衛(wèi)星資料對(duì)西太平洋暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫的模擬分析

衛(wèi)星資料對(duì)西太平洋暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫的模擬分析

1暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫云作為氣候系統(tǒng)的重要組成部分，在地氣系統(tǒng)的輻射收入和支出中發(fā)揮著非常重要的作用。云一方面通過吸收和反射太陽(yáng)短波輻射冷卻地氣系統(tǒng),另一方面吸收地表和對(duì)流層下層的長(zhǎng)波輻射從而阻擋地球的長(zhǎng)波損失,同時(shí)以自身較低的云頂溫度向外釋放長(zhǎng)波輻射,從而最終加熱地氣系統(tǒng)。這兩種效應(yīng)的共同作用決定著云對(duì)地氣系統(tǒng)能量平衡的影響。上述過程可利用大氣層頂(top-of-the-atmosphere,簡(jiǎn)稱TOA)的云輻射強(qiáng)迫特征來(lái)進(jìn)行描述(Ramanathanetal.,1989)。云輻射收支在時(shí)間及空間上存在明顯的差異,這種差異是大氣環(huán)流的重要驅(qū)動(dòng)力之一(Hartmannetal.,1992)。其中,西太平洋暖池深對(duì)流區(qū)因其獨(dú)特的輻射特征而備受關(guān)注。早期研究表明,在該地區(qū),長(zhǎng)波云輻射強(qiáng)迫(longwavecloud-radiativeforcing,簡(jiǎn)稱LF)對(duì)大氣的增暖作用與短波云輻射強(qiáng)迫(shortwavecloud-radiativeforcing,簡(jiǎn)稱SF)的冷卻作用都很強(qiáng),但是二者符號(hào)相反,總的效果近似互相抵消,即凈云輻射強(qiáng)迫(netcloud-radiativeforcing,簡(jiǎn)稱NF)約等于0(KiehlandRamanathan,1990;Kiehl,1994)。暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫的上述特點(diǎn),隨后被許多研究工作所陸續(xù)證實(shí)(Hartmannetal.,1992;Ockert-BellandHartmann,1992;RossowandZhang,1995;Zhangetal.,1995;Chenetal.,2001)。暖池區(qū)的長(zhǎng)、短波云輻射強(qiáng)迫的平衡,在某些特殊年份卻被打破。Cessetal.(2001a,2001b)利用ERBE(EarthRadiationBudgetExperiment)和CERES(CloudsandtheEarth’sRadiantEnergySystem)資料所進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn),不同于正常年(1985~1989年)的情況,在1997/1998強(qiáng)ElNi?o年,隨著赤道太平洋東西向海溫梯度減小,Walker環(huán)流減弱甚至崩潰,暖池區(qū)的云垂直結(jié)構(gòu)(高度和光學(xué)厚度)發(fā)生顯著變化,使得凈云輻射強(qiáng)迫約為0的現(xiàn)象不復(fù)存在,代之以凈云輻射強(qiáng)迫表現(xiàn)為冷卻作用。氣候模式是理解氣候演變機(jī)理、預(yù)測(cè)乃至預(yù)估未來(lái)氣候變化的重要工具。但是,目前的氣候系統(tǒng)模式在模擬、預(yù)測(cè)和預(yù)估未來(lái)氣候變化方面,依然存在著很大的不確定性,其中云(云輻射)和氣候之間的相互作用,是導(dǎo)致模擬不確定性的最重要因素(PotterandCess,2004)。在模式中合理描述觀測(cè)中的云分布及其相關(guān)輻射通量,是提高氣候模式模擬能力的重要途徑(Webbetal.,2001)。