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某高原地区不同云类型对辐射的影响
某高原地区不同云类型对辐射的影响
云在全球气候系统中起着重要的作用,它可以通过降水影响地面水循环。
其一,通过平流过程将感热、潜热及动量重新分配,影响大气动力过程和水文过程的藕合;其二,通过吸收和反射太阳辐射以及自身发射长波辐射,影响太阳辐射和大气动力过程的藕合。
就云的辐射作用而言,一方面,低而厚的云可以反射和散射太阳短波,它对太阳辐射较高的反射率对地气系统起到了冷却作用,称之为云的“反射率效应”;另一方面,云吸收来自下方地气系统发射的长波辐射,并将一部分能量再以长波形式发射出去,这一“温室效应”起到加热地气系统的作用。
这两种辐射作用平衡与否在决定气候变化中占有非常重要的位置。
通过了解辐射能收支的空间分布及时间变化特征,对气候变化预测有重要意义。
辐射能在经过大气的过程中受到云的强烈影响,使得云对辐射的影响问题成为当前气候学中的主要研究内容之一。
某高原地区由于其地形的特殊性,太阳辐射加热作为高原热力作用的重要方面,其分布及变化规律的研究对我国气候及灾害性天气的研究有着重要的意义。
因此,研究该地区云对辐射的影响显然很有必要。
关键词:
云类型,辐射,某高原地区
第一章引言
1.1云的重要性及不同云类型的影响
云是地球上庞大的水循环过程的有形的结果。
太阳照在地球的表面上,水蒸发从而形成水蒸气,一旦水汽过饱和,水分子就会聚集在空气中的微尘(凝结核)周围,因此产生的水滴或冰晶将阳光散射到各个方向,这就形成了云的外观。
因为云反射和散射所有频率的电磁波,所以云的颜色成灰度色,而云层比较薄时成白色,但是当它们因为变得太厚或浓密而使得阳光不能通过的话,它们可以看起来是黑色或灰色的。
在地球表面大约有50%的地区为云所覆盖。
云可以有效地把定常的太阳辐射通量改变成在空间和时间上不均匀分布的地气系统热流入量,一方面,云是变化的并且调节着大尺度大气运动的能量供应,另一方面,云量的变化又被大尺度大气运动所决定,因为风强烈的影响下垫面水分蒸发的速度并造成水分的水平输送,及水汽通量的辐合或辐散。
而大气中的垂直运动导致云的形成、增长或消散,因此云是一种具有反馈作用的调节器。
云是气候变化中重要的调控因子,其不同宏观和微观物理特性(如:
云高,云量,云粒子半径,粒子数浓度等)的微小变化都能严重影响地气能量收支、水循环过程和大尺度环流系统[1-6]。
如有研究[7]指出如果全球低云量平均增加1%,其净辐射效应则会变化-0.63W/㎡,而全球低云量若增加4%或层云粒子有效直径从20µm降至16µm,其效果可完全抵消由二氧化碳加倍所导致的大气增暖效应[8-9]。
然而,由于目前我们对与云有关的各种物理过程认识不足,结果导致不同的气候模式模拟结果之间存在很大差异,从而使得云在模式中的不合理表征为气候变化预测中存在的最大的不确定性源[10-13]。
用(温室效应)。
云的这种特性对气候产生的影响主要表现在以下几个方面:
、使云顶附近薄层的温度升高。
这是由于吸收的结果。
、由于以上两种效应的作用,使云顶以下大气的垂直减温率减小,从而使这部分大气层结变得稳定。
云对地气系统发射的红外辐射有温室效应。
云的红外辐射特性使云底以下气温升高、云顶附近气温降低、云中大气的垂直递减率增大,使得大气不稳定化,云顶高度的增高使云向空气放射的红外辐射的有效温度减低,使云的温室效应增强。
总之,云对辐射的吸收、透射和自身发射的红外辐射在控制由地球大气发射出的红外辐射和入射至地球的太阳辐射上具有很重要的作用,是控制着地球上各种天气以及气候变化的重要因子之一,同时云也决定着地表增温冷却、地面辐射收支、地表能量平衡等,云对地气系统的能量变化也起着重要的调节作用。
因此研究云对太阳辐射和地面辐射收支的作用有着重要意义。
云由不同的类型组成,这些云类型受制于不同的大气状态和过程,具有不同的宏观和微观特性,因此会产生截然不同的辐射效应和降水类型[14-16]。
如:
卷云和层积云会对大气分别产生加热和冷却的净效应[17-18]。
层状云和积状云分别产生持续性和阵性降水[19-21]。
