長波區間太陽輻射對氣候模擬的影響

盧鵬,張華,荊現文,王志立

(1.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210009;2.中國氣象局 氣候研究開放實驗室,北京 100081;3.中國氣象科學研究院,北京 100081;4.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044)

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長波區間太陽輻射對氣候模擬的影響

盧鵬1,2,3,4,張華2,荊現文2,王志立3

(1.江蘇省氣候中心,江蘇 南京 210009;2.中國氣象局 氣候研究開放實驗室,北京 100081;3.中國氣象科學研究院,北京 100081;4.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044)

長波區間的太陽輻射在氣候模式中往往被忽略。利用國家氣候中心BCC_AGCM2.0.1大氣環流模式,采用矩陣算子輻射傳輸算法,研究了長波區間太陽輻射對氣候模式輻射通量和溫度模擬結果的影響。結果表明,以ISCCP和CERES輻射資料為標準,考慮長波區間太陽輻射后,長波區間晴空大氣地表向下輻射通量平均誤差減小2.05 W/m2,均方根誤差減少1.29 W/m2;長波區間晴空大氣模式頂向上輻射通量平均誤差減小0.70 W/m2,均方根誤差減小0.21 W/m2;長波區間有云大氣地表向下輻射通量平均誤差減小1.38 W/m2,均方根誤差減小1.03 W/m2;長波區間有云大氣模式頂向上輻射通量平均誤差減小0.99 W/m2,均方根誤差減小0.30 W/m2。以ECMWF再分析資料為標準,考慮長波區間太陽輻射后,赤道地區上對流層—下平流層區域溫度的冷偏差得到改善,對流層頂溫度平均誤差減小0.27 K,均方根誤差減小0.25 K。

太陽輻射;輻射通量;上對流層—下平流層;冷偏差

0 引言

輻射過程是大氣中最重要的物理過程之一。一方面,地氣系統的輻射收支決定了長期的全球平均氣候狀態;另一方面,太陽輻射能和熱輻射能在大氣中的輻散、輻合,形成非絕熱冷、熱源,造成大氣水平和垂直層結的不穩定(石廣玉,2007)。眾多研究表明,輻射與霧的發生和發展(趙麗娟和牛生杰,2012)、強降水(周廣強等,2005;閔錦忠等,2012)等都密切相關。目前氣候模式對環流場的模擬能力有很大提高,但仍有不足(張宏芳和陳海山,2011a,2011b),而大氣輻射模塊的改進是改善氣候模式模擬效果的有效途徑之一。

目前大多數氣候模式的輻射模塊中熱紅外輻射和太陽輻射被分開處理。由于99%的太陽輻射分布在波長小于4 μm的短波區間,因此在氣候模式中波長大于4 μm的長波區間,往往不考慮太陽輻射的影響。一般通過以下兩種方法進行處理長波區間太陽輻射:一種是直接忽略長波區間的太陽輻射,另一種是將長波區間的太陽輻射按照短波區間太陽輻射能量分布,等比例的分配到短波區間。不論采用哪種方案,都會因為沒有正確處理長波區間太陽輻射而對氣候模式的模擬效果造成影響。Li et al.(2010)在長波輻射傳輸計算中加入太陽輻射計算項,與將長波區間太陽輻射按照短波區間太陽輻射能量分布等比例加入短波區間的方法相比,改進后的方案使得熱帶平流層和熱帶對流層頂的溫度升高,其中熱帶平流層的最大升溫超過1 K。

本文與Li et al.(2010)的區別主要有兩點。第一,Li et al.(2010)改進前的方案采用將長波區間太陽輻射按照短波區間太陽輻射能量分布等比例加入短波區間的方法,因此考慮長波區間太陽輻射后,對長波區間和短波區間的輻射計算都會產生影響;而本文改進前的方案直接忽略了長波區間的太陽輻射的方法,因此考慮長波區間的太陽輻射后,差異主要在長波區間,短波區間的影響僅僅是由于氣候反饋造成的,變化很小;第二,Li et al.(2010)通過推導,在長波輻射傳輸計算中加入了太陽輻射計算項;而本文采用矩陣算子輻射傳輸方法可以直接同時處理長波區間的長短波輻射。