暖池區(qū)獨(dú)特的云分布和輻射特征、其在1997/1998異常年的獨(dú)特表現(xiàn),則為檢驗(yàn)和改進(jìn)氣候模式提供了一個(gè)理想的參照標(biāo)準(zhǔn)。目前,對(duì)1997/1998強(qiáng)ElNi?o年西太平洋暖池區(qū)獨(dú)特云輻射強(qiáng)迫特征的模擬,在國(guó)際氣候模擬界,已經(jīng)成為檢驗(yàn)氣候模式性能的通用標(biāo)準(zhǔn)。例如,PotterandCess(2004)基于ERBE觀測(cè)資料(1985~1989年),評(píng)估了19個(gè)大氣環(huán)流模式對(duì)西太平洋暖池以及東南太平洋區(qū)域云輻射強(qiáng)迫的模擬能力,指出所用模式均存在不同程度的偏差,這些偏差主要源于模式對(duì)云的高度、種類以及云量的模擬誤差。Luetal.(2004)則利用HadAM3模式模擬了1997/1998年強(qiáng)ElNi?o發(fā)生時(shí)暖池區(qū)的云輻射強(qiáng)迫收支異常,驗(yàn)證了Cessetal.(2001a2001b)的結(jié)論,即Walker環(huán)流的崩潰導(dǎo)致了暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫收支的變化。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(IAP)大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(LASG)長(zhǎng)期致力于氣候系統(tǒng)模式的發(fā)展(Zhouetal.,2007;周天軍等,2005;Yuetal.,2008)。LASG/IAP發(fā)展的大氣環(huán)流模式GAMIL1.0、2.0,被廣泛地應(yīng)用于20世紀(jì)氣候變化(李立娟等,2007;Scaifeetal.,2009;Kucharskietal.,2009)、東亞氣候年代際變化(Zhouetal.,2009c)、亞澳季風(fēng)的年際變率(Zhouetal.,2009a,2009b)等模擬研究中。不過,關(guān)于該模式對(duì)云—輻射強(qiáng)迫過程的模擬能力,此前的關(guān)注相對(duì)較少。本文旨在參照國(guó)際上近年來(lái)的作法,以1997/1998強(qiáng)ElNi?o年西太平洋暖池區(qū)的云輻射強(qiáng)迫特征變化為對(duì)象,檢驗(yàn)該模式的模擬能力,分析模擬偏差產(chǎn)生的原因。本文其他部分安排如下:第2節(jié)介紹分析資料和模式結(jié)果;第3節(jié)比較模式對(duì)暖池區(qū)云輻射強(qiáng)迫、緯向環(huán)流、云量及垂直結(jié)構(gòu)的模擬情況;最后總結(jié)全文。2數(shù)據(jù)、模式和方法的介紹2.1elnino異常年分析本文用到的觀測(cè)資料包括:(2)TRMM衛(wèi)星的CERES(CloudsandtheEarth’sRadiantEnergySystem)ES-4G逐月輻射資料,水平分辨率2.5°×2.5°、時(shí)間跨度為1998年1月~1998年8月(Wongetal.,2000)。其大氣頂長(zhǎng)波、短波的絕對(duì)精度分別為0.5%、1%。該資料在本文被用于強(qiáng)ElNi?o異常年的分析。(3)NCEP/NCAR再分析資料中的風(fēng)場(chǎng)資料,水平分辨率2.5°×2.5°、時(shí)間跨度為1985年1月~1998年8月(Kalnayetal.,1996)。(4)ISCCP的逐月云資料,水平空間分辨率2.5°×2.5°,時(shí)間范圍為1985年1月~1989年12月以及1998年1月~1998年12月共6年(DoutriauxBoucherandSèze,1998)。對(duì)于1997/1998強(qiáng)ElNi?o事件而言,1997年6月到1998年4月是其成熟期,且考慮到CERES資料的時(shí)間跨度,故本文選取1~4月重點(diǎn)分析,這也是國(guó)際上相關(guān)研究的通常作法(Luetal.,2004)。