云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

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引言
近年来, 云或有云大气对太阳短波辐射的异常
量的实测资料; 二是加强对云及有云大气吸收机制 的基础性理论研究。由于云 ! 辐射过程的复杂性, 目前在这方面的研究仍不够充分。因此, 从理论角 度来讲 , 有云大气的短波辐射特性值得更加深入地 探讨和研究。有云大气吸收量的多少受到多种因素 的影响 , 许多研究工作从不同的角度探讨了这些因 素的影响效应。例如 , Zuev 等[ 10] 用统计模式计算 了云天大气的吸收情况, 结果表明, 整层大气的总 吸收受到云型、云量以及入射太阳天顶角等因素的 影响。李占清等[ 11] 也得出相近的结论 , 即地面的 云辐射强迫与大气顶的云辐射强迫的比值 , 不仅与 云顶高度和云的光学厚度有关, 而且与太阳入射天 顶角有关。Dan Lubin 等[ 12] 研究了不同太阳天顶角 下云天及晴空大气的吸收随波长的分布特点。对于 气溶胶对大气总吸收的影响 , 一般认为 , 无论是云 层外部的气溶胶, 还是云层内部的气溶胶 , 都会影 响到总体的吸收[ 1,
2]
。近二三年来, 争论激烈的问题
[ 3]
则是整 层大 气 ( 包括 晴空 大 气和 有云 大气 ) 是 否 存在异常吸收。 Ramanat ha 等
[ 6]
、Cess
[ 4, 5]
、Pilewskie
对不同观测资料的研究结果均显示 , 有云大气
[ 7]
存在异常吸收。而 Arking Cess 等
[ 4]
0= 0=
0∀) ( 如图 1a) 时 , 大气吸
0=
收率比晴空时增加了 0. 43, 这一增幅在
60∀( 如
75 ∀( 图略) 时分别为 0. 32 和 0. 24 。此
外 , 在 1. 19~ 2. 38 m 波段, 云层高度对整层大气 吸收的 影响表 现得更 为明 显。以 垂直 入射 ( 如图 1a) 时为例: 在该波段内, 低云的存在使大气平均吸 收率比晴空时增加了 0. 41, 而这一增幅在有中云时 为 0. 34。与其余两个云水有吸收 的波段相比 , 在 2. 38~ 4. 0 m 波段内 , 有云大气的平均吸收率与 晴空时的差别不再显著。 图 2 表明 , 与图 1a 中的情形相比 , 当天空含吸
13]
吸收, 成为云 ! 辐射相互作用中的一个研究热点。 所谓异常吸收现象, 实质上包含两个方面: 一是就 一层云而言, 指的是实测的水云吸收率系统性地明 显大于云模式的理论计算值的现象; 二是就有云大 气而言, 指的是目前大气环流模式和气候模式得出 的有云大气的平均吸收要明显小于实际观测值的现 象。对于前者, 目前倾向性的看法是 : 水云的异常 吸收是存在的[ 1,
T he absor ptivity in urban aer osol atmosphere, the so lar zenith angle is 0∀. ( a) the albedo of underlying surface is 0. 2 and ( b) is 0. 8
图3 Fig. 3
2
计算方法和步骤
我们选用 L OWT RAN - 7 中中纬夏季大 气模
式以及春、夏季海洋和城市背景的气溶胶模式 , 水 云的滴谱以及波长为 0. 65 m 和 1. 39 m 的散射 相函数取自文献 [ 14] 。整层大气分为 8 层, 大气顶 的高度取为 100 km 。下垫面为海洋背景时地面反 照率取 0, 为陆地背景时地面反照率取 0. 2 和 0. 8, 能见度取 23 km 。有云时即在晴空背景的相应高度 嵌入水云云层, 云底高度分别取为 2. 0 km( 低云 ) 和 4. 0 km( 中云) , 云层厚度均为 0. 5 km, 光学厚 度为 38. 3。 选取 0. 3~ 0. 69 m 、0. 69~ 1. 19 m 、1. 19~ 2. 38 m 、 2. 38~ 4. 0 m 四个波段 , 同时考虑了分 子散射、气溶胶和云滴的吸收与散射, 以及大气分 子中 H 2 O、CO 2 、 O 3 、O2 等成分的吸收作用, 并在 2. 38~ 4. 0 m 波段内考虑了大气以及云自身的热 辐射。 