气候模式中云辐射反馈过程机理的评述.pdf

第20卷第2期地球科学进展Vol.20No.2
2005年2月ADVANCESINEARTHSCIENCEFeb.,2005

文章编号:100128166(2005)0220207209
气候模式中云辐射反馈过程机理的评述3

汪方1,2,丁一汇3
(1.南京信息工程大学,江苏南京210044;21中国气象科学研究院,北京100081;
31中国气象局国家气候中心,北京100081)

摘要:云对地气系统的辐射收支具有十分重要的作用,云辐射参数化是目前气候模式中不确定性
的主要来源。云可以通过多种途径对辐射产生影响,形成不同符号、不同量值的反馈机制。研究表
明,模式气候对不同的云辐射参数化方案十分敏感。预报云水含量方案的引入,改进了对云辐射过
程的模拟,但与观测资料相比仍有差距。一般说来,模式中引入云水的相变和相互作用的云粒子大
小产生负反馈,而光学厚度和云量产生的是正反馈。云辐射反馈的净作用其大小和符号因模式而
异。云辐射与大尺度天气气候背景之间有着紧密的联系,尤其是海温对辐射平衡有显著影响。最
后总结了当前云辐射研究中存在的主要问题,并提出了改进的途径。
关键词:气候模式;云辐射反馈;参数化
中图分类号:P46文献标识码:A

参数化提供必要的云参数,而辐射参数化以晴空大
0引言
气的辐射传输理论为基础,在考虑云辐射影响的情
云覆盖了地球约2/3的面积,在地气系统的辐况下,计算地气系统辐射收支及其辐射加热率,而地
射收支中起着重要的作用。一方面,云能够吸收和气系统加热场的改变,又反过来改变下垫面热状况
散射太阳短波辐射,对地气系统起到降温作用;另一和大气环流,影响云的生成。
方面,云能有效地吸收地表和云下大气放射的红外从云辐射相互作用的角度来看,云及其辐射性
长波辐射,并以云顶较低的温度向外发射长波辐射,质的参数化大致经历了3个阶段:一是早期模式根
对地气系统起到保温作用。云对辐射的影响通常用据气候观测资料将云量设定为固定的值[4],该方法
云辐射强迫(CRF)[1,2]来表示,一般说来,云的长波只考虑了云对辐射的平均气候效应,没有考虑云和
辐射强迫是正的,会增加地气系统吸收的能量,而云辐射之间的相互作用;二是诊断云方案阶段,即用大
的短波辐射强迫是负的,云的存在使得地气系统吸尺度变量(相对湿度、垂直速度和大气稳定度参数)
收的太阳辐射减少。对气候变化起关键作用的云的来表征云的形成[5],主要考虑了云的宏观性质(云
净辐射强迫在全球来说有正有负,但当前气候条件量和云高)和辐射之间的反馈作用,而云的微物理
下全球平均的云净辐射强迫是负的,对地气系统起辐射性质(如光学厚度、反照率、发射率等)仍由观
到冷却作用[3]。测经验给出;三是预报云方案阶段,将云水含量作为
云辐射过程的空间尺度通常要小于当前气候模和其它大尺度变量一样的预报变量,主要是为了更
式所能达到的最高分辨率,在气候模式中必须对其好地对云和降水中的微物理过程进行参数化,以及
进行参数化。云辐射参数化包括云的参数化和辐射在模式中考虑云的微物理性质和辐射之间的相互作
～
参数化,两者虽然在气候模式中分开进行处理,但有用[68]。
着紧密联系。云参数化主要用于产生云,并为辐射云和辐射之间的相互作用十分复杂,可以通过

3收稿日期:2004201229;修回日期:2004206228.
3作者简介:汪方(19742),男,湖北宜昌人,博士研究生,主要从事海气耦合模式云辐射参数化敏感性研究.E2mail:[e-mail]

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多种方式产生反馈机制(图1),因此,在气候模式中就越强,这是因为云量的变化经常伴随着云高的变
对云辐射过程进行合理的参数化对于气候变化的模化,这也会导致地气系统的辐射平衡发生改变。
拟十分重要。大量研究表明,模式气候对云辐射参气候变化以后云量反馈对气候敏感性如何影

数化的响应十分敏感,IPCC最近的3次评估报响,研究发现云反馈过程明显增强了由于CO2加倍
告[9～11]指出,云辐射参数化是制约当前气候模式模引起的地球表面变暖[16,17]。这主要是由于气候变
拟水平的关键因素,是模式不确定性的主要原因。暖后对流层上部云层高度增加,云顶温度降低,向外
对于不同的云辐射参数化方案,不同模式给出的气长波辐射减小,同时对流层上部云量减小,降低了行
[12～14]
候敏感性的差异可以达到3倍的量级。星反照率,形成很强的高云正反馈,并在量级上远大
随着近几十年来观测技术的发展,云辐射观测于高纬低云的负反馈。
资料的数量和质量都有了较大提高,这在很大程度1.2云量的垂直重叠
上增强了我们对