长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

卢鹏,张华,荆现文,王志立

(1.江苏省气候中心,江苏 南京 210009;2.中国气象局 气候研究开放实验室,北京 100081;3.中国气象科学研究院,北京 100081;4.南京信息工程大学,江苏 南京 210044)



长波区间太阳辐射对气候模拟的影响

卢鹏1,2,3,4,张华2,荆现文2,王志立3

(1.江苏省气候中心,江苏 南京 210009;2.中国气象局 气候研究开放实验室,北京 100081;3.中国气象科学研究院,北京 100081;4.南京信息工程大学,江苏 南京 210044)

长波区间的太阳辐射在气候模式中往往被忽略。利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,采用矩阵算子辐射传输算法,研究了长波区间太阳辐射对气候模式辐射通量和温度模拟结果的影响。结果表明,以ISCCP和CERES辐射资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,长波区间晴空大气地表向下辐射通量平均误差减小2.05 W/m2,均方根误差减少1.29 W/m2;长波区间晴空大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.70 W/m2,均方根误差减小0.21 W/m2;长波区间有云大气地表向下辐射通量平均误差减小1.38 W/m2,均方根误差减小1.03 W/m2;长波区间有云大气模式顶向上辐射通量平均误差减小0.99 W/m2,均方根误差减小0.30 W/m2。以ECMWF再分析资料为标准,考虑长波区间太阳辐射后,赤道地区上对流层—下平流层区域温度的冷偏差得到改善,对流层顶温度平均误差减小0.27 K,均方根误差减小0.25 K。

太阳辐射;辐射通量;上对流层—下平流层;冷偏差

0 引言

辐射过程是大气中最重要的物理过程之一。一方面,地气系统的辐射收支决定了长期的全球平均气候状态;另一方面,太阳辐射能和热辐射能在大气中的辐散、辐合,形成非绝热冷、热源,造成大气水平和垂直层结的不稳定(石广玉,2007)。众多研究表明,辐射与雾的发生和发展(赵丽娟和牛生杰,2012)、强降水(周广强等,2005;闵锦忠等,2012)等都密切相关。目前气候模式对环流场的模拟能力有很大提高,但仍有不足(张宏芳和陈海山,2011a,2011b),而大气辐射模块的改进是改善气候模式模拟效果的有效途径之一。

目前大多数气候模式的辐射模块中热红外辐射和太阳辐射被分开处理。由于99%的太阳辐射分布在波长小于4 μm的短波区间,因此在气候模式中波长大于4 μm的长波区间,往往不考虑太阳辐射的影响。一般通过以下两种方法进行处理长波区间太阳辐射:一种是直接忽略长波区间的太阳辐射,另一种是将长波区间的太阳辐射按照短波区间太阳辐射能量分布,等比例的分配到短波区间。不论采用哪种方案,都会因为没有正确处理长波区间太阳辐射而对气候模式的模拟效果造成影响。Li et al.(2010)在长波辐射传输计算中加入太阳辐射计算项,与将长波区间太阳辐射按照短波区间太阳辐射能量分布等比例加入短波区间的方法相比,改进后的方案使得热带平流层和热带对流层顶的温度升高,其中热带平流层的最大升温超过1 K。

本文与Li et al.(2010)的区别主要有两点。第一,Li et al.(2010)改进前的方案采用将长波区间太阳辐射按照短波区间太阳辐射能量分布等比例加入短波区间的方法,因此考虑长波区间太阳辐射后,对长波区间和短波区间的辐射计算都会产生影响;而本文改进前的方案直接忽略了长波区间的太阳辐射的方法,因此考虑长波区间的太阳辐射后,差异主要在长波区间,短波区间的影响仅仅是由于气候反馈造成的,变化很小;第二,Li et al.(2010)通过推导,在长波辐射传输计算中加入了太阳辐射计算项;而本文采用矩阵算子辐射传输方法可以直接同时处理长波区间的长短波辐射。

1 算法、模式和试验方法的介绍

1.1 矩阵算子辐射传输算法

大气辐射传输方程通常可以写为

(1)

将(1)式转化为矩阵形式的傅立叶展开式,可得

(2)

m为傅立叶展开式的阶数;{μi,wi}表示取样点和权重。

通过求解可得:

u±(τ±)=R∓u∓(τ±)+T±u±(τ∓)+ε±。

(3)

其中:R表示反射矩阵;T表示透过率矩阵;ε表示发射矩阵。

则辐射通量可得

F±=μwu±+μ0exp(-τ/μ0)F0,短波区间;