对于散射作用 , 我们在四个波段中各取一典型 波长作为代表, 该波长的各散射参数由其所属波段 的数据资料插值而得。由于缺乏足够详细的水云相 函数资料, 因此在云水无吸收的 0. 3~ 0. 69 m 波 段, 采用波长为 0. 65 m 的水云相函数替代 ; 而在 其余三个云水有吸收的波段 , 采用波长为 1. 39 m 的水云相函数替代。对于大气分子的吸收作用 , 采 用 LOWT RAN - 7 模式中的吸收参数资料及 其平 均透过率的算法。在计算整层 大气的平均吸 收率 时, 将以上得到的平均透过率数据按指数衰减关系 转换成光学厚 度, 加到每一 气层的散 射光学厚 度 中, 再引到 DISORT 模式中。这样, 就可以在每一 气层的直接和漫射入射辐射中考虑到由于分子吸收 而引起的这部分衰减作用。 我们分别计算了晴空及有云大气在 0. 3~ 0. 69 m 、0. 69~ 1. 19 m 、1. 19~ 2. 38 m 、2. 38~ 4. 0 m 波段内对太阳辐射的平均吸收率, 太阳入射天 顶角分别取 0∀、30∀、60∀、75 ∀。同时 , 计算了不考 虑分子吸收或气溶胶的吸收和散射时大气在以上波 段的吸收状况。具体计算步骤如下 : ( 1) ( 2) 计算各层的光学参数。 输入 DISORT 模式所需的各输入参量。
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度、不同下垫面的情况 , 大气中的辐射过程包含大 气分子、气溶胶、云滴的吸收和散射, 以及在近红 外波段大气自身的热辐射过程。
射以及下垫面性质的各有关参数。 ( 3) 由 DISORT 模式得出各高度上的净辐射 通量, 整层大气的吸收率由下式计算: A = ( FNET to a - FNET boa ) / F DOWN toa, 其中 F NET t oa和 FNET boa 分别是大气层顶部和底部 的净辐射通量 , FDOWN t oa 为大气层顶入射的太阳 辐射。 类似地, 某一气层( 或云层 ) 的吸收率定义为该 层顶部和底部的净辐射通量之差与该层顶部入射太 阳辐射的比值。 ( 4) 为考察气溶胶对整层大气总吸收的影响, 我们引入因子 A a - A 0 , 用以反映大气在含与不含 气溶胶时的吸收量之差。其中 A a 为考虑气溶胶的 吸收与散射时大气的总吸收率 , A 0 为不考虑气溶 胶的吸收与散射时大气的总吸收率。
要 : 云通过辐射过程对地气系统的能量平衡起 着特别 显著的 调节作 用 , 是 影响天 气、气 候以及 全
球变化的重要因子。近年来 , 有云大气对太阳短波辐射的 异常吸收 又成 为云 ! 辐射研 究中的一 个争 论热点。有云大气的短波吸 收受到多种因素的影响 , 关于 这方 面的研 究还 不够 充分。本 文通过 计算 , 从理论上探讨了若干因素的组合对大气 吸收的综 合影响。 在计算 中 , 同 时考虑 了不同 太阳辐 射波段、 不同太阳入射天顶角、不同云顶高度以及不同下垫 面的影 响 , 并考虑了 包含大 气分子、气溶 胶和云 滴 的吸收与 散射 , 以及在近红外波段大气自身的热辐 射等过程 , 阐明了 云与气溶胶 在不同波 段对大气 吸 收太阳辐射的影响。 关键词 : 云辐射 ; 气溶胶辐射 ; 大气的短波吸收 中图分类号 : P422. 3 + 1 文献标识码 : A
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通过计算, 我们还考察了云层的存在对其上下 气层吸收率的影响。以含海洋 型气溶胶的大 气为 例, 有低云存在时 , 云下大气在四个波段内的平均 吸收率与晴空时的差别均不明显 , 云上大气的吸收 率与晴空时的差别则因波段而异。其 中在 1. 19~ 2. 38 m 波段内 , 云上大气的吸收要明显强于晴空 时, 尤以太阳垂直入射时最为突出 ( 如图 3) ; 而在 2. 38~ 4. 0 m 波段内, 当太阳入射天顶角较大时 , 云上大气的吸收则明显弱于晴空时 ( 图略 ) 。在 0. 3 ~ 0. 69 m 、0. 69~ 1. 19 m 和 1. 19~ 2. 38 m 波 段, 中云的存在对其上下气层的吸收率的影响大致 与低云类似。但在 2. 38~ 4. 0 m 波段内 , 有中云 时, 云下大气的吸收与晴空时的差别较为明显 ( 如
