云量的多少與大氣層頂短波輻射強迫大小

利用衛(wèi)星資料

分析中國地區(qū)云及其輻射特性丁守國北京大學物理學院大氣科學系簡歷丁守國，北京大學物理學院大氣科學系博士后本科，1988－1992，蘭州大學大氣科學系；工作，1992－1998，河北省氣象局科研所；碩士，1998－2023，北京大學地球物理系，指導教師：秦瑜教授；博士，2023－2023，中國科學院大氣物理爭論所，指導教師：石廣玉爭論員爭論領域：云－輻射的相互作用，氣候變化云在氣候系統(tǒng)中的作用云輻射相互作用不同云特性對氣候的影響〔云高，文獻〕國際打算簡介ISCCP資料簡介全球背景云特性描述中國地區(qū)云輻射特性分析引子云總是與肯定的天氣系統(tǒng)聯(lián)系在一起的，依據(jù)衛(wèi)星圖像中云系的移動和變化來預報天氣，能夠大大提高天氣預報的準確度，云作為天氣降臨的信號，有助于我們提高預報天氣的力量依據(jù)氣候模式中輻射程序相互比較打算〔ICRCCM〕對用于GCMs中的不同輻射程序進展比較的結果說明，在當代用于氣候爭論和猜測的GCMs中，云和輻射及其相互作用的處理不當，是造成誤差和不確定的主要來源在氣候模擬和預報中，云是阻礙我們探究氣候變化的最大障礙云在氣候系統(tǒng)中的作用 云能調整地氣系統(tǒng)的輻射能量收支和水分循環(huán)的平衡，是影響氣候變化的重要因子。云的存在能夠極大地轉變長、短波輻射在大氣中的傳輸，影響到地氣系統(tǒng)輻射能量的收支云還是全球水分循環(huán)的重要組成，大氣中水分循環(huán)過程同時也是能量轉移的過程云和氣候的相互作用模式爭論說明：云特性(如云量、云高和云水含量等)的任何變化，都可能對全球和區(qū)域氣候產生重大影響〔WetheraldandManabs,1987〕全球或區(qū)域氣候變化也會引起云特性的調整這種關系就產生了一個簡單的氣候反響系統(tǒng)云氣候國際打算簡介因此，近年來對云—輻射相互作用及其的氣候效應的爭論極為重視，云—輻射相互作用在一些大型科學打算和試驗中都占有重要的地位。氣候模式中輻射程序相互比較打算〔ICRCCM〕國際衛(wèi)星云氣候學打算〔ISCCP〕地球輻射收支試驗(ERBE)美國能源部〔DOE〕的大氣輻射測量打算〔ARM〕全球能量與水份循環(huán)試驗〔GEWEX〕其它有待解決的問題 近年來，云—輻射相互作用的爭論取得了很大的進展，但有些重要問題并沒有得到圓滿的解決，我們還不太清晰：云和輻射相互作用是如何進展的〔機制〕？云特性的變化在多大程度上影響著當代氣候〔云的氣候反響〕？在變化了的氣候中，云又會發(fā)生怎樣的變化？〔云的氣候響應〕云—輻射相互作用的物理機制云頂冷卻和云底加熱轉變云中的溫度層結；晴空和云區(qū)冷卻率的不同，可以增加向云系的輻合；大范圍的晴空輻射冷卻對環(huán)境具有去穩(wěn)作用。Tao(1996))Heating/coolingrateatdifferentlocations不同云高對短波輻射加熱率的影響SZA=40云的厚度H=2km;LWP=200g/m2;Re=10um;云底高度分別取：1，3，5，7km 在其它條件一樣的狀況下，短波輻射對云頂?shù)募訜嵝ЧS云底高度的增加愈加顯著。向上、向下的短波輻射通量 與晴空大氣相比，云能夠大量反射入射的短波輻射，使到達地面的短波輻射能量大大削減，對下墊面起冷卻作用。二、不同高度云層的長波輻射變溫率云的厚度H=2km;LWP=200g/m2;Re=10um;云底高度分別?。?，3，5，7km 在其它條件一樣的狀況下，長波輻射云底加熱、云頂冷卻的效果隨云底高度的增加愈加顯著。向上、向下的長波輻射通量與晴空大氣相比，云的存在不同程度的削減了向外空間出射的長波輻射能量，云所在的高度越高，其向外射出的能量越少，即高云的增溫效應更顯著。全球溫度變化趨勢分布圖