F±=μwu±+μ0exp(-τ/μ0)F0,长波区间;

具体的推导过程可见Nakajima and tanaka(1986)、Nakajima et al.(2000)。

1.2 BCC_AGCM2.0.1大气环流模式简介

采用国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本(Wu et al.,2010;Zhang et al.,2012)。模式水平分辨率为T42(近似于2.8°×2.8°),垂直方向采用混合坐标,分26层。该模式在NCAR大气环流模式CAM3.0基础上,在动力框架中引入了参考大气和参考地面气压。在物理参数化方案中引入了Zhang and McFarlane (1995)的积云对流参数化方案,并作了调整;引入了Wu and Wu(2004)提出的积雪面积覆盖参数方案;对洋面感热和潜热通量参数化方案作了调整。模式中包含了一个在线的气溶胶模块(CUACE_Aero)(Zhang et al.,2012),该模块是在Gong et al.(2002,2003)的基础上由中国气象科学研究院大气成分研究所开发。

BCC_AGCM2.0.1新版本的辐射模块采用国家气候中心BCC_RAD大气辐射模式。该模式的气体吸收方案采用相关K分布方法(Shi,1981;张华,1999);气体重叠吸收方案采用Zhang et al.(2003)的方法;谱带划分采用Zhang et al.(2006a)的方法;K分布间隔选取采用Zhang et al.(2006b)的方法;气溶胶和云的光学性质根据Nakajima et al.(2000)、卫晓东和张华(2011)的方法计算;长波区间的辐射传输算法采用矩阵算子算法(Nakajima et al.,2000);短波区间的辐射传输算法采用Eddington近似结合累加法(Coakey et al.,1983)。模式共划分了17个带(10～49 000 cm-1),其中第1～8带为长波区间,第9～17带为短波区间,长短波的分界点为2 680 cm-1。模式中短波区域的太阳辐射能量为1 357.37 W/m2。云垂直重叠采用McICA蒙特卡洛随机次网格柱方法处理(荆现文等,2009;张华和荆现文,2010;荆现文和张华,2012)。

本文按照Iqbal(1983)中的数据,在长波第7波段(1 430～2 110 cm-1)增加了3.35 W/m2的太阳辐射,在长波第8波段(2 110～2 680 cm-1)增加了6.9 W/m2的太阳辐射,使得辐射模式的总太阳辐射能量达到1 367.62 W/m2。

1.3 试验设计

为了研究长波区间太阳辐射对气候模式模拟的影响,设计了两组试验。第一组不考虑长波区间的太阳辐射,称为NSIL(No Solar In Longwave);第二组考虑长波区间的太阳辐射,称为SIL(Solar In Longwave)。两组试验分别积分76个月,前16个月为模式调整时间,选取后5 a的结果进行分析。所用的海温资料为多年平均的月海温数据(Hurrell and Trenberth,1999)。

NSIL和SIL方案的模拟结果与多种观测和再分析资料进行比较。本文用到的资料包括:

1)ISCCP(International Satellite Cloud Climatology Project)地表辐射资料,水平分辨率为2.5°×2.5°,该资料在本文被作为衡量模式地表辐射通量模拟效果的参考值(Rossow and Schiffer,1991)。

2)CERES(Clouds and Earth’s Radiant Energy System)大气顶辐射资料,水平分辨率为2.5°×2.5°,该资料在本文被作为衡量模式大气顶辐射通量模拟效果的参考值(Wielicki et al.,1996)。

3)ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)再分析资料,水平分辨率为2.5°×2.5°,该资料在本文被作为衡量模式大气垂直温度场模拟效果的参考值(Uppala et al.,2005)。

2 结果与分析

2.1 晴空辐射通量

图1给出了NSIL和SIL方案模拟的长波区间晴空地表向下辐射通量误差。NSIL方案的全球平均值与ISCCP FD相比,低估了7.74 W/m2,SIL的全球平均值与ISCCP FD相比,低估了5.69 W/m2;NSIL方案的均方根误差为14.16 W/m2,SIL方案的均方根误差为12.87 W/m2。SIL方案的结果与NSIL方案相比,全球平均值的误差减小了2.05 W/m2。主要原因是由于增加了长波区间的太阳辐射能量,通过气体吸收和粒子散射后到达地表的辐射通量也有所增加。均方差误差减小了1.29 W/m2,表明SIL方案确实起到了改善模式模拟效果的作用。

图1 NSIL(a)和SIL(b)方案模拟的长波区间晴空地表向下辐射通量的误差(以ISCCP FD资料为参考值;单位: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)