因此,为了深入研究云物理过程,评估气候模式中云物理参数化方案并进一步改进气候模式预测精度,就需要我们通过不同的观测平台对云的类型进行观测和研究。
1.2某高原地区对大气的影响
某高原约占中国陆地而积的四分之一,平均海拔在4000m以上,约达到对流层高度的1/3,被称为世界屋脊.某高原东西长约3000km,接近大气长波的半波长尺度;南北宽1000多公里,相当于大气长波的振幅.某高原的热力作用对我国东部和南部、亚洲地区乃至全球的气候变化和灾害性天气气候的形成都产生着重大的影响,太阳辐射加热作为高原热力作用的重要方面,其分布及变化规律的研究对我国气候及灾害性天气的研究有着重要的意义。
同时,某高原地区作为我国太阳辐射能分布的高值区,太阳能利用有着广阔的前途。
某高原地区的地表热状况对研究高原热力效应和气候变化有重要作用。
研究表明,某高原夏季是热源、冬季是冷源,某高原夏季抬高热力作用对东亚乃至全球气候有重要影响。
定量表征某高原热状况一直以来以是研究的热点问题,太阳辐射是地球大气中各种现象和所有物理过程的基本源动力,也是表征某高原热状况的一个重要分量。
因而,近年来,高原地区辐射变化及能量分配特征越来越受到关注。
某高原作为世界的第三极,对气候变化尤为敏感[22]。
高原上雪山及冰川融水是亚洲著名江河(如:
长江,黄河,印度河等)的重要源泉,因此某高原也被誉为“亚洲水塔”[23-24]。
已有研究表明,某高原的动力和热力作用对全球气候、亚洲季风和大气环流等有重要影响,而某高原地区的云系统则是联系各种局地天气乃至全球气候各子系统的纽带[25-27]。
然而,由于长期以来只有地面目测得到的低云量和总云量资料,这种观测方式本身由于云的多变性而存在很大的局限,加上某高原地区站点稀少,地形复杂,使得即使很常规的目测云资料也非常缺乏,资料的缺少严重制约了某高原地区地区云的研究。
随着国际卫星技术以及云反演技术的发展。
为能够比较系统地研究某高原地区不同类型云的时空分布特征提供了可参考的观测事实。
云的时空分布特征提供了可参考的观测事实。
虽然很多人对某高原地区的云已做了不少很有意义的研究[28-32],但是研究方向主要是从总云量的角度进行分析,个别的研究涉及到高、中、低云量,但针对具体不同类型的云进行系统性研究的尚未见。
本文通过用不同类型的云进行比较分析,对辐射与不同云类型的关系进行了初步研究。
第二章数据与分析
2.1数据
2.1.1Cloudsat卫星
C1oudSat卫星与同时发射的CALIPSO卫星同属“A-TRAIN”卫星编队,C1oudSat卫星的轨道高度为705.438km,C1oudSat上的毫米波测云雷达(CPR)其跨轨分辨率为1.4km,沿轨分辨率为2.5km,垂直分辨率为0.25km。
C1oudSat卫星搭载的是一台94GHz沿星下点垂直探测毫米波云廓线雷达(CPR),其星下点水平观测半径约为2.5km(沿飞行轨道方向)x1.4km(垂直于轨道方向),垂直方向分辨率约为240m。
C1oudSat卫星的成功发射首次提供云特征的全球观测,这些云特征对理解云对天气和气候的影响非常重要。
通过空基遥感技术,C1oudSat卫星使得观测云有了重大进步,它可以给出云的垂直结构(从云底到云顶)、定量估算云内部液态水和冰水的含量、定量估计可以产生降水云的百分比、可以通过观测为基础来评估云对大气热量的垂直分布的贡献程度,以及估算出大气凝结产生降水的效率。
2.1.22B-CLDCLASS-LIDAR数据产品
C1oudSat卫星产品是在数据处理中心DPC(DataProcessingCenter)进行加工和产品制作的,该数据处理中心隶属科罗拉多州立大学的大气研究合作研究所CIRA(CooperativeInstituteforResearchintheAtmosphere)。
在沿轨道飞行的过程中,C1oudSat卫星将探测到的原始数据传输到全球各地美国空军卫星控制网的地面接收站。
地面接收站将接收到的数据传送到位于美国新墨西哥州的阿尔伯克基,在此将对所接收到的原始探测数据进行质量控制。