〔1976－2023〕氣候變暖上個世紀最終20多年全球增溫顯著〔IPCC，2023〕東亞包括中國地區(qū)，是全球變暖速率最高的地區(qū)之一(王紹武，2023)全球平均溫度距平圖〔1856－2023〕

〔對1961－1990平均的偏差〕氣候變暖：整個90年月是自有器測記錄以來溫度最高的10年〔IPCC，2023〕有必要：爭論氣候顯著變暖背景下中國地區(qū)云特性的變化，即云對氣候變暖的響應目的答復：云是如何響應近年來中國地區(qū)氣候顯著變暖的？利用ISCCPD2云氣候資料集，分析近年來中國地區(qū)云變化，得到云對氣候變暖的響應答復：近年來中國地區(qū)云的變化對氣候的反響是正還是負？利用ISCCPFD云輻射通量資料，分析得到中國地區(qū)云輻射特性的變化，給出近年來云特性的變化對中國地區(qū)氣候的反響方向〔＋/－？〕結合氣候資料，分析不同云特性變化的緣由，以期從中提取人類活動對云的影響信息以往針對云氣候特征的爭論都是承受地面常規(guī)觀測資料，爭論對象也僅限于云量，主要緣由是缺乏系統(tǒng)、牢靠的云特性資料。國際衛(wèi)星云氣候打算〔ISCCP〕建立的云氣候資料，使得系統(tǒng)爭論云的不同特性及變化規(guī)律成為可能。ISCCP簡介國際衛(wèi)星云氣候打算〔ISCCP〕是世界氣候爭論打算〔WCRP〕的第一個子打算，始于1982年，至今已經20余年.ISCCP的主要目標有：利用多顆極軌衛(wèi)星和靜止衛(wèi)星得到全球紅外和可見光輻射資料集，以及大氣的根本輻射特性，從中得到不同云參數(shù)的全球分布以及云的輻射特性建立并檢驗全球云氣候資料集利用該資料集開展進一步的爭論，改進氣候模式中云輻射的參數(shù)化方案，以提高氣候模式的模擬和預報性能增進對地球輻射收支〔大氣層頂和地表〕以及水文循環(huán)的理解ISCCP網站：:///資料簡介ISCCP云資料集有多種，本文選用的是最新公布的逐月平均云資料集：D2資料集空間區(qū)分率：2.5°×2.5°時間跨度為1983.7－2023.9是目前關于全球云氣候資料集中最為完整的，相對于較早的C2資料集，在很多方面得到了改進，Rossow和Schiffer〔1999〕對此作了具體的爭論。Hatzianastassiou等人〔2023〕對極地云氣候特征的爭論也說明D2資料集確實優(yōu)于C2。與以前公布的D2資料集相比，本次公布的資料集更加完整，不僅僅延長了時間尺度，更重要的是，對此前資料中存在的一些問題進展了校正〔〕.該資料集中涉及130個與云相關的參數(shù)，其中包括云量、云水路徑、云頂溫度和光學厚度等云參數(shù)ISCCPD2資料對云的分類名稱云頂氣壓(mb)光學厚度云類云粒子相態(tài)低云>680≤3.55積云云水，冰晶3.55-22.63層積云云水，冰晶>22.63層云云水，冰晶中云440-680≤3.55高積云云水，冰晶3.55-22.63高層云云水，冰晶>22.63雨層云云水，冰晶高云≤440≤3.55卷云冰晶3.55-22.63卷層云冰晶>22.63深對流云冰晶內容全球背景云輻射特性簡介中國地區(qū)云及其輻射特性總結平均總云量與短波輻射強迫〔TOA〕的分布云量的多少與大氣層頂短波輻射強迫大小，有很好的對應.