辐射过程参数化辐射的基本物理概念
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2010-12-15
5.3 辐射过程参数化
1. 2. 3. 4. 5.
辐射的基本物理概念 辐射传输方程 长波辐射参数化方案 短波辐射参数化方案 各模式辐射方案概览
辐射的基本物理概念
原子的电子能级跃迁对应着吸收和放射高能量 太阳短波辐射 分子的化学键振动对应着吸收和放射低能量的 地球长波辐射 Planck函数： c c cv B = B =
3
2010-12-15
辐射传输与光学厚度
I λ ( 0)
0
Beer’s Law
I λ (s)
ds s
I λ ( s ) = I λ (0) ⋅ e −τ λ
τ λ = ∫ kλ ρds
0 s
称为“光学厚度” 代表一定厚度的空气对 消光而言的相当“厚度” 消光包括吸收和散射
辐射传输方程
I λ ( 0)
•
各层的相当光学厚度是各种吸收性气体浓度Ni的 函数，每种吸收性气体的吸收率ki是给定的； 对于各层的相当光学厚度的处理，难点在于如何 考虑压力加宽效应（吸收率与p和T有关），从而 p 修正给定的k； kλ ∝ T 常见的考虑压力加宽效应的方法是：
a. scaling approximation（与标准p/T的比值） b. two-parameter approximation（参数化方法） c. linearly interpolates（与line-by-line辐射模式结果比较，插值）
双流模型框架
在任意界面（通常是模式格点的交界面，即w层），向 上和向下辐射通量构成双流模型(Two-stream Method):
F ↑ ( z ) = ∫ πBv (0)τ 0→ z dv + ∫ ∫ πBv ( z )
0 0 0 ∞
Water Vapor Absorption
传输项
∞ z
辐射项
dτ z dzdv dz
3 1 v
Wien位移定律：
cv exp 2 T −1
λ
1
c exp λ 2 k λT − 1 B
5
v=
λ
λmax =
2897.8µm ⋅ K T
Stefan-Boltzmann定律： ∫∞ B v = σT 4 0
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2010-12-15
大气对短波的R散射作用明显！ M散射对气溶胶而言较明显
4um LW/SW
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2010-12-15
大气分子对辐射的吸收散射谱
SW Window
谱线的压力加宽
例：单Na原子的吸收线
LW Window
大气分子的谱线结 构不是固定的 在特殊情况下，谱 线往往会出现“加 宽(Broadening)”效 应，如Doppler加宽 和压力加宽 真实大气中常发生 的是压力加宽，模 式中需显式计算这 种变化。显然的是， 中高层大气基本没 有这种效应。
•
•
双流模型：处理频谱积分 (frequency integration)
•
Narrow-band approach
•
•
真实模式中从几个 到300个band都有， 常见的使用几个 Correlated-k or k-distribution 将频域上的吸收率转换为相关吸收率的概 率密度函数，更简单地表达了一段频域的 平均吸收效果，准确度较高 Wide-band/Emissivity approach 当使用很少的band时，或干脆只考虑整个 LW为一个band时，则对频谱的积分消失， 只剩下用一个比辐射率(emissivity)来表达 吸收比例，这是最简单的方法，对水汽尤 其有效！在早期的辐射模块中大量使用
0
I λ (s)
ds
s −τ
s
I λ ( s ) = I λ (0)e + ∫ Bλ (T )e −τ dτ
0
入射辐射的出射量 大气发射长波的出射量 传输项 辐射项
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2010-12-15
长波辐射参数化方案
1.
2.
3.
4.