1 算法、模式和試驗方法的介紹

1.1 矩陣算子輻射傳輸算法

大氣輻射傳輸方程通常可以寫為

(1)

將(1)式轉化為矩陣形式的傅立葉展開式,可得

(2)

m為傅立葉展開式的階數;{μi,wi}表示取樣點和權重。

通過求解可得:

u±(τ±)=R?u?(τ±)+T±u±(τ?)+ε±。

(3)

其中:R表示反射矩陣;T表示透過率矩陣;ε表示發射矩陣。

則輻射通量可得

F±=μwu±+μ0exp(-τ/μ0)F0,短波區間;

F±=μwu±+μ0exp(-τ/μ0)F0,長波區間;

具體的推導過程可見Nakajima and tanaka(1986)、Nakajima et al.(2000)。

1.2 BCC_AGCM2.0.1大氣環流模式簡介

采用國家氣候中心第二代大氣環流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本(Wu et al.,2010;Zhang et al.,2012)。模式水平分辨率為T42(近似于2.8°×2.8°),垂直方向采用混合坐標,分26層。該模式在NCAR大氣環流模式CAM3.0基礎上,在動力框架中引入了參考大氣和參考地面氣壓。在物理參數化方案中引入了Zhang and McFarlane (1995)的積云對流參數化方案,并作了調整;引入了Wu and Wu(2004)提出的積雪面積覆蓋參數方案;對洋面感熱和潛熱通量參數化方案作了調整。模式中包含了一個在線的氣溶膠模塊(CUACE_Aero)(Zhang et al.,2012),該模塊是在Gong et al.(2002,2003)的基礎上由中國氣象科學研究院大氣成分研究所開發。

BCC_AGCM2.0.1新版本的輻射模塊采用國家氣候中心BCC_RAD大氣輻射模式。該模式的氣體吸收方案采用相關K分布方法(Shi,1981;張華,1999);氣體重疊吸收方案采用Zhang et al.(2003)的方法;譜帶劃分采用Zhang et al.(2006a)的方法;K分布間隔選取采用Zhang et al.(2006b)的方法;氣溶膠和云的光學性質根據Nakajima et al.(2000)、衛曉東和張華(2011)的方法計算;長波區間的輻射傳輸算法采用矩陣算子算法(Nakajima et al.,2000);短波區間的輻射傳輸算法采用Eddington近似結合累加法(Coakey et al.,1983)。模式共劃分了17個帶(10～49 000 cm-1),其中第1～8帶為長波區間,第9～17帶為短波區間,長短波的分界點為2 680 cm-1。模式中短波區域的太陽輻射能量為1 357.37 W/m2。云垂直重疊采用McICA蒙特卡洛隨機次網格柱方法處理(荊現文等,2009;張華和荊現文,2010;荊現文和張華,2012)。

本文按照Iqbal(1983)中的數據,在長波第7波段(1 430～2 110 cm-1)增加了3.35 W/m2的太陽輻射,在長波第8波段(2 110～2 680 cm-1)增加了6.9 W/m2的太陽輻射,使得輻射模式的總太陽輻射能量達到1 367.62 W/m2。

1.3 試驗設計

為了研究長波區間太陽輻射對氣候模式模擬的影響,設計了兩組試驗。第一組不考慮長波區間的太陽輻射,稱為NSIL(No Solar In Longwave);第二組考慮長波區間的太陽輻射,稱為SIL(Solar In Longwave)。兩組試驗分別積分76個月,前16個月為模式調整時間,選取后5 a的結果進行分析。所用的海溫資料為多年平均的月海溫數據(Hurrell and Trenberth,1999)。

NSIL和SIL方案的模擬結果與多種觀測和再分析資料進行比較。本文用到的資料包括:

1)ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project)地表輻射資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,該資料在本文被作為衡量模式地表輻射通量模擬效果的參考值(Rossow and Schiffer,1991)。

2)CERES(Clouds and Earth’s Radiant Energy System)大氣頂輻射資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,該資料在本文被作為衡量模式大氣頂輻射通量模擬效果的參考值(Wielicki et al.,1996)。

3)ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析資料,水平分辨率為2.5°×2.5°,該資料在本文被作為衡量模式大氣垂直溫度場模擬效果的參考值(Uppala et al.,2005)。