本文的模擬數(shù)據(jù)來(lái)自“國(guó)際大氣模式比較計(jì)劃”(AMIP)科學(xué)試驗(yàn),即利用1979~1999年的逐月的歷史海溫驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流模式,進(jìn)行模擬積分(Zhouetal.,2009b)。2.2模型中擬云量計(jì)算的采用本文所用模式是LASG/IAP格點(diǎn)大氣環(huán)流模式GAMIL(Grid-pointAtmosphericModelofIAP/LASG)的1.0版本(以下簡(jiǎn)稱GAMIL1.0)以及2.0(GAMIL2.0),其水平分辨率為2.8°×2.8°,垂直方向分為26層(李立娟等,2007)。GAMIL1.0的動(dòng)力框架保持了總質(zhì)量、總有效能量守恒(Wangetal.,2004)。除修改的Tiedtke對(duì)流參數(shù)化方案外(Lietal.,2007),模式的物理過程來(lái)自美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)的大氣模式CAM2(Collinsetal.,2003)。GAMIL2.0是GAMIL1.0(王斌和季仲貞,2006)的改進(jìn)版本(王斌,2011(1)),用于IPCC第五次評(píng)估報(bào)告相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)。相對(duì)于1.0,GAMIL2.0主要做了以下改進(jìn):第一,積云參數(shù)化方案更新為Zhang方案(ZhangandMu,2005);第二,云微物理過程引入雙參數(shù)云微物理方案(MorrisonandGettelman,2008)。兩個(gè)模式版本的云量計(jì)算均采用Slingo(1989)方案,并考慮與有效半徑(re)以及云水路徑(Cwp)有關(guān)的云光學(xué)屬性(光學(xué)厚度τ、反照率ω、不對(duì)稱因子g和向外的散射因子?),來(lái)計(jì)算云對(duì)短波的反射和散射作用,具體公式為(Slingo,1989):其中,系數(shù)ai,bi,ci,di,ei,fi由譜間斷i決定(EbertandCurry,1992),0≤fice≤1則代表冰云、水云的混合。對(duì)冰云而言,公式(1)則替換為:云的長(zhǎng)波放射效應(yīng)ε定義為(Collinsetal.,2003):其中,kabs代表長(zhǎng)波吸收系數(shù),D為擴(kuò)散系數(shù)。GAMIL模式還耦合了一個(gè)陸面過程模式CLM(Daietal.,2003)。2.3層頂?shù)乳L(zhǎng)波輻射通量s根據(jù)Ramanathanetal.(1989)以及Harrisonetal.(1990)定義,將長(zhǎng)波(短波)云輻射強(qiáng)迫LF(SF)表示為:其中,F和Fc分別代表大氣層頂(TOA)在全天以及晴空條件下所向外釋放的長(zhǎng)波輻射通量;S代表總太陽(yáng)輻射;R和Rc分別表示在TOA全天和晴空條件下反射的短波輻射通量。前者對(duì)大氣起增溫作用,后者相反。進(jìn)一步定義凈云輻射強(qiáng)迫NF,以及輻射關(guān)系比率N(Cessetal.,2001b;PotterandCess,2004;Luetal.,2004):若SF冷卻作用大于LF加熱作用,則NF<0即凈云輻射強(qiáng)迫冷卻大氣,N>1;反之,若SF冷卻作用小于LF加熱作用,則NF>0,即凈云輻射強(qiáng)迫加熱大氣,N<1;若兩者作用相當(dāng),則NF=0,N≈1。2.4深對(duì)流云和中云討論云垂直結(jié)構(gòu)分布對(duì)CRF的影響,需要使用“N-NF”散點(diǎn)分布圖。在散點(diǎn)圖中卷云(光學(xué)厚度小)集中在的右下象限,深對(duì)流云(光學(xué)厚度大)和中云則集中于左上象限。其原理概述如下:同樣,對(duì)于高度為6、9km的中層云,無(wú)論其光學(xué)厚度如何也均表現(xiàn)為NF<0、N>1。而類似于海洋層積云等低云在暖池的貢獻(xiàn)較前兩者都小得多,在本文可以忽略不計(jì)(Cessetal.2001b)。