地球长波出射，不需要考虑散射。因为 散射只发生在“短波+大气分子”尺度 上，而“长波+大气分子”没反应。 由于GCM中格点的水平格距（约100km） 远远大于垂直格距（约1km），可采用 plane-parallel assumption，即只考虑 column大气，而忽略侧向格点的作用。 Water Vapor是对地球长波辐射最重要 的吸收性气体，但10um前后水汽不吸 收，形成LW的大气窗区。但9.6um的 Ozone是此窗区中重要的吸收线；15um 的CO2也是此窗区中重要的吸收带。 某些温室气体的吸收线（带），如N2O 和CH4，大部分位于LW窗区，因而是温 室效应加剧的原因之一。也有学者称作 “GHGs污染了LW大气窗区”。
15um CO2 band 9.6um O3 band 6.3uபைடு நூலகம்/20um H2O band band band
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2010-12-15
长波辐射参数化方案中云的处理
1.
2.
3.
4.
云的主要组成为液态云滴cloud droplet，是较大的液相颗粒，但通 常不考虑对长波的scattering！ 云对LW的吸收谱非常宽广，过去认为几乎100%地把LW全部吸收， 因此常采用”black body”假设（或近似黑体的”gray body”假设），即 某格点一旦认为有云，则几乎全部LW被此格点吸收，同时，此格点 也大量释放长波 研究表明，云中含水量的多少决定了到底是黑体还是灰体，并且有 多“灰”（即比辐射率），常用来表达云中含水量的物理量是“云 水路径”Cloud Water Path (CWP) 长波参数化方案中，常采用基于CWP的Wide-band/Emissivity方法简 单地计算云对长波的吸收和辐射 CWP = ∫ wdz ε cloud = 1 − e a⋅CWP W是水含量（g/m3），a=0.13（向上LW），a=0.158（向下LW）
F ↓ ( z ) = ∫ ∫ πBv ( z )
0 z
∞∞
dτ z dzdv dz
辐射项
双流模型中的计算核心：
1. Transmissivity 2.
计算每一层的光学厚度，及 垂直积分的光学厚度（黄） Frequency 对辐射频谱的积分（蓝）
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双流模型：处理光学厚度 (Transmissivity)
太阳(SW)和地球(LW)辐射的发射谱
为线 作界 分 以 常
大气分子对辐射的消光：吸收和散射 Absorption
k: absorption coefficient
大气对长波主要是吸收！ Rayleigh Scattering
ω0: single-scatter albedo (0~1) g: asymmetry parameter (-1~+1) P(Θ): Scattering phase function
5.3 辐射过程参数化
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辐射的基本物理概念 辐射传输方程 长波辐射参数化方案 短波辐射参数化方案 各模式辐射方案概览
辐射的基本物理概念
原子的电子能级跃迁对应着吸收和放射高能量 太阳短波辐射 分子的化学键振动对应着吸收和放射低能量的 地球长波辐射 Planck函数： c c cv B = B =
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辐射传输与光学厚度
I λ ( 0)
0
Beer’s Law
I λ (s)
ds s
I λ ( s ) = I λ (0) ⋅ e −τ λ
τ λ = ∫ kλ ρds
0 s
称为“光学厚度” 代表一定厚度的空气对 消光而言的相当“厚度” 消光包括吸收和散射
辐射传输方程
I λ ( 0)
•
各层的相当光学厚度是各种吸收性气体浓度Ni的 函数，每种吸收性气体的吸收率ki是给定的； 对于各层的相当光学厚度的处理，难点在于如何 考虑压力加宽效应（吸收率与p和T有关），从而 p 修正给定的k； kλ ∝ T 常见的考虑压力加宽效应的方法是：
a. scaling approximation（与标准p/T的比值） b. two-parameter approximation（参数化方法） c. linearly interpolates（与line-by-line辐射模式结果比较，插值）
双流模型框架
在任意界面（通常是模式格点的交界面，即w层），向 上和向下辐射通量构成双流模型(Two-stream Method):
F ↑ ( z ) = ∫ πBv (0)τ 0→ z dv + ∫ ∫ πBv ( z )
0 0 0 ∞
Water Vapor Absorption
传输项
∞ z
辐射项
dτ z dzdv dz
3 1 v
Wien位移定律：
cv exp 2 T −1
λ
1
c exp λ 2 k λT − 1 B
5
v=
λ
λmax =
2897.8µm ⋅ K T