中國南方地區(qū)總云量不是很高的，但短波輻射強迫是全球最高的地區(qū)之一.這說明中國地區(qū)云短波輻射強迫具有獨特性.平均高云量與長波輻射強迫〔TOA〕的分布大氣層頂云長波輻射強迫的分布與全球平均高云量有很好的對應關系.青藏高原高云量較多，但長波輻射強迫并不高，這說明中國地區(qū)大氣層頂云的長輻射強迫具有特殊性.線性趨勢方法簡介 對資料序列T(t),t=1,2,?,n,以線性函數(shù)T=at+b來擬合原序列,按最小二乘法可求得常數(shù)項a和b，其中常數(shù)a就是趨勢項：其中：a值的正負，表示該資料序列隨時間變化的方向，正值表示資料隨時間有增加的趨勢，負值則表示趨于減?。籥確實定值的大小，表示變化的快慢程度. 在爭論趨勢分布的時候，對每個網格的時間序列，求得趨勢項，用每10年的變化量表示，正值表示增加，負值表示削減；確定值的大小表示變化的快慢,并用不同的顏色加以區(qū)分.全球平均總云量的變化趨勢全球平均總云量約為67％近年來全球平均總云量呈下降態(tài)勢，削減約4%，趨勢明顯從地理位置上看，熱帶和中緯度地區(qū)的總云量削減較多，高緯地區(qū)云量略有增加.不同云類云量的變化趨勢

影響總云量變化的主要是低云和高云量的變化從全球平均總云量的變化趨勢可以看出：盡管中云量在增加，但仍舊不能抵消低云和高云在過去近20年來總體的下降趨勢中國地區(qū)云及其輻射特性分析中國地區(qū)云的氣候響應云量云水路徑云頂溫度光學厚度氣候因子對中國地區(qū)云的影響分析中國地區(qū)云對氣候的反響輻射通量輻射強迫云量中國總云量分布特征我國平均總云量的分布呈現(xiàn)出南方多，北方次之，中間北緯40°四周云量最低.多云中心位于西南地區(qū)，東部沿海地區(qū)和藏南地區(qū)，其中最大的多云中心是西南地區(qū)。青藏高原西部地區(qū)，以及從塔里木盆地沿昆侖山脈和祁連山脈的北麓向東，經河套地區(qū)，太行山以東的華北平原，直到渤海灣的帶狀區(qū)域，為云量的低值區(qū)。總云量的變化趨勢在氣候顯著變溫和全球總云量趨于削減的背景下，中國地區(qū)云量也在削減，削減約3.6%新疆西部和東北局部地區(qū)，呈增加態(tài)勢中部少云地區(qū)的云量削減較為顯著；多云地區(qū)總云量的變化不大中國地區(qū)不同云類云量的年際變化

中、低云云量變化趨勢不明顯.高云量的削減特別明顯，削減幅度為2.7%，約占平均高云量的14.4%.中國地區(qū)平均總云量的削減主要是由于高云量的削減引起的.不同季節(jié)高云量變化趨勢春季平均高云量削減超過3%，占春季平均高云量的16%.冬季，平均高云量削減約為2.7%，約占冬季平均高云量的28%.中國地區(qū)的高云量的削減主要發(fā)生在春、冬兩季.不同云量消失頻率的變化不同云量消失頻率的年際變化ISCCP把云量消失頻率分為10檔，以10%為間隔中國地區(qū)晴空消失頻率在增加，而陰天消失頻率在削減.其它云量消失頻率的變化不明顯.極值云量年際變化趨勢中國地區(qū)平均總云量的削減主要表達在：晴空消失頻率的增加和陰天消失頻率的削減小結在氣候快速變暖背景下，中國地區(qū)平均總云量趨于削減.從分布上看，中部少云地區(qū)的云量削減最為顯著，而多云地區(qū)總云量的變化不大.從不同云類云量的變化趨勢看，高云量的削減對中國地區(qū)平均總云量的削減奉獻最大.從時間上看，中國地區(qū)的云量的削減主要發(fā)生在春、冬兩季.從極值云量的變化看，中國地區(qū)平均總云量的削減主要表達在：晴空消失頻率的增加和陰天消失頻率的削減.