因此,深對(duì)流云和中云都出現(xiàn)在散點(diǎn)圖的左上象限。但Cessetal.(2001b)指出暖池上空深對(duì)流云不應(yīng)超過N≈1.3,并以此作為界定散點(diǎn)圖中左上象限深對(duì)流云和中云的指標(biāo),這較之Kiehl(1994)提出的N≈1更為準(zhǔn)確。需要指出的是,盡管收支比率N僅和云高度、光學(xué)厚度有關(guān)而不隨云量變化(Kiehl,1994),但NF卻隨云量線性變化。因此,N與NF散點(diǎn)的垂直分布特征能反映云垂直結(jié)構(gòu),而水平分布則反映云量變化。3結(jié)果分析3.1南南方溫池區(qū)的lf/sf分布云輻射分布存在明顯的地區(qū)差異(Hartmannetal.,1992)。熱帶地區(qū)1~4月平均大氣層頂(TOA)長(zhǎng)、短波云輻射強(qiáng)迫(LF、SF)的水平分布如圖1、2所示。觀測(cè)中,正常年份(圖1a和圖2a)短波和長(zhǎng)波云輻射大值區(qū)基本對(duì)應(yīng),如西太平洋暖池、赤道非洲和南美洲大陸等地區(qū)不僅為L(zhǎng)F的大值區(qū)所在,同時(shí)也是SF的大值區(qū);1997/1998強(qiáng)ElNi?o異常年,赤道CRF大值區(qū)縮小,且西移至赤道中太平洋。GAMIL1.0和2.0均合理再現(xiàn)觀測(cè)中的大尺度LF/SF氣候分布及其異常特征。兩版本對(duì)氣候態(tài)的模擬均優(yōu)于ElNi?o年的異常情況,對(duì)SF模擬優(yōu)于LF;在空間分布方面,GAMIL2.0較GAMIL1.0改進(jìn)顯著(圖1d-f和圖2d-f)。GAMIL2.0模擬熱帶LF強(qiáng)度偏弱,GAMIL1.0反之;GAMIL1.0對(duì)強(qiáng)ElNi?o年LF/SF分布的模擬技巧較低。由于LF、SF強(qiáng)度存在差異(圖1、圖2),云輻射強(qiáng)迫收支比率N呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異。觀測(cè)中,正常年份(圖3a)最顯著的N大值區(qū)域位于赤道東太平洋冷水區(qū)、東大西洋和我國(guó)東南部,而西太平洋暖池則為低值區(qū)(N≈1)。這是由于上述區(qū)域的云垂直結(jié)構(gòu)不盡相同,因此造成凈云輻射強(qiáng)迫(NF)分布存在地區(qū)性差異。東太平洋冷洋面上以低層云為主(KiehlandRamanathan,1990;KleinandHartmann,1993)。其相對(duì)較低的云頂對(duì)長(zhǎng)波輻射影響小,主要通過反射短波輻射冷卻地球,使此區(qū)域NF<0(N>1)。此外,中國(guó)西南部長(zhǎng)江流域是全球最大的具有高光學(xué)厚度的中層云集中分布區(qū)域(Yuetal.,2001,2004),獨(dú)特的云結(jié)構(gòu)造成了該處獨(dú)特的云輻射強(qiáng)迫特征,使NF強(qiáng)度可以達(dá)到與東南太平洋冷水區(qū)相當(dāng)?shù)某潭?。與東太平洋和青藏高原下游不同,西太平洋暖池區(qū)以深厚對(duì)流云和高層卷云為主(Cessetal.,2001a,2001b)。其深厚的云體對(duì)短波的反照率很大,造成短波損失大;加之其云頂高且溫度低,能起截流地球表面長(zhǎng)波輻射通量作用,從而更大程度地保留長(zhǎng)波輻射。所以,在西太平洋暖池區(qū)LF與SF強(qiáng)度相當(dāng),NF≈0(Hartmannetal.,1992;Ockert-BellandHartmann,1992;RossowandZhang,1995;Zhangetal.,1995;Chenetal.,2001;Cessetal.,2001b)。在1998年強(qiáng)ElNi?o時(shí)期,N的強(qiáng)度和空間分布相對(duì)于正常年均發(fā)生了顯著變化。具體表現(xiàn)為,西太平洋暖池(赤道東太平洋冷水區(qū))的N值較正常年升高(下降),暖池附近部分低值區(qū)被高值取代,強(qiáng)N值中心出現(xiàn)在赤道兩側(cè)的副熱帶地區(qū)(圖3d)。