Stefan-Boltzmann定律： ∫∞ B v = σT 4 0
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大气对短波的R散射作用明显！ M散射对气溶胶而言较明显
4um LW/SW
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大气分子对辐射的吸收散射谱
SW Window
谱线的压力加宽
例：单Na原子的吸收线
LW Window
大气分子的谱线结 构不是固定的 在特殊情况下，谱 线往往会出现“加 宽(Broadening)”效 应，如Doppler加宽 和压力加宽 真实大气中常发生 的是压力加宽，模 式中需显式计算这 种变化。显然的是， 中高层大气基本没 有这种效应。
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双流模型：处理频谱积分 (frequency integration)
•
Narrow-band approach
•
•
真实模式中从几个 到300个band都有， 常见的使用几个 Correlated-k or k-distribution 将频域上的吸收率转换为相关吸收率的概 率密度函数，更简单地表达了一段频域的 平均吸收效果，准确度较高 Wide-band/Emissivity approach 当使用很少的band时，或干脆只考虑整个 LW为一个band时，则对频谱的积分消失， 只剩下用一个比辐射率(emissivity)来表达 吸收比例，这是最简单的方法，对水汽尤 其有效！在早期的辐射模块中大量使用
0
I λ (s)
ds
s −τ
s
I λ ( s ) = I λ (0)e + ∫ Bλ (T )e −τ dτ
0
入射辐射的出射量 大气发射长波的出射量 传输项 辐射项
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长波辐射参数化方案
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地球长波出射，不需要考虑散射。因为 散射只发生在“短波+大气分子”尺度 上，而“长波+大气分子”没反应。 由于GCM中格点的水平格距（约100km） 远远大于垂直格距（约1km），可采用 plane-parallel assumption，即只考虑 column大气，而忽略侧向格点的作用。 Water Vapor是对地球长波辐射最重要 的吸收性气体，但10um前后水汽不吸 收，形成LW的大气窗区。但9.6um的 Ozone是此窗区中重要的吸收线；15um 的CO2也是此窗区中重要的吸收带。 某些温室气体的吸收线（带），如N2O 和CH4，大部分位于LW窗区，因而是温 室效应加剧的原因之一。也有学者称作 “GHGs污染了LW大气窗区”。
15um CO2 band 9.6um O3 band 6.3uபைடு நூலகம்/20um H2O band band band
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长波辐射参数化方案中云的处理
1.
2.
3.
4.
云的主要组成为液态云滴cloud droplet，是较大的液相颗粒，但通 常不考虑对长波的scattering！ 云对LW的吸收谱非常宽广，过去认为几乎100%地把LW全部吸收， 因此常采用”black body”假设（或近似黑体的”gray body”假设），即 某格点一旦认为有云，则几乎全部LW被此格点吸收，同时，此格点 也大量释放长波 研究表明，云中含水量的多少决定了到底是黑体还是灰体，并且有 多“灰”（即比辐射率），常用来表达云中含水量的物理量是“云 水路径”Cloud Water Path (CWP) 长波参数化方案中，常采用基于CWP的Wide-band/Emissivity方法简 单地计算云对长波的吸收和辐射 CWP = ∫ wdz ε cloud = 1 − e a⋅CWP W是水含量（g/m3），a=0.13（向上LW），a=0.158（向下LW）
F ↓ ( z ) = ∫ ∫ πBv ( z )
0 z
∞∞
dτ z dzdv dz
辐射项
双流模型中的计算核心：
1. Transmissivity 2.
计算每一层的光学厚度，及 垂直积分的光学厚度（黄） Frequency 对辐射频谱的积分（蓝）
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2010-12-15
双流模型：处理光学厚度 (Transmissivity)
太阳(SW)和地球(LW)辐射的发射谱
为线 作界 分 以 常
大气分子对辐射的消光：吸收和散射 Absorption
k: absorption coefficient
大气对长波主要是吸收！ Rayleigh Scattering
ω0: single-scatter albedo (0~1) g: asymmetry parameter (-1~+1) P(Θ): Scattering phase function