云辐射效应在华北持续性大雾维持和发展中的作用

观测研究发现华北地区的持续性大雾天气通常伴随高层云的存在,具有云-雾共存结构特征,为揭示云在持续性大雾维持和发展中的作用,利用中尺度数值模式WRF,结合华北雾霾观测试验期间的卫星、探空、地面观测、系留气艇、微波辐射计等观测资料,研究了2011年12月3—6日和2013年1月28—31日两次华北持续性大雾天气形成和发展演变过程。在模拟与观测对比检验研究的基础上,重点开展了云辐射效应在大雾维持和发展中作用的探讨。研究结果表明:两次大雾过程持续时间超过48 h,近地面具有偏南暖湿平流,在持续性大雾发展过程中,均出现了由单层雾发展为云-雾共存结构,一般是雾形成24 h以后有中高云移到雾层之上,云底高度在3 km以上,云厚超过3.5 km,云中以冰晶和雪晶为主。白天云-雾共存结构出现后,云-雾的反照率效应使地表接收的短波辐射减少71%—84%,地面增温效应显著减小,从而阻碍了大雾的消散过程,使大雾天气得以维持,同时由于云-雾产生的温室效应,湍流过程加强,使地面雾向上扩展,雾在稳定层内维持;夜晚云-雾共存时,由于云-雾温室效应使地表净长波辐射增大超过70 W/m2,导致地面长波辐射冷却过程减弱,并不利于雾的加强,但云对雾的增温效应有利于混合层内的湍流扩散过程,促使雾在更高的空间内得以维持。可见,在云-雾共存结构中,云辐射效应有利于低层大雾的长时间维持,对持续性大雾的形成和发展产生了重要作用。

GRAPES-Meso模式浅对流云辐射效应的改进试验

在万子为等(2015)对GRAPES-Meso模式浅对流参数化改进的基础上,进一步引入了浅对流云量诊断计算,并设计旨在完善浅对流云辐射效应的浅云云量和云中水凝物的补偿方案,以改进模式低层云量偏少和浅对流云辐射效应不足的问题。通过对数值试验结果的诊断和对比分析以及与观测的比较,重点考察了浅对流云量计算与浅对流激发的协调性、浅对流云对低云补偿后所产生的辐射效应以及对模式地面要素预报的影响等,验证了改进方案的合理性与有效性。结果表明:(1)浅对流云量诊断计算合理,其云覆盖区与浅对流激发区相吻合,引入浅对流云量的计算可减小模式云量的计算偏差、使其向观测结果靠近;(2)改进方案在浅对流发生区低层0.5—4 km高度范围内,对影响模式云辐射过程的浅云云量和云中水凝物形成有效补偿,最明显的浅云补偿在1—1.5 km高度处,浅对流活跃时期浅对流过程对浅云水凝物(云水和雨水之和)的补偿量可达20%—55%;(3)云光学厚度对浅云水凝物的补偿响应合理,即水凝物的补偿引起云光学厚度增大,两者的变化特征在时空分布上十分相似,且云光学厚度之变化受云水补偿的影响比受雨水补偿的影响更明显;(4)在白天时段,浅云补偿所产生的辐射效应使模式地表太阳总辐射有所下降,缩小了与观测的偏差,进而使地表温度和地面2 m气温模拟偏差减小。改进方案在缓解模式云量偏少、地表太阳总辐射偏强和地面2 m气温偏高等方面的作用,在批量试验中得到了验证。