GAMIL1.0、2.0對(duì)熱帶地區(qū)N值的模擬技巧較低,模擬強(qiáng)度普遍偏強(qiáng)(圖3b、c)。在正常年,由于模式低估了暖池地區(qū)LF(圖1c),GAMIL2.0模式未能模擬出暖池地區(qū)LF、SF相互抵消的特征;GAMIL1.0則高估了赤道東大洋的大值區(qū)的強(qiáng)度和范圍。上述問題同樣存在于對(duì)ElNi?o年異常分布的模擬中,雖然東太平洋沿岸的大值帶斷裂、西伸現(xiàn)象改進(jìn)明顯,但兩個(gè)模式版本模擬的N仍明顯偏大,赤道東太平洋存在虛假大值中心,1998年暖池區(qū)N值異常亦不如觀測(cè)明顯。3.21暖池區(qū)n、sf及l(fā)f云量的變化規(guī)律及模擬對(duì)比為討論暖池地區(qū)云輻射強(qiáng)迫的變化,本文選取(5°S~5°N,140°E~165°E)代表西太平洋暖池(warmpool,簡(jiǎn)稱暖池),同時(shí)該區(qū)域還是Walker環(huán)流上升支所在(Cessetal.,2001b)。圖4給出暖池區(qū)1~4月平均云輻射強(qiáng)迫及其在ElNi?o發(fā)生時(shí)的變化。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的特征與前人一致,即在正常年份(不包括1998年)暖池地區(qū)的LF與SF幾乎平衡,N平均值約為1.07,而1998年顯著增強(qiáng)到1.40左右(圖4a)。不僅如此,觀測(cè)中1998年暖池區(qū)域LF、SF相對(duì)正常年均表現(xiàn)出明顯減弱趨勢(shì)(圖4b、c),只是前者的幅度強(qiáng)于后者,因此N仍表現(xiàn)出增大趨勢(shì)。研究表明,1998年CRF異常的根本原因在于1998年大氣環(huán)流背景改變,進(jìn)一步造成暖池區(qū)云高度、結(jié)構(gòu)以及云量的共同變化(Cessetal.,2001a,2001b)。上述因素通過不同方式影響TOACRF。一般認(rèn)為,SF和LF均隨云量呈線性變化,相對(duì)而言N幾乎不隨云量變化(Kiehl,1994);云頂高度下降導(dǎo)致云溫度升高,從而釋放更多長(zhǎng)波,致使LF降低,但云頂高度變化對(duì)SF的影響并不明顯,相應(yīng)能使N值升高;云垂直結(jié)構(gòu)變化對(duì)輻射收支有顯著影響,且不為線性關(guān)系(Cessetal.,2001b)。因此,觀測(cè)中1998年暖池地區(qū)SF異常主要源自該區(qū)域上空云量減少以及云垂直結(jié)構(gòu)的變化;LF的減弱則反映該區(qū)域云高度、結(jié)構(gòu)和云量變化的共同作用;N異常主要由該區(qū)域云高度以及云垂直結(jié)構(gòu)變化所致,而幾乎不反映云量變化(Cessetal.,2001b)。GAMIL1.0對(duì)暖池區(qū)N、SF以及LF的模擬結(jié)果,呈現(xiàn)出與觀測(cè)事實(shí)基本一致的變化特征,但模擬偏差依然存在:首先,模式對(duì)上述三者(尤其是N、SF)的模擬均偏強(qiáng);其次,模擬的1998年CRF距平不如觀測(cè)明顯。另外,GAMIL1.0對(duì)LF模擬優(yōu)于SF。GAMIL2.0雖模擬出暖池區(qū)N值在1998年的變化特征,但未能合理再現(xiàn)LF/SF的變化特點(diǎn)。前文分析指出,模式對(duì)暖池區(qū)CRF收支的模擬偏差,很大程度上源自模式對(duì)該區(qū)域云高度、云量等方面的模擬偏差。暖池地區(qū)晴空長(zhǎng)、短波輻射通量的模擬偏差亦對(duì)此有影響。如圖4d、e所示,兩個(gè)模式版本均過低估計(jì)晴空長(zhǎng)波輻射通量,致使模擬N值偏大;兩個(gè)模式的行星反照率、晴空短波輻射通量過高,同樣導(dǎo)致高估N值以及SF;GAMIL2.0對(duì)上述現(xiàn)象略有改觀。3.3正常年腫瘤中的垂直結(jié)構(gòu)如前文所述,強(qiáng)ElNi?o背景下熱帶NF的空間分布發(fā)生顯著變化,其中暖池地區(qū)變化尤為顯著。