2 結果與分析

2.1 晴空輻射通量

圖1給出了NSIL和SIL方案模擬的長波區間晴空地表向下輻射通量誤差。NSIL方案的全球平均值與ISCCP FD相比,低估了7.74 W/m2,SIL的全球平均值與ISCCP FD相比,低估了5.69 W/m2;NSIL方案的均方根誤差為14.16 W/m2,SIL方案的均方根誤差為12.87 W/m2。SIL方案的結果與NSIL方案相比,全球平均值的誤差減小了2.05 W/m2。主要原因是由于增加了長波區間的太陽輻射能量,通過氣體吸收和粒子散射后到達地表的輻射通量也有所增加。均方差誤差減小了1.29 W/m2,表明SIL方案確實起到了改善模式模擬效果的作用。

圖1 NSIL(a)和SIL(b)方案模擬的長波區間晴空地表向下輻射通量的誤差(以ISCCP FD資料為參考值;單位:W/m2)Fig.1 Differences in the downward radiation flux in surface in longwave region in clear sky between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ISCCP FD data(units:W/m2)

圖2給出NSIL和SIL方案模擬的長波區間晴空大氣頂向上輻射通量誤差。NSIL方案的全球平均值與CERES相比低估了1.90 W/m2;SIL方案的全球平均值與CERES相比低估了1.20 W/m2;NSIL方案的均方根誤差為8.12 W/m2,SIL方案的均方根誤差為7.91 W/m2。SIL方案的結果與NSIL方案相比,全球平均值的誤差減小了0.70 W/m2。主要原因是由于部分長波區間的太陽輻射能量被反射回大氣頂造成的。均方差誤差減小了0.21 W/m2,表明SIL方案對模式模擬效果起到了一定的改善作用。

圖2 NSIL(a)和SIL(b)方案模擬的長波區間晴空大氣頂向上輻射通量的誤差(以CERES資料為參考值;單位:W/m2)Fig.2 Differences in the upward radiation flux at the top of atmosphere in longwave region in clear sky between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and CERES data(units:W/m2)

2.2 有云大氣輻射通量

圖3給出有云大氣NSIL和SIL方案長波區間地表向下輻射通量誤差。NSIL方案的全球平均值與ISCCP FD資料相比低估了8.84 W/m2;SIL方案的全球平均值與ISCCP FD資料相比低估了7.46 W/m2;NSIL方案的均方根誤差為14.62 W/m2,SIL方案的均方根誤差為13.59 W/m2。SIL方案的結果與NSIL方案相比,全球平均值的誤差減小了1.38 W/m2。均方差誤差減小了1.03 W/m2,表明SIL方案確實起到了改善模式模擬效果的作用。

從區域上來看,SIL方案對西亞、北非撒哈拉地區,澳洲西部區域的改進較大,減少了這些地區的負偏差。這些區域主要是沙漠地區,云量比較少,所以SIL方案增加長波區間太陽輻射能量之后,這些區域由于受云吸收和反射的影響比較小,所以到達地面的向下輻射通量也比其他區域要多,因此對這些區域的負偏差的改善比較明顯。此外,NSIL方案在南太平洋區域長波區間的地表向下輻射通量與ISCCP FD資料相比存在高估,SIL方案對該區域的高估也有一定程度的改善。這可能是由于SIL方案在絕大部分地區改善了長波區間的地表向下輻射通量的負偏差,從而改善了氣候模式對云模擬,并通過云反饋進一步改善了南太平洋區域長波區間的地表向下輻射通量的正偏差。

圖3 NSIL(a)和SIL(b)模擬的長波區間有云大氣地表向下輻射通量的誤差(以ISCCP FD資料為參考值;單位:W/m2)Fig.3 Differences in the downward radiation flux in surface in longwave region in whole sky between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ISCCP FD data(units:W/m2)

圖4給出了NSIL和SIL方案長波區間有云大氣模式頂的向上輻射通量誤差。NSIL方案模擬的有云大氣模式頂的向上輻射通量的全球平均值與CERES資料相比低估了2.04 W/m2;SIL方案的全球平均值與CERES資料相比低估了1.05 W/m2;NSIL方案的均方根誤差為8.47 W/m2,SIL方案的均方根誤差為8.17 W/m2。SIL方案的結果與NSIL方案相比,全球平均值的誤差減小了0.99 W/m2。均方差誤差減小了0.30 W/m2,表明SIL方案對改善模式模擬效果起到一定作用。