除气层本身的光学参数外 , 还包含描述太阳入射辐
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高
原
气
象
20 卷
收性较强的城市型气溶胶时, 大气总吸收的增加更 明显地表现在晴空大气而非有云大气中。但在 0. 3
~ 0. 69 m 波段, 当地面反照率增大时, 有云大气 的吸收有较明显的增加。
图1 Fig . 1
含海洋型气溶胶大气的吸收率
( a) 太阳入射天顶角为 0∀, ( b) 太阳入射天顶角为 60 ∀
T he absor ptiv ity in oceanic aerosol atmosphere. ( a) the solar zenith angle is 0∀ and ( b) is 60 ∀
图2 Fig . 2
含城市型气溶胶大气的吸收率 , 太阳入射天顶角为 0∀
( a) 地面反照率为 0. 2, ( b) 地面反照率为 0. 8
[ 4]
。
的分析方法和
由此来看 , 根据实际情况 , 考虑若干因素的组 合对大气吸收的综合影响 是非常有意义 的。基于 此 , 本文采用辐射计算程序软件包 ! ! ! DISORT 计 算了有云大气的吸收。在计算中, 同时考虑不同太 阳辐射波 段、不同太 阳入射天 顶角、不同 云顶高
收稿日期 : 1999 06 01; 改回日期 : 1999 08 10 基金项目 : 我国短期气候预测系统的研究 ( 九五 重中之重项目 ) ( 96 908 01 06 4) 资助 作者简介 : 胡丽琴 ( 1972 ! ) , 女 , 硕士 , 主要从事气象卫星资料的应用等方面的科研工作 * 现在中国气象局国家卫星气象中心工作 , 北京 , 邮编 : 100081
含海洋型气溶胶大气在 1. 19~ 2. 38 m 波段内的平均吸收率
( a) 入射太阳天顶角为 0∀, ( b) 入射太阳天顶角为 30 ∀, ( c) 入射太阳天顶角为 60∀, ( d) 入射太阳天顶角为 75∀
T he average absorptivit y in 1. 19~ 2. 38 m in oceanic aerosol atmosphere. ( a) the solar zenith angle is 0∀, ( b) is 30∀, ( c) is 60 ∀ and ( d) is 75∀
通 过统计方法得 到与
[ 8]
完 全相反的结论。李占清
[ 9]
的研 究结果
源自文库
也表明, 大气吸收异常更明显地出现在晴空而非云 天大气中。 Stephens 结论持怀疑态度。 迄今有关有云大气异常吸收的各种研究仍无最 终定论。这一问题的解决将有赖于两方面工作的深 入: 一是通过规模较大的辐射观测试验获取更高质 也对 Cess 等
3
计算结果
按以下三种情况对计算结果进行分类叙述。 ( 1) 晴空时考虑大气分子、气溶胶的散射和
吸收作用 , 以及大气自身的热辐射, 有云时即在以 上晴空背景的相应高度嵌入水云云层 图 1 和图 2 分别为含海洋型气溶胶和城市型气 溶胶的晴空及 有云大气在四个波段内 的平均吸收 率。其中在 0. 3~ 0. 69 m 波段, 云水无吸收 ; 在 其余三个波段内云水均有吸收。 由图 1 可以看出, 当天空含弱吸收性的海洋型 气溶胶时, 在 0. 3~ 0. 69 m 波段, 有云大气与晴 空大气的吸收率均很小。而在 0. 69~ 1. 19 m 和 1. 19~ 2. 38 m 波段内 , 有云大气的吸收率明显大 于晴空时, 尤其是在有低云的情况下。另外, 云对 大气吸收的这种增强作用明显受太阳入射天顶角的 影响。以有低云的天空为例 : 在 0. 69~ 1. 19 m 波 段 , 当太阳垂直入射 ( 图 1b) 和
第 20 卷 第 3 期 2001 年 8 月 文章编号 : 1000 0534( 2001) 03 0264 07
高
原
气
象
PLAT EAU MET EOROLOGY
Vol. 20 No. 3 A ugust, 2001
云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响
胡丽琴 ,
摘
*
刘长盛
210093)
( 南京大学 大气科学系 , 江苏 南京