究其原因,是因?yàn)樵贓lNi?o時(shí)期,赤道東太平洋海溫異常升高,緯向溫度梯度減弱,導(dǎo)致Walker環(huán)流在垂直方向上減弱甚至崩潰,令暖池上空云垂直結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化,云輻射收支隨之改變(Cessetal.,2001a,2001b)。因此,能否模擬出Walker環(huán)流崩潰現(xiàn)象是合理再現(xiàn)云輻射異常的關(guān)鍵前提條件(Luetal.,2004)。Walker環(huán)流特征可以用緯向風(fēng)場(chǎng)的垂直分布(圖5a、b)、200hPa輻散風(fēng)場(chǎng)(圖6a、b)描述。如圖5、6所示,正常年Walker環(huán)流上升支(200hPa輻散中心)位于暖池附近,強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)利于云頂高度較高的卷云和深對(duì)流云維持,導(dǎo)致該處LF相對(duì)較強(qiáng)(與SF相當(dāng)),輻射收支近乎平衡。Walker環(huán)流下沉支(200hPa輻合中心)位于赤道東太平洋冷水區(qū),相應(yīng)此處以云頂高度較低的淺薄層云和層積云為主,因而LF相對(duì)較小,N值較高(圖3a)。在強(qiáng)ElNi?o年,隨著海溫緯向梯度減弱,暖池附近底層輻合、高層輻散(圖5b、6b)的垂直結(jié)構(gòu)減弱甚至崩潰,上升運(yùn)動(dòng)隨之減弱,高層卷云和深對(duì)流云難以維持,致使LF明顯下降,凈輻射冷卻作用有所加強(qiáng)(N顯著增加)。兩個(gè)模式版本均能夠再現(xiàn)正常年份Walker環(huán)流在暖池區(qū)低層輻合、高層輻散的垂直結(jié)構(gòu)(圖5c、e和圖6c、e)及其在1998強(qiáng)ElNi?o年的顯著變化(圖5d、f和圖6d、f)。但是,它們對(duì)正常年Walker環(huán)流的模擬均偏強(qiáng)、范圍過大(圖5c、6c)。更為重要的是,它們均未能再現(xiàn)1998年Walker環(huán)流的崩潰現(xiàn)象,即類似正常年的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(圖5d、6d)仍然存在。Walker環(huán)流的模擬偏差將造成暖池區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)的模擬偏差,后者直接決定了云的形成和垂直結(jié)構(gòu),并最終影響對(duì)CRF收支的模擬。GAMIL兩個(gè)版本模擬的Walker環(huán)流偏強(qiáng),高估了暖池區(qū)的垂直運(yùn)動(dòng)(圖略),造成深對(duì)流云比重偏多。而模擬1998年Walker環(huán)流崩潰現(xiàn)象不徹底,造成暖池地區(qū)虛假的上升運(yùn)動(dòng),使得1998年相對(duì)于正常年的云垂直結(jié)構(gòu)異常不如觀測(cè)顯著。下文將進(jìn)一步討論云垂直結(jié)構(gòu)的模擬。3.4暖池區(qū)高云共同作用的分析ElNi?o時(shí)期Walker環(huán)流崩潰將使暖池上空云垂直結(jié)構(gòu)改變,從而影響暖池區(qū)域的云輻射收支。因此,本節(jié)通過云垂直結(jié)構(gòu),進(jìn)一步分析造成CRF模擬偏差的可能原因。圖7給出了觀測(cè)與模擬的暖池區(qū)域上空輻射比率N對(duì)應(yīng)NF的散點(diǎn)分布,其中1985、1989為正常年個(gè)例。觀測(cè)結(jié)果顯示正常年份,散點(diǎn)分布型與前文提到的高云輻射特征較為一致(圖7a、c):在NF>0、N<1的區(qū)域(右下象限),散點(diǎn)分布呈現(xiàn)出光學(xué)厚度較低的高空卷云的輻射特征,表明卷云的存在及其作用;NF<0、N>1的部分(左上象限)表現(xiàn)出符合深對(duì)流云的輻射特征。散點(diǎn)超過N≈1.3的部分,代表中云,但其量值很小。