图2给出NSIL和SIL方案模拟的长波区间晴空大气顶向上辐射通量误差。NSIL方案的全球平均值与CERES相比低估了1.90 W/m2;SIL方案的全球平均值与CERES相比低估了1.20 W/m2;NSIL方案的均方根误差为8.12 W/m2,SIL方案的均方根误差为7.91 W/m2。SIL方案的结果与NSIL方案相比,全球平均值的误差减小了0.70 W/m2。主要原因是由于部分长波区间的太阳辐射能量被反射回大气顶造成的。均方差误差减小了0.21 W/m2,表明SIL方案对模式模拟效果起到了一定的改善作用。

图2 NSIL(a)和SIL(b)方案模拟的长波区间晴空大气顶向上辐射通量的误差(以CERES资料为参考值;单位: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 有云大气辐射通量

图3给出有云大气NSIL和SIL方案长波区间地表向下辐射通量误差。NSIL方案的全球平均值与ISCCP FD资料相比低估了8.84 W/m2;SIL方案的全球平均值与ISCCP FD资料相比低估了7.46 W/m2;NSIL方案的均方根误差为14.62 W/m2,SIL方案的均方根误差为13.59 W/m2。SIL方案的结果与NSIL方案相比,全球平均值的误差减小了1.38 W/m2。均方差误差减小了1.03 W/m2,表明SIL方案确实起到了改善模式模拟效果的作用。

从区域上来看,SIL方案对西亚、北非撒哈拉地区,澳洲西部区域的改进较大,减少了这些地区的负偏差。这些区域主要是沙漠地区,云量比较少,所以SIL方案增加长波区间太阳辐射能量之后,这些区域由于受云吸收和反射的影响比较小,所以到达地面的向下辐射通量也比其他区域要多,因此对这些区域的负偏差的改善比较明显。此外,NSIL方案在南太平洋区域长波区间的地表向下辐射通量与ISCCP FD资料相比存在高估,SIL方案对该区域的高估也有一定程度的改善。这可能是由于SIL方案在绝大部分地区改善了长波区间的地表向下辐射通量的负偏差,从而改善了气候模式对云模拟,并通过云反馈进一步改善了南太平洋区域长波区间的地表向下辐射通量的正偏差。

图3 NSIL(a)和SIL(b)模拟的长波区间有云大气地表向下辐射通量的误差(以ISCCP FD资料为参考值;单位: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)

图4给出了NSIL和SIL方案长波区间有云大气模式顶的向上辐射通量误差。NSIL方案模拟的有云大气模式顶的向上辐射通量的全球平均值与CERES资料相比低估了2.04 W/m2;SIL方案的全球平均值与CERES资料相比低估了1.05 W/m2;NSIL方案的均方根误差为8.47 W/m2,SIL方案的均方根误差为8.17 W/m2。SIL方案的结果与NSIL方案相比,全球平均值的误差减小了0.99 W/m2。均方差误差减小了0.30 W/m2,表明SIL方案对改善模式模拟效果起到一定作用。

从区域上来看,SIL方案相对NSIL方案而言,在北极地区的改善比较明显。丁守国等(2004)利用ISCCP资料,给出了1983—2001年不同云量的纬向平均分布,结果表明北极地区是中云云量最多的区域,因此反射能力比较强。SIL方案中增加的长波区间的太阳辐射被反射的也比较多,所以对模式顶的长波区间向上辐射通量的改善比较大。

图4 NSIL(a)和SIL(b)方案模拟的长波区间有云大气大气顶向上辐射通量的误差(以CERES资料为参考值;单位: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 温度

图5给出NSIL和SIL方案经圈平均的温度误差。SIL方案的温度场要略高于NSIL方案,主要是由于长波区间考虑了太阳辐射,这些太阳辐射能量被气体吸收,增加大气加热率,从而提升了温度。

上对流层—下平流层区域的高度范围大致在5～20 km左右。该区域大气成分的分布及变化对于认识气候长期变化极为重要,因为一方面该区域的臭氧是一种有效的温室气体,另一方面该区域的水汽、卷云和气溶胶对太阳短波辐射和地球长波辐射有很强的调节作用(陈洪滨等,2006)。新方案对热带地区上空,特别是60～110 hPa的下平流层区域的温度冷偏差有较为显著的改善。这种改善有利于在更准确的温度场条件下更好的研究上对流层和下平流层区域的科学问题。