從區域上來看,SIL方案相對NSIL方案而言,在北極地區的改善比較明顯。丁守國等(2004)利用ISCCP資料,給出了1983—2001年不同云量的緯向平均分布,結果表明北極地區是中云云量最多的區域,因此反射能力比較強。SIL方案中增加的長波區間的太陽輻射被反射的也比較多,所以對模式頂的長波區間向上輻射通量的改善比較大。

圖4 NSIL(a)和SIL(b)方案模擬的長波區間有云大氣大氣頂向上輻射通量的誤差(以CERES資料為參考值;單位:W/m2)Fig.4 Differences in the upward radiation flux at the top of atmosphere in longwave region in whole sky between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and CERES data(units:W/m2)

2.3 溫度

圖5給出NSIL和SIL方案經圈平均的溫度誤差。SIL方案的溫度場要略高于NSIL方案,主要是由于長波區間考慮了太陽輻射,這些太陽輻射能量被氣體吸收,增加大氣加熱率,從而提升了溫度。

上對流層—下平流層區域的高度范圍大致在5～20 km左右。該區域大氣成分的分布及變化對于認識氣候長期變化極為重要,因為一方面該區域的臭氧是一種有效的溫室氣體,另一方面該區域的水汽、卷云和氣溶膠對太陽短波輻射和地球長波輻射有很強的調節作用(陳洪濱等,2006)。新方案對熱帶地區上空,特別是60～110 hPa的下平流層區域的溫度冷偏差有較為顯著的改善。這種改善有利于在更準確的溫度場條件下更好的研究上對流層和下平流層區域的科學問題。

同時也發現,NSIL和SIL方案在熱帶地區30～50 hPa區域的溫度與ECMWF再分析資料的差值都超過5 K,之所以出現如此大的差異,主要是由于BCC_AGCM2.0.1大氣環流模式的模式頂的高度為2.9 hPa,在熱帶地區對應高度約為40 km,而在這之上大氣狀況并沒有考慮。BCC_RAD輻射模塊為了更好的處理40 km以上的區域,在模式頂新增了3層大氣來處理40 km以上的輻射傳輸過程。但是將40 km以上的大氣簡化為3層大氣來考慮,還會存在一定的誤差,因此使得該區域的模式溫度差異與ECMWF再分析資料的差別比較大。

此外還發現,無論NSIL方案還是SIL方案,在極地250～150 hPa區域的溫度與ECMWF再分析資料的差值超過9 K,如此巨大的差別主要是由于BCC_AGCM2.0.1在兩極區域的模擬能力比較差造成的。

圖5 NSIL(a)和SIL(b)方案模擬的經圈平均溫度的誤差(以ECMWF資料為參考值;單位:K)Fig.5 Differences in the meridional mean temperature between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ECMWF data(units:K)

圖6給出NSIL和SIL方案對流層頂溫度場誤差。NSIL方案的全球平均值與ECMWF再分析資料相比,低估了4.18 K,均方根誤差為4.62 K;SIL方案的全球平均值與ECMWF再分析資料相比,低估了3.91 K,均方根誤差為4.37 K。SIL方案的結果與NSIL方案相比,全球平均值誤差減小了0.27 K。均方差誤差減小了0.25 K,表明SIL方案確實起到了改善模式模擬效果的作用。

從區域上來看,SIL方案對熱帶太平洋區域對流層頂氣溫場的冷偏差有所改善。主要是由于熱帶地區太陽天頂角較小,長波區間增加的太陽輻射能夠比較多的進入大氣,到達對流層頂的太陽輻射能量也比較多,因此對對流層頂該地區的冷偏差有一定改善。但是總體來說,改進前后的模擬效果與ECMWF再分析資料相比仍存在較大的差異。大氣上對流層與下平流層區域是大氣動力、熱力和大氣成分結構發生巨大轉換的區域,輻射過程、多尺度動力學過程和微物理學過程等都起著重要的作用(卞建春,2009)。因此僅僅改進輻射模塊只能在一定程度上改進模式在該區域的模擬能力。

