大气短波辐射传输气溶胶的辐射效应

1大气短波辐射传输气溶胶的辐射效应杨军(jyang@)

−2

平面平行大气

19911994

Sunspot number

Lean et al 1995

Lockwood and Stamper (1999)

Hoyt ans Schatten (1993)

Plot from IPCC TAR

Solanki and Fligge 1998太阳常数的变化

1、方程求解－算法

2、大气性质

常用算法

Discrete-Ordinates Method

对天顶角的积分转换为有限求和→一阶线性微分方

程组

最简单形式：T wo-Stream Approximations Spherical Harmonics Methods

将辐射强度展开为球谐函数→一阶线性微分方程组“二流”形式退化为：Eddington Approximations Adding Method

Monte Carlo Method

010111011011011212212'2212221j k j k k kj k k j k k jk m n m n n nm U R D TU F D T D RU F U R D T U F D T D R U F U R D T U F D T D R U F U R D T U F D T D R U F ′′=++⎧⎪′′=++⎪′′⎪=++⎪′=++⎪⎪⎪⎨′′=++⎪⎪′′=++⎪⎪⎪′′=++⎪′′=++⎪⎩

010

110111212

212200010010

010011001exp(/)10exp(0

1j kj

k jk m nm n t n n m n n t U F T D F R U F R D F T U F D F U F T S D F R S λλαμτμαμ′−⎡⎤⎡⎤

⎢⎥⎢⎥′−⎢⎥⎢

⎥′⎢⎥−⎢⎥⎢⎥⎢⎥′−⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢⎥′+−⎢⎥⎢

⎥′+⎢⎥⎢⎥⎣

⎦

⎣⎦

0/)n τμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥

⎢⎥

⎢

⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥

⎢⎥⎢⎥⎢⎥

⎢⎥

⎢⎥⎢⎥

−⎢⎥⎣⎦

F kj 和F jk 是第k 层向上和向下的一次散射辐射通量密度

上下边界条件：D 0=0和U n =α[D n +S t λμ0exp(-τn /μ0)]，即模式顶没有入射的散射辐射，地面向上的反射辐射是地面反照率乘以总辐射。地面反照率α随地面覆盖物、相对湿度和波长变化。

00 exp(-/)

kj k t j F R S λμτμ=00 exp(-/)

jk k t j F T S λμτμ=

地面反照率

气溶胶光学性质

14

大气气溶胶

形状和大小？

散射的分类—尺度参数

2r

x πλ

=

Imaginary part of the refractive indexes of some aerosol materials

Note: Main absorbing

species in the SW are

black carbon (Soot) and

Hematite (dust)

折射指数—混合方式

（尺度）谱分布

体积消光系数、体积散射系数、体积吸收系数

散射比

单次散射反照率single scattering albedo

散射占消光的比例

s

e

βωβ=

不对称因子

绝对值越大，表示大气中

含有大粒子较多

()

()212

12s 2s d d d d d d r r r r n r r Q g r

r g n r r Q r r =⎰⎰

大气光学性质

32

短波辐射增温率

气溶胶的辐射效应

34

Direct effect

Solar radiation absorbed

(Warming)Solar radiation scattered to space (Cooling)

e.g. Black carbon, mineral dust e.g. Sulphates, nitrates, organics

Most aerosols both absorb and scatter!

总透过率：

()()

11t e e

τ

τ

ωβ−−=+−−

()2

2

2

22

3

s s s 0

F r t R t rR t r R F ↑

=++++

() F

气溶胶、大气、云的共同作用

()2

2s

p a 0c s 0s 11t R F R A T r R r F F R ⎡⎤⎛⎫Δ−+−⎢⎥

⎪−⎝=⎣Δ=⎭⎦

辐射强迫

常用辐射传输软件

41

Atmospheric radiative transfer codes