云水路徑中國地區(qū)云水路徑的變化趨勢中國地區(qū)年平均云水路徑增加約18g/m**2,增加幅度超過了平均云水路徑的25％，變化顯著.中國地區(qū)云水路徑呈普遍增加的趨勢.中國地區(qū)平均云水路徑近年來在各個季節(jié)都有增加，其中，冬季增加最為顯著，增加約30g/m**2.云頂溫度中國地區(qū)平均云頂溫度的變化平均云頂溫度總體呈顯著上升趨勢，升幅達7K以上.從分布上看，我國大局部地區(qū)平均云頂溫度都有很大程度的上升.各個季節(jié)都有增加，其中春季和冬季增加最為顯著中、高云云頂溫度的年際變化中云和高云平均云頂溫度都呈上升趨勢.其中中云云頂溫度約上升為1K；高云升幅比較顯著，約2K. 平均云頂溫度升幅達7K以上！而不同云類云頂溫度變化幅度只有1～2K，為什么？高云量的削減與平均云頂溫度上升示意圖平均240K，云量削減后，平均247.5K高云量的削減，使其下中、低云云頂溫度對平均云頂溫度的奉獻相對增大，使平均云頂溫度大幅上升270K240K240K平均云頂溫度與高云量的距平變化趨勢圖相關系數(shù)為-0.70，通過99%置信度檢驗高云量和平均云頂溫度的變化趨勢分布云頂溫度上升的地區(qū)與高云量削減的地區(qū)有較好的對應中國地區(qū)平均云頂溫度上升，有兩方面的緣由：高云量的削減和中、高云云頂溫度的上升。云頂溫度小結近年來，中國地區(qū)平均云頂溫度總體呈顯著上升趨勢.從分布上看，我國大局部地區(qū)平均云頂溫度都在上升.從季節(jié)上看，各個季節(jié)都有上升，其中春季和冬季的增溫最為顯著中國地區(qū)平均高云量的顯著削減，使得低層的中、低云云頂溫度對平均云頂溫度的奉獻相對增大，是平均云頂溫度顯著增加的主要緣由。另外：中、高云云頂溫度也在上升。云的光學厚度平均云光學厚度的變化在1984－2023年間，中國地區(qū)平均云光學厚度呈顯著增加趨勢，增幅約為1.大局部地區(qū)云的光學厚度呈增加的趨勢，其中，青藏高原東南部地區(qū)，西南地區(qū)以及大興安嶺一帶地區(qū)，增加最顯著中國地區(qū)平均云光學厚度近年來在各個季節(jié)都有增加，其中冬季增加最為顯著中國地區(qū)平均云厚的變化云頂高度選取對流層大氣溫度的平均遞減率為6.5K/km。依據(jù)地面溫度和云頂溫度的變化，利用： 就可得到云頂高度的變化狀況.無論是平均云頂溫度，還是中、高云的云頂溫度，其增幅度都高于地面溫度的增幅，由此可見：中國地區(qū)平均云頂高度在下降！云底高度 隨著地表溫度的增加，濕空氣要在更高的高度上才能分散，抬升分散高度〔LCL〕〔即云底高度〕將相應上升。即云底高度隨地面溫度的上升而抬升。 觀測說明：1〕夏季云底高，而冬季云底低！〔林明媚，2023〕2〕大氣輻射測量打算〔ARM〕的觀測說明，隨著溫度的上升，云底在抬升〔AnthonyDelGenio，2023〕 近年來中國地區(qū)溫度在上升〔王紹武，2023〕，因此可以得出：中國地區(qū)平均云底高度在抬升！云頂下降云底抬升中國地區(qū)平均云厚在變??！云水路徑在增加這意味什么？云水路徑:單位面積大氣柱中云水的總量：影響云水路徑的因子：云厚，云粒子的大小和數(shù)濃度平均云水路徑增加顯著云體變薄不考慮云粒子大小的變化，可以得到：中國地區(qū)云粒子數(shù)濃度在增加！緣由分析:近年來人為氣溶膠排放增加〔Luo，2023，Menon，2023〕，可能導致CCN濃度增加〔Hobbs,1993〕，使得云粒子數(shù)濃度相應增加.