经过质量控制检测后,数据通过Internet传输到位于科罗拉多的C1oudSat卫星数据处理中心,然后经过数据处理系统加工之后,从而得到各种C1oudSat监测产品。
一般来说,6周后经过DPC制作的产品会对用户释放。
本文选用的是标准数据产品中数据产品能够提供的数据包括云层数、云顶高度、云底高度、云类型以及降水识别等参数,其最多可将云分为10层,这里的云顶高度、云底高度均是相对于平均海平面的高度。
2B-CLDCLASS产品是利用降水是否出现、水平和垂直云特征、MODIS辐射数据、云体温度来确定云的分类信息,分类的主要依据是根据形状、滴谱分析、云相态和水凝物浓度这四个基本因子。
目前已能判断St,Sc,Cu,Ns,Ac,As、深对流云和高云等8种基本云型的反演方法和指标。
本文使用数据产品(1.0版本)提供的云类型包括高云(High),高层云(As),高积云(Ac),层云(St),层积云(Sc),积云(Cu),雨层云(Ns)和深对流(Dc)云。
高云类型包括卷云,卷积云和卷层云。
在云层识别方面,相比MODIS等被动遥感设备,该数据集具有更高的精度和垂直分辨率,尤其是对光学厚度较小的薄卷云的正确识别。
多种数据结合应用使云参数及云类型判定更为精确,尤其是借助CALIPSO卫星搭载的双波段偏振激光雷达(CALIOP)数据,使云层高度尤其是云顶高度探测精度得到提高,同时在云相态识别方面也得到了改进。
卫星云分类原理是基于不同云的光谱特性、形态结构和物理相态等特征的卫星反演数据进行分类。
2B-CLDCLASS-LIDAR算法利用了云水平与垂直特征、是否有降水、云层温度以及MODIS观测到向上的辐亮度等数据将云层分为高云、高积云、高层云、层云、层积云、雨层云、积云与深对流云8类,其中高云包括:
卷云、卷层云和卷积云。
简单流程如下:
首先通过云雷达和激光雷达的信号判断是否有云簇存在,并确定其水平和垂直位置。
当相邻云层其垂直结构相似时归为同一个云簇,即允许云簇的水平不连续性。
云簇确定后,云高、云层温度和最大雷达发射率因子Ze以及是否产生降水等参量随即确定。
再将云簇的平均特征参数如云顶高度的水平均一性,激光雷达和云雷达的最强信号和其他参量一并输入模糊逻辑判别算法中。
通过计算每一类云的可信度,取输出结果中置信度最高的云类型作为最终结果。
2.1.32B-CLDCLASS-LIDAR数据产品
2B-FLXHR产品利用云中冰相和液相含水量、地面反射率数据以及ECWMF再分析资料的大气状态变量值三种数据,反演每个雷达剖面上的加热率和大气长波辐射通量。
在大气不连续面上计算向上和向下长波和短波通量,并且利用这些通量求得到相应的加热率。
反演算法的核心是采用宽频、双向、呈水平面的双倍递增的辐射传输模式。
模式在十二个长波辐射通道中采用常半球方程,而在六个短波通道中采用了三角埃丁顿方程。
利用大气状态变量和云中液相和冰相含水量,计算在谱带分辨率下的光学特征的垂直剖面。
这些光学特性被用于描述在每个平面上的传输(T)、辐射源(ε)反射(R)和反射(R)特征。
根据相互作用原理,利用T、ε和R,便可以计算得到在每个表面上的宽频辐射通量。
在计算每个平面表面的发射或吸收总通量的基础上,得到每个平面上的辐射加热率。
最后,通过宽带通量和加热率一起求得2B-FLXHR产品的谱分解和光谱分辨率。
本文选用的标准数据产品中的2B-FLXHR-LIDAR可以提供辐射通量和加热率。
2.2图形分析
2.2.1云类型介绍
本文使用Cloudsat中2B-CLDCLASS-LIDAR数据产品提供的云类型包括高云(High),高层云(As),高积云(Ac),层云(St),层积云(Sc),积云(Cu),雨层云(Ns)和深对流云(Dc)。
高云类型包括卷云,卷积云和卷层云。
(1)高云(High):
高云形成于6000m以上的高空,对流层较冷的部份。
分三属,都是卷云类的。
在这个高度上的水都会凝固结晶,所以高云都是由冰晶体所组成的。
(2)高积云(Ac):
高积云主要存在于约2500-4500米的高空中,属于中云族。
高积云是由微小的水滴或者由过冷水滴与冰晶混合组成。
每当光线透过较薄的高积云时,常常能够观测到由于高积云内部的微小水滴或冰晶对光的衍射而产生的内蓝外红的光环,又称为华。
