考虑暖云微物理特性垂直连续变化的宽带辐射传输参数化方案研究

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建立一套快速准确的辐射传输算法计算云辐射效应对当今气候模拟具有重要意义。观测表明,云微物理特性(包括云水含量和云粒子有效半径)是随高度连续变化的。这些变化使得云介质内部光学性质垂直分布不均匀,从而影响辐射传输的计算。但是当前气候模式,由于其垂直分辨率较低,无法计算云这一特性所引起的辐射效应。因此,如何高效地在气候模式中计算由云微物理特性随高度连续变化而引起的辐射效应具有重要意义。针对这一问题,本文建立了考虑云微物理特性垂直连续变化的多层短波和红外辐射传输方案。这些方案利用指数公式表示云介质内部光学性质的垂直连续变化,并使用微扰方法分别结合短波Eddington近似和红外二流离散纵坐标方法求解变系数的短波和红外辐射传输方程。基于四个不变性原理的多层累加法被应用于这些方案以求解多层非均匀大气中的短波和红外辐射传输。为了验证新方案的计算精度和计算效率,本文将新方案耦合到了加拿大气候中心的大气辐射传输模式当中并与传统短波Eddington近似和红外二流离散纵坐标方法的计算结果进行比较。根据比较结果,我们得到如下结论:(1)忽略云中云水含量和云粒子有效半径垂直连续变化的特性可对短波向下辐射通量造成最大5.77 W/m2的误差,对短波向上辐射通量造成最大8.97 W/m2的误差,对短波加热率造成最大-0.27 K/day的误差。而新短波辐射传输方案可以显著减少忽略这一特性所带来的误差。新辐射传输方案的向下辐射通量,向上辐射通量和加热率的最大误差仅为0.05 W/m2,0.22 W/m2和0.05 K/day。(2)忽略云中云水含量和云粒子有效半径的垂直连续变化对红外向下辐射通量造成的误差较小,但其对红外向上辐射通量和红外加热率有较大的影响。传统红外二流离散纵坐标累加方案计算的向上辐射通量误差可达到1.51W/m2,加热率误差可达到-0.94K/day。新红外辐射传输方案的向上辐射通量和加热率的最大误差仅分别为-0.23 W/m2和-0.07 K/day。(3)在计算效率方面,当只考虑纯算法时,新短波辐射传输方案的计算时间是传统Eddington近似累加方案的3倍;新红外辐射传输方案的计算时间是传统红外二流离散纵坐标累加方案的4倍。当耦合入大气辐射传输模式之后,新短波和红外方案的计算时间分别是传统Eddington近似和传统红外二流离散纵坐标方法的2倍。因此,本文新提出的短波和红外辐射传输方案非常适合应用到气候模式中以模拟云微物理特性垂直连续变化所带来的辐射效应。
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