通過云的宏觀特性近年來的變化，我們得到中國地區(qū)云的微物理特性的變化，從而將人類活動與云的變化聯(lián)系起來.云粒子數(shù)濃度的變化云對氣候的響應小結在氣候快速變暖背景下，中國地區(qū)平均總云量趨于削減，其中高云量的削減最顯著從時間上看，云量的削減主要發(fā)生在春、冬兩季；從極值云量消失頻率的變化看，云量的削減主要表達在晴空消失頻率的增加和陰天消失頻率的削減.云水路徑，云頂溫度和云的光學厚度則都呈顯著增加.這種增加在各個季節(jié)都有發(fā)生，其中冬、春季增加最為顯著.中國地區(qū)云粒子數(shù)濃度在增加

氣候因子對中國地區(qū)云的影響分析方法 選取影響中國地區(qū)天氣或氣候變化的主要氣候因子，與云參數(shù)作相關分析，來比較不同氣候指數(shù)對中國地區(qū)云特征量影響的大小氣候因子代表熱帶低緯氣候特征的：南方濤動指數(shù)和Nina34指數(shù)代表西北太平洋氣候特征的：西太平洋的副高強度指數(shù)和北太平洋指數(shù)代表北半球大氣活動的：北半球極渦強度指數(shù)，北半球極渦面積指數(shù)，亞洲北極渦強度和面積指數(shù)表征平均大氣環(huán)流的亞洲緯向環(huán)流指數(shù)和經向環(huán)流指數(shù)。不同氣候指數(shù)與年平均晴空頻率的線性相關系數(shù)統(tǒng)計表

表中各項均通過95%置信度檢驗，**項通過99%置信度檢驗氣候指數(shù)亞洲緯向環(huán)流指數(shù)亞洲經向環(huán)流指數(shù)亞洲北極渦強度指數(shù)亞洲北極渦面積指數(shù)北半球極渦強度指數(shù)相關系數(shù)0.19380.1070-0.4527-0.6038-0.4129顯著程度******氣候指數(shù)北半球極渦面積指數(shù)北太平洋指數(shù)西太平洋副高強度指數(shù)nina34南方濤動指數(shù)相關系數(shù)-0.4167-0.27050.1507-0.35890.4057顯著程度******晴空頻率與亞洲北極渦面積指數(shù)的距平圖相關分析的結果說明，中國地區(qū)晴空消失頻率與亞洲北極渦面積指數(shù)存在很好的負相關，相關系數(shù)為-0.6，通過99％置信度檢驗。北極渦活動的減弱〔趙振國，1999〕，可能是中國地區(qū)晴空消失頻率增加，平均總云量削減的氣候學方面的緣由不同氣候指數(shù)與中國地區(qū)平均云頂溫度和高云云頂溫度的相關統(tǒng)計表

氣候指數(shù)平均云頂溫度高云溫度亞洲緯向環(huán)流指數(shù)0.346090.297亞洲經向環(huán)流指數(shù)0.132910.087902亞洲極渦強度指數(shù)-0.26348-0.52045*亞洲極渦面積指數(shù)-0.57977*-0.71943*北半球極渦強度指數(shù)-0.71728*-0.53473*北半球極渦面積指數(shù)-0.50305*-0.73005*西太平洋副高面積指數(shù)0.017909-0.069518西太平洋副高強度指數(shù)0.024907-0.011101南方濤動指數(shù)0.269780.53478*中國地區(qū)溫度距平0.66151*0.77736*北太平洋指數(shù)（NP）-0.0770650.064103Nina34-0.20286-0.46847表中各項均通過95%置信度檢驗，*項通過99%置信度檢驗平均云頂溫度與北極渦強度指數(shù)距平的年際變化相關分析的結果說明，中國地區(qū)平均云頂溫度與北極渦強度指數(shù)存在很好的負相關，相關系數(shù)為-0.72，通過99％置信度檢驗。