由此可見,圖4a所顯示的暖池區(qū)正常年份的輻射近似抵消現(xiàn)象是多種高云共同造成的,如卷云和深對(duì)流云,而非單一云種的作用(Cessetal.,2001b)。對(duì)于ElNi?o現(xiàn)象較弱的1987年,散點(diǎn)分布與正常年的差異并不明顯,只是卷云偏少,深對(duì)流云和中層云略有增加,相應(yīng)N值略有增大趨勢(shì)。但是,1998強(qiáng)ElNi?o年的散點(diǎn)分布則與前者大不相同:卷云顯著減少,中云的比重增大(N大于1.3的散點(diǎn))。因此,1998年暖池區(qū)N值的變化主要由暖池區(qū)云垂直結(jié)構(gòu)改變引起的,這與3.3節(jié)所展示的Walker環(huán)流垂直結(jié)構(gòu)崩潰造成暖池上空上升運(yùn)動(dòng)大幅減弱有直接聯(lián)系。不僅如此,觀測(cè)中1998年散點(diǎn)的水平分布靠近0線,同時(shí)表明暖池區(qū)總云量明顯減少。GAMIL1.0模擬的云垂直結(jié)構(gòu)存在偏差(圖7)。在正常年份,模擬的深對(duì)流云比重明顯多于觀測(cè),而對(duì)卷云模擬不足;此外,中層云比重(N>1.3)也多于觀測(cè)。對(duì)于ElNi?o年,模式高估了暖池地區(qū)深對(duì)流云以及中層云量,而低估高層卷云,尤其是在1998強(qiáng)ElNi?o年,表示高層卷云輻射特征(右下象限)的散點(diǎn)幾乎不存在,大部分散點(diǎn)均集中在左上象限以及N值大于臨界值的區(qū)域。上述現(xiàn)象與3.3節(jié)指出的模式模擬的Walker環(huán)流系統(tǒng)性偏強(qiáng)、ElNi?o年崩潰不徹底以及模式中云診斷方案高估了深對(duì)流云有關(guān)。模式中,暖池地區(qū)過多的深對(duì)流云造成云光學(xué)厚度及SF偏強(qiáng),而高估(低估)的中云(卷云)則使平均云頂高度和LF偏低?？梢?云垂直結(jié)構(gòu)的模擬偏差是造成N、SF偏差的主要原因之一,這與國(guó)際上其它模式的情況類似(PotterandCess,2004)。但是,GAMIL1.0高估了中云比重,這理應(yīng)導(dǎo)致模擬的LF偏弱,與其模擬值大于觀測(cè)的事實(shí)(圖4b)不符;同時(shí)兩個(gè)版本模擬的1998年SF減弱現(xiàn)象均不如觀測(cè)顯著,甚至未能模擬出該異常,這意味著模擬的暖池區(qū)云量、尤其是高云云量可能也存在偏差(顯著高估),因此僅從云垂直結(jié)構(gòu)改變不能完全解釋模式的偏差。3.5暖池區(qū)lf和sf強(qiáng)度頻次分布暖池區(qū)域總云量和云水路徑變化及其模擬情況,如圖8所示。觀測(cè)結(jié)果中,隨著對(duì)流的減弱,1998年暖池區(qū)云量和云水相對(duì)正常年明顯減少,其中以高云變化最為明顯,這與前文給出的SF減小的觀測(cè)事實(shí)相符(圖4c)。由于暖池地區(qū)低云的作用不明顯(Cessetal.,2001b),故不在此討論。GAMIL1.0能模擬出總云量減少的事實(shí),但確如上一節(jié)的推測(cè),模式明顯高估了暖池區(qū)的高云云量(以對(duì)流層中高層相對(duì)濕度表示),如圖9所示。GAMIL1.0云量偏多與前文所指出的云垂直結(jié)構(gòu)的模擬偏差相疊加,令模擬的SF遠(yuǎn)大于觀測(cè)。不僅如此,盡管云垂直結(jié)構(gòu)的模擬偏差令LF偏小,但由于模式模擬的高云云量偏多(主要表現(xiàn)在深對(duì)流云方面),兩者誤差相抵,使其模擬的暖池區(qū)域LF值(圖4b)略好于SF,最終導(dǎo)致N值模擬偏大。GAMIL2.0也能再現(xiàn)1998年云量減少的觀測(cè)事實(shí),但如圖8所示,無(wú)論正常年或異常年,其模擬的暖池云量較觀測(cè)偏少,而云水卻明顯高于觀測(cè)。云水對(duì)SF的影響呈指數(shù)增長(zhǎng),因此,兩者相互補(bǔ)償后仍使模擬的SF較之觀測(cè)偏強(qiáng)。