同时也发现,NSIL和SIL方案在热带地区30～50 hPa区域的温度与ECMWF再分析资料的差值都超过5 K,之所以出现如此大的差异,主要是由于BCC_AGCM2.0.1大气环流模式的模式顶的高度为2.9 hPa,在热带地区对应高度约为40 km,而在这之上大气状况并没有考虑。BCC_RAD辐射模块为了更好的处理40 km以上的区域,在模式顶新增了3层大气来处理40 km以上的辐射传输过程。但是将40 km以上的大气简化为3层大气来考虑,还会存在一定的误差,因此使得该区域的模式温度差异与ECMWF再分析资料的差别比较大。

此外还发现,无论NSIL方案还是SIL方案,在极地250～150 hPa区域的温度与ECMWF再分析资料的差值超过9 K,如此巨大的差别主要是由于BCC_AGCM2.0.1在两极区域的模拟能力比较差造成的。

图5 NSIL(a)和SIL(b)方案模拟的经圈平均温度的误差(以ECMWF资料为参考值;单位:K)Fig.5 Differences in the meridional mean temperature between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ECMWF data(units:K)

图6给出NSIL和SIL方案对流层顶温度场误差。NSIL方案的全球平均值与ECMWF再分析资料相比,低估了4.18 K,均方根误差为4.62 K;SIL方案的全球平均值与ECMWF再分析资料相比,低估了3.91 K,均方根误差为4.37 K。SIL方案的结果与NSIL方案相比,全球平均值误差减小了0.27 K。均方差误差减小了0.25 K,表明SIL方案确实起到了改善模式模拟效果的作用。

从区域上来看,SIL方案对热带太平洋区域对流层顶气温场的冷偏差有所改善。主要是由于热带地区太阳天顶角较小,长波区间增加的太阳辐射能够比较多的进入大气,到达对流层顶的太阳辐射能量也比较多,因此对对流层顶该地区的冷偏差有一定改善。但是总体来说,改进前后的模拟效果与ECMWF再分析资料相比仍存在较大的差异。大气上对流层与下平流层区域是大气动力、热力和大气成分结构发生巨大转换的区域,辐射过程、多尺度动力学过程和微物理学过程等都起着重要的作用(卞建春,2009)。因此仅仅改进辐射模块只能在一定程度上改进模式在该区域的模拟能力。

图6 NSIL(a)和SIL(b)方案模拟的对流层顶温度的误差(以ECMWF资料为参考值;单位:K)Fig.6 Differences in the tropopause temperature between simulations using (a)NSIL and (b)SIL schemes and ECMWF data(units:K)

3 结论与讨论

由于长波区间的太阳辐射能量仅占所有太阳辐射能量的1%,之前的气候模式为了处理上的方便,往往将长波区间的太阳辐射能量直接忽略或将长波区间的太阳辐射按照短波区间太阳辐射能量的分布,等比例的分配到短波区域。本文利用矩阵算子辐射传输算法,同时处理长波区间的热红外辐射和太阳辐射,利用国家气候中心BCC_AGCM2.0.1大气环流模式,研究长波区间太阳辐射对模式辐射和温度的影响。通过与各种观测资料比较表明,增加长波区间太阳辐射,对模式辐射通量和温度场的模拟能力都有所改进。

SIL方案增加了长波区间的太阳辐射,改进了长波区间晴空和有云大气地表向下辐射通量的模拟效果,其中晴空大气的改进更明显,主要是由于云反射了一部分长波区间太阳辐射,使得有云大气长波区间太阳辐射到达地面较少;同时也改进了长波区间晴空和有云大气模式顶向上辐射通量的模拟效果,其中有云大气的改进更明显,也是由于云反射的作用,使得有云大气长波区间太阳辐射到达模式顶较多。同时SIL方案通过增加长波区间的太阳辐射,增加了大气气体吸收,增加大气的加热率,从而影响气候模式模拟的温度场,SIL方案与NSIL方案相比,对赤道地区上对流层—下平流层区域温度场的冷偏差有一定改善,其中对对流层顶的气温场误差减小了0.27 K,均方根误差减小了0.25 K。

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(责任编辑：张福颖)

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

国家自然科学基金资助项目(41075056);国家重点基础研究发展计划项目(2011CB403405);公益性行业(气象)科研专项(GYHY201106022)

张华,博士,研究员,研究方向为大气辐射、云—气溶胶—辐射相互作用,huazhang@cma.gov.cn.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120223001.

1674-7097(2015)02-0175-09

P422

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120223001

卢鹏,张华,荆现文，等.2015.长波区间太阳辐射对气候模拟的影响[J].大气科学学报,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).