春季地表云辐射效应与7月高原低涡之间的联系

高原低涡是青藏高原夏季重要的降水系统,其移出高原还可在下游地区产生灾害性天气,探究前期因子对盛夏高原低涡的影响,可为高原低涡产生的灾害性天气预报提供参考依据.基于CERES辐射产品,ERA-Interim再分析资料及高原低涡数据集,采用相关分析、SVD分析、合成分析等方法,对2001-2017年春季地表净云辐射效应和7月高原低涡之间的联系进行了探讨.结果表明:当印度半岛春季云辐射加热作用偏强、中国东部及西太平洋地区云辐射冷却作用表现为北弱南强时,7月高原低涡(特别是暖性高原低涡)频数偏多、强度偏强,并且更容易移出高原.春季印度半岛云辐射加热通过增加地表温度,减小大气稳定度,从而增加印度半岛中低层气旋性环流,利于孟加拉湾的水汽向高原输送,为高原低涡提供水汽条件;同时加强高空辐散,进而造成南亚高压增强东伸,与低层系统配合,为低涡的生成及发展提供动力条件.中国东部及西太平洋地区云辐射冷却北弱南强地分布增加了向北和向南的温度梯度,增强了低层辐合、高层辐散的形势,从而有利于西太平洋副热带高压的增强西伸,从而使得洋面上的水汽更容易向内陆输送,为高原低涡的发生发展提供水汽条件.根据SVD分析结果定义了3个云辐射效应指数,它们对7月高原低涡的特征具有一定的指示意义.不同云辐射效应指数与环流场之间的相关关系验证了春季印度半岛(中国东部及西太平洋地区)地表净云辐射效应主要通过影响后期高原南侧的水汽输送和高层南亚高压(西太副高)的强度,进而影响有利于后期7月高原低涡生成和发展的条件.

云辐射效应对一次高原低涡过程影响的数值模拟研究

利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2G卫星相当黑体亮温TBB数据,通过WRF(V3.8.1)模式对2015年8月5—7日的一次高原低涡过程进行了4组模拟试验,研究了云辐射效应对高原低涡过程的影响。结果表明,云辐射效应主要通过改变云区的辐射分布影响大气稳定度,从而影响高原低涡的发展和结构。在低涡生成阶段,白天云辐射加热抑制低涡南侧的对流,从而有利于水汽和动量向低涡源地输送;夜间云顶长波冷却促进涡区的对流活动,有利于低涡的发展。低涡成熟阶段中,涡心及其周围区域夜间辐射冷却的水平和垂直分布利于涡心下沉、外围上升的垂直运动分布,并与云辐射效应构成正反馈过程,有利于涡眼结构的形成。在低涡快速东移阶段中,云辐射加热和冷却的昼夜变化调节着低涡的强度和东移速度,而当低涡东移出高原后,这种作用则变得不显著。

春季云属性的空间分布特征及其对北极海冰减退的影响

春季云属性的分布和变化对北极9月的海冰变化具有重要的预调节作用。但是,在北极及全球气候变暖加剧的背景下,春季云和9月海冰之间的关系及其在北极不同海域的特征需要进一步更新。本文基于ERA5云辐射、MODIS云量和云水路径以及美国国家冰雪中心的海冰密集度(sea ice concentration,SIC)数据,首先分析了2000—2017年北极地区春季云量、云水路径两种云宏观属性与云长波辐射效应、云短波辐射效应两种云辐射属性气候学尺度的空间分布特征,然后探讨了云宏观属性和辐射属性的相关关系,以及在不同感兴趣区(region of interest,ROI)内的海冰变化对云属性的响应特征。结果表明,在北极的春季,云量的分布随海冰密集度的升高而递减,云水路径的分布随纬度的升高而增大。云长波辐射效应的分布不连续,未见显著规律,在巴伦支海和东格陵兰海域及其以北的北冰洋海域(ROI2)以外的其他区域,云短波辐射效应差异较小。北极云量和云水路径与云长波辐射效应主要存在正相关关系,与云短波辐射效应存在负相关关系,但在相关性的强度和范围上云水路径均不如云量。在冰边缘区占比最高的拉普捷夫海和喀拉海域及其以北的北冰洋海域(ROI1)和波弗特、楚科奇、东西伯利亚海域及其以北的北冰洋海域(ROI4),春季云长波辐射效应倾向于增强9月海冰的融化,云短波辐射效应作用相反,这种响应的滞后时长约为4个月。在多元回归模型中,决定系数可用于表征自变量对因变量的解释程度,决定系数的结果表明,ROI1的云量变率占海冰退化成因的约18.53%,ROI4的云量和云水路径的重要性在海冰减退机制中没有得到体现。