北極渦的減弱，可能是近年來影響中國地區(qū)云頂溫度上升的氣候學方面的緣由之一。不同氣候指數(shù)與平均云光學厚度和云水路徑相關系數(shù)統(tǒng)計表氣候因子光學厚度云水路徑亞洲緯向環(huán)流指數(shù)0.199940.17965亞洲經向環(huán)流指數(shù)0.120650.12322亞洲極渦強度指數(shù)-0.32002-0.19526亞洲極渦面積指數(shù)-0.58542*-0.52247*北半球極渦強度指數(shù)-0.70564*-0.64329*北半球極渦面積指數(shù)-0.57849*-0.51558*西太平洋副高面積指數(shù)-0.11563-0.047847西太平洋副高強度指數(shù)-0.13208-0.069591南方濤動指數(shù)0.492870.39412中國地區(qū)溫度距平0.55293*0.53936*北太平洋指數(shù)（NP）0.034068-0.024282Nina34-0.4019-0.32933表中各項均通過95%置信度檢驗，*項通過99%置信度檢驗小結通過對云參數(shù)與各個氣候因子的相關分析，我們覺察，不同云參數(shù)〔晴空消失頻率、云頂溫度等〕都與代表北極渦活動強弱的氣候指數(shù)有很好的相關！近年來北半球大氣活動減弱〔Wang，2023〕，特殊是北極渦活動的減弱〔趙振國，1999〕，可能是影響中國地區(qū)云特性變化的氣候學方面的緣由。中國地區(qū)云輻射特性分析云輻射強迫的定義某一層給定大氣的凈輻射通量，與假定云不存在時，同一大氣的凈輻射通量之差。輻射強迫能夠標示氣候變化的趨勢晴空狀況晴空反射短波輻射通量變化趨勢〔TOA〕晴空大氣層頂反射短波輻射通量呈增加趨勢從分布上看，中國東部地區(qū)反射力量增加顯著晴空大氣層頂反射短波輻射的顯著增加，很可能是由于近年來人為氣溶膠排放增加引起的.晴空射出長波輻射通量變化趨勢〔TOA〕晴空大氣層頂射出長波輻射通量略有增加，但趨勢不明顯.東部地區(qū)，大氣層頂出射長波輻射在削減，而西部地區(qū)在增加.緣由分析：由于氣溶膠濃度的增加，可能吸取局部地表向上的長波輻射能量，并以自身較低的溫度向上放射長波輻射，凈的效果使得這些地區(qū)晴空大氣層頂射出長波輻射有所削減。而西部地區(qū)大氣層頂，射出長波輻射的增加，則使由于地面溫度的增加引起的.全天候狀況大氣層頂反射短波輻射通量的變化趨勢中國地區(qū)大氣層頂對短波輻射的反射力量在增加.從變化趨勢分布上看，與云光學厚度的變化有很好的對應，可見大氣層頂反射短波輻射的增加，主要是由于云光學厚度的變化引起的。大氣層頂射出長波輻射輻射通量的變化大氣層頂向上長波輻射通量近年來呈顯著增加趨勢.變化趨勢分布與平均云頂溫度及高云量的變化趨勢分布有很好的對應高云量的削減，造成平均云頂溫度大幅上升，是近年來大氣層頂射出長波輻射通量顯著增加的主要緣由云輻射強迫大氣層頂云短波輻射強迫的變化〔TOA〕云短波輻射強迫＝全天候凈輻射通量－晴空凈輻射通量由于晴空和全天候大氣層頂反射短波輻射通量都在增加，兩者差的變化不大，因而，大氣層頂云短波輻射強迫的年際變化趨勢不明顯但從分布上看，不同地區(qū)大氣層頂云短波輻射強迫的變化趨勢有差異。中國大局部地區(qū)云的短波輻射強迫在增加，但高原以東局部地區(qū)在減小。云長波輻射強迫的變化〔TOA〕長波云輻射強迫＝晴空凈輻射通量－云天凈輻射通量中國地區(qū)晴空大氣層頂射出