由公式(6)可知,在云水超過一定量級(jí)后,其對(duì)長(zhǎng)波放射系數(shù)影響呈指數(shù)衰減,即對(duì)LF的影響較少。因此,在GAMIL2.0中,LF并未因顯著高估的云水而被高估。相反,在被低估的云量以及平均云高度的作用下,LF被顯著低估。為進(jìn)一步驗(yàn)證前文結(jié)論,圖10給出暖池區(qū)LF和SF強(qiáng)度頻次分布。觀測(cè)中,暖池地區(qū)正常年份與ElNi?o年CRF分布存在明顯差異,正常年SF和LF均集中分布在70W/m2附近;而1998年CRF分布形式呈現(xiàn)多峰特征,且LF在低值部分集中的現(xiàn)象較之SF更明顯,故N值明顯增高。GAMIL1.0模擬的正常年和ElNi?o年CRF的頻次變化接近觀測(cè),但其分布范圍和中心值均較觀測(cè)偏大,特別是模擬的SF偏差較大,令模擬N值較觀測(cè)偏大。GAMIL2.0模擬LF發(fā)生頻率集中在低值區(qū)域,而其模擬的SF頻次分布比GAMIL1.0更為合理。雖然GAMIL2.0模擬的1998年SF發(fā)生頻率峰值比GAMIL1.0更接近觀測(cè),但其范圍仍過大。而對(duì)LF發(fā)生頻率分布,兩個(gè)模式均未做出合理模擬。圖10也驗(yàn)證了前文所指出的暖池云垂直結(jié)構(gòu)以及云量的模擬偏差。4模擬結(jié)果對(duì)比本文針對(duì)1998強(qiáng)ElNi?o事件期間西太平洋暖池區(qū)的云輻射強(qiáng)迫特征的變化,檢驗(yàn)了LASG/IAP大氣環(huán)流模式GAMIL1.0和2.0對(duì)云輻射強(qiáng)迫的模擬能力,并分析了造成模式偏差的原因。主要結(jié)論如下:(1)觀測(cè)中,在正常年時(shí),赤道東南太平洋、東大西洋和中國(guó)東部為云輻射強(qiáng)迫(CRF)比率(N)的高值區(qū),西太平洋暖池則為低值區(qū);而在ElNi?o年,赤道東南太平洋高值區(qū)減弱,暖池區(qū)N顯著增強(qiáng),長(zhǎng)、短波云輻射強(qiáng)迫(LF、SF)均降低。Walker環(huán)流的異常造成暖池區(qū)云垂直結(jié)構(gòu)改變,從而導(dǎo)致觀測(cè)中CRF異常。(2)兩個(gè)版本GAMIL模式均能合理再現(xiàn)正常年熱帶地區(qū)云輻射強(qiáng)迫的空間分布以及大氣環(huán)流特征,其中2.0版較1.0存在較大改進(jìn)。此外,兩版本都能模擬出ElNi?o異常年時(shí)暖池區(qū)云輻射收支異常。但兩個(gè)版本均存在如下問題:模擬N值系統(tǒng)性均偏強(qiáng)、大值中心范圍過大且異常年的響應(yīng)不如觀測(cè)顯著;正常年Walker環(huán)流系統(tǒng)性過強(qiáng)、異常年崩潰不徹底。其中,GAMIL1.0模擬的暖池區(qū)LF、SF均偏強(qiáng),但前者的模擬效果好于后者;而GAMIL2.0低(高)估了暖池區(qū)LF(SF)云輻射強(qiáng)迫。(3)GAMIL1.0模式能夠模擬出1998強(qiáng)ElNi?o發(fā)生時(shí),暖池區(qū)云的垂直結(jié)構(gòu)和云量等要素的變化特征,使其對(duì)強(qiáng)ElNi?o時(shí)的CRF收支異常具有一定模擬能力。GAMIL2.0未能模擬出強(qiáng)ElNi?o發(fā)生時(shí),暖池區(qū)云的垂直結(jié)構(gòu)異常。因此,盡管其對(duì)正常年CRF收支具有一定模擬能力,但其未能模擬出強(qiáng)ElNi?o下的CRF響應(yīng),即1998年N異常僅是誤差疊加的結(jié)果。(4)造成暖池區(qū)CRF模擬偏差的原因包括:首先,模擬的云垂直結(jié)構(gòu)有偏差,兩個(gè)版本均高估了深對(duì)流云和中云、低估了高空卷云,這與模擬的緯向環(huán)流系統(tǒng)性過強(qiáng)有關(guān);其次,對(duì)云量、云水路徑等存在模擬偏差。GAMIL1.0高估了暖池區(qū)云量,與云垂直結(jié)構(gòu)誤差疊加后導(dǎo)致SF偏強(qiáng),同時(shí)也抵消了云垂直結(jié)構(gòu)模擬偏差帶來(lái)的對(duì)L