,冰晶粒子形狀假定對冰云光學(xué)厚度、輻射通量和加熱率以及溫度場均有明顯的影響。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波輻射通量增加5.52W/m~2。與觀測資料的比較表明,多形狀冰晶粒子假定明顯減小了球形粒子假定對長波出射輻射的低估。對大氣加熱率廓線的模擬顯示,多形狀冰晶粒子假定會減弱短波輻射對大氣的加熱作用,同時增強(qiáng)長波輻射對大氣的冷卻作用;在熱帶對流層中高層,這兩種影響尤為顯著。冰晶粒子形狀假定的改變對溫度場有明顯的影響,熱帶地區(qū)的對流層高層大氣溫度降低幅度可超過1.5 K。多形狀假定下,形狀權(quán)重對冰云光學(xué)和輻射特性的影響也比較大。不同形狀冰晶粒子權(quán)重的選取對長波帶平均消光系數(shù)、單次散射比、不對稱因子和短波帶平均不對稱因子均有較大的影響。冰晶粒子權(quán)重選取對長波輻射通量有很大影響:對長波向下輻射通量,權(quán)重選擇不同可在云底處造成高達(dá)-10.50W/m~2的差別;對長波向上輻射通量,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)重選擇對短波輻射通量也存在較大影響:對短波向下輻射通量,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)重選擇對長波加熱率影響較大,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)近似對冰云短波輻射傳輸過程的影響。對于單個冰晶粒子光學(xué)性質(zhì),HG近似對相函數(shù)勒讓德展開式第3和第4項系數(shù)計算造成了較大誤差,最大誤差分別為-0.28和-0.33,最大相對誤差分別為-55.7%和-73.8%。第4項系數(shù)的誤差絕對值和相對值均高于第3項系數(shù)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),HG近似在可見光區(qū)造成的誤差高于近紅外區(qū)。對于冰云體積光學(xué)性質(zhì),HG近似同樣對第3和第4項系數(shù)造成了較大的誤差,最大誤差分別為-0.18和-0.22,最大相對誤差分別為-27.9%和-37.1%。第4項系數(shù)的誤差高于第3項系數(shù),可見光區(qū)誤差高于近紅外區(qū),與對單個冰晶粒子光學(xué)性質(zhì)的影響一致。對短波向下輻射通量造成的最大誤差為-2.78W/m~2,對短波向上輻射通量造成的最大誤差為-1.06W/m~2,對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】：中國氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P426.5;P407
【圖文】：

第一章 緒 論到波帶內(nèi)部一個簡單的趨勢，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，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��；同理，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 分布方案計算精度高于帶模式，且其對輻射通量的影響與水云相關(guān) k 分布方案對水云光學(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，帶點區(qū)域通過了顯著性水平 0.01 的 t 檢驗）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。形狀假定改變對夏季影響更大，尤其是在北半球熱帶區(qū)域，其降幅超過 0.6。冬季的降幅則小于 0.5。2.5.2 輻射場

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。形狀假定改變對夏季的影響更大，尤其是在北半球熱帶區(qū)域，其降幅超過 0.6。冬季的降幅則小于 0.5。2.5.2 輻射場不同假定下云光學(xué)厚度以及其他云光學(xué)特性的差異將導(dǎo)致輻射通量場的差異。圖2.10 給出了球形方案試驗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值為 1.25 W/m2

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本文編號：2770277