圖6 NSIL(a)和SIL(b)方案模擬的對流層頂溫度的誤差(以ECMWF資料為參考值;單位:K)Fig.6 Differences in the tropopause temperature between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ECMWF data(units:K)

3 結論與討論

由于長波區間的太陽輻射能量僅占所有太陽輻射能量的1%,之前的氣候模式為了處理上的方便,往往將長波區間的太陽輻射能量直接忽略或將長波區間的太陽輻射按照短波區間太陽輻射能量的分布,等比例的分配到短波區域。本文利用矩陣算子輻射傳輸算法,同時處理長波區間的熱紅外輻射和太陽輻射,利用國家氣候中心BCC_AGCM2.0.1大氣環流模式,研究長波區間太陽輻射對模式輻射和溫度的影響。通過與各種觀測資料比較表明,增加長波區間太陽輻射,對模式輻射通量和溫度場的模擬能力都有所改進。

SIL方案增加了長波區間的太陽輻射,改進了長波區間晴空和有云大氣地表向下輻射通量的模擬效果,其中晴空大氣的改進更明顯,主要是由于云反射了一部分長波區間太陽輻射,使得有云大氣長波區間太陽輻射到達地面較少;同時也改進了長波區間晴空和有云大氣模式頂向上輻射通量的模擬效果,其中有云大氣的改進更明顯,也是由于云反射的作用,使得有云大氣長波區間太陽輻射到達模式頂較多。同時SIL方案通過增加長波區間的太陽輻射,增加了大氣氣體吸收,增加大氣的加熱率,從而影響氣候模式模擬的溫度場,SIL方案與NSIL方案相比,對赤道地區上對流層—下平流層區域溫度場的冷偏差有一定改善,其中對對流層頂的氣溫場誤差減小了0.27 K,均方根誤差減小了0.25 K。

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(責任編輯：張福穎)

Effect of solar radiation in longwave region on climate simulations

LU Peng1,2,3,4,ZHANG Hua2,JING Xian-wen2,WANG Zhi-li3

(1.Jiangsu Climate Center,Nanjing 210009,China;2.Laboratory for Climate Studies,China Meteorological Administration,Beijing 100081,China;3.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China;4.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

The solar radiation in longwave region is usually neglected in climate models.The matrix formulations for the radiative transfer are applied into the general circulation model (BCC_AGCM2.0.1) developed by National Climate Center to test the effect on simulated radiation flux and temperature after adding the calculation of solar radiation in longwave region.Results show that,relative to the ISCCP and CERES radiation data,the simulated downward radiation flux in longwave region in surface in clear sky is reduced 2.05 W/m2by mean error and 1.29 W/m2by root-mean-square error.The upward radiation flux in longwave region at the top of climate model in clear sky is reduced 0.70 W/m2by mean error and 0.21 W/m2by root-mean-square error.The downward radiation flux in longwave region in surface in whole sky is reduced 1.38 W/m2by mean error and 1.03 W/m2by root-mean-square error.The upward radiation flux in longwave region at the top of climate model in whole sky is reduced 0.99 W/m2by mean error and 0.30 W/m2by root-mean-square error.Relative to ECMWF reanalysis data,the method including solar radiation in longwave region can improve the cold bias simulations of temperature in the region between upper troposphere and lower stratosphere over the equatorial region.The tropopause temperature is reduced 0.27 K by mean error and 0.25 K by root-mean-square error.

solar radiation;radiation flux;upper troposphere-lower stratosphere;cold bias

2012-02-23；改回日期：2013-05-26

國家自然科學基金資助項目(41075056);國家重點基礎研究發展計劃項目(2011CB403405);公益性行業(氣象)科研專項(GYHY201106022)

張華,博士,研究員,研究方向為大氣輻射、云—氣溶膠—輻射相互作用,huazhang@cma.gov.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120223001.

1674-7097(2015)02-0175-09

P422

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120223001

盧鵬,張華,荊現文，等.2015.長波區間太陽輻射對氣候模擬的影響[J].大氣科學學報,38(2):175-183.

Lu Peng,Zhang Hua,Jing Xian-wen,et al.2015.Effect of solar radiation in longwave region on climate simulations[J].Trans Atmos Sci,38(2):175-183.(in Chinese).