高积云是由于在高空逆温层的下面,使得冷空气达到饱和状态而形成的。
比较稳定,云体不厚,很少变化,预示晴天。
如果高积云的厚度继续增厚,并且逐渐融合成层,预示天气将会发生变化,甚至会出现降水。
(3)层云(St):
云底到地面的高度常在2000米以下,属于低云族。
云体均匀成层,呈灰白色或灰色,和雾相似,但是不接地,经常会笼罩山体和高层建筑。
层云是由直径5-30µm的水滴或者过冷水滴组成。
层云厚度一般在400-500米之间。
为水云。
由于夜间降温,或者潮湿气流流入,或者大雨后蒸发,大气的下层潮湿阴冷时能够形成层云。
太阳升起后地面加热后雾也能成为层云。
薄的层云一般在天亮后,或者在白天里逐渐消散。
冬季在反气旋和逆温的情况下层云也可以维持数日。
(4)层积云(Sc):
云底离地面的高度常在2000米以下,属于低云族。
它的组成成分是直径为5-40µm的水滴。
而在冬季出现的层积云中也可能由冰晶、雪花组成。
层积云在大多数情况下,是由于空气的乱流混合作用和波状运动使水汽凝结而形成。
有时可由强烈的辐射冷却而形成。
(5)积云(Cu):
积云的云底高度一般在600-2000m。
积云由水滴组成,但有时可伴有冰晶,它主要是由空气 对流上升冷却使水汽发生凝结而形成的。
(6)雨层云(Ns):
云底离地面的高度常在2000米以下的云。
属于低云族。
常伴有连续性降雨(雪),或者布满雨(雪)幡,云底很乱,无固定形状。
云层较厚,下部多由小水滴构成,中部由冰晶和小水滴构成,上部则是冰晶区。
多数为冰水混合组成的混合云。
云顶常达到6000米以上。
雨层云笼罩在空中,意味着
(7)深对流云(Dc):
由于动力原因或热力原因的原因,在不稳定的大气层内产生对流而形成的积状云。
其中动力对流形成的云体往往为长条状分布,一天中任何时刻均可以出现,而由热力对流形成的云体分散孤立,具有明显的日变化。
深对流云在热量传输、热带对流层和同温层的水汽交换有很重要的作用。
深对流云对水汽的垂直输送是平流层水汽的重要来源之一。
(8)高层云(As):
高层云大约在2500-4500m的高度上,由冰晶、雪花、水滴混合组成。
高层云主要在中纬度地区出现。
它的出现表示该地区有上升的空气。
在天气比较冷的月份里,高层云的出现预示着移动的气旋将会到达,形成长期固定的降雪或降水。
夏季,高层云与风暴或热带气旋有关。
高层云常由卷层云变厚或雨层云变薄而成。
2.2.2春季不同云类型与辐射分析
图一某高原地区加权平均云辐射效应(春季)
图一a、b和c中,黑色柱表示某高原地区在天顶处(TOA)、地表(Surface)和大气内部(ATM)每种云类型的云辐射效应。
折线为各种云当季占所有云的权重。
本文将层云(St)和层积云(Sc)归在一类作图。
CRE值为高云(High),高层云(As),高积云(Ac),层云(St),层积云(Sc),积云(Cu),雨层云(Ns)和深对流云(Dc)的CRE总和。
通过组合所有单层和多层云系统,多层云在天顶处和在表面上的全球平均CRE总和分别约为-103.1W/㎡和-118.8W/㎡。
在TOA和从地表处上,所有多层云系在全球平均CRE总和中分别贡献约为40.1%(-41.3W/㎡)和42.3%(-50.2W/㎡)[33]。
由此可见,单层云在辐射能量平衡方面有很重要的作用。
春季,在天顶处和地表处,St/Sc和Cu及Ns的云辐射效应相差无几,高云(High)、高积云(Ac)和深对流云(Dc)贡献较小。
但在大气内部,高层云(As)比积云(Cu)和雨层云(Ns)有相对较小的云辐射效应,但他们对所有的单层云系的云辐射效应的贡献是最高的,因为其更频繁发生,较大的权重(参照图一a、b,c中折线)。
特别需要指出的是,高层云在春季出现的频率较其他单层云有很大差别。
2.2.3夏季不同云类型与辐射分析
图二某高原地区加权平均云辐射效应(夏季)
在夏季,各种云的权重比较平均,但高层云(As)仍具有较高的权重,深对流云(Dc)出现的概率最低。
在天顶处,高云(High)的云辐射效应出现正值,与其他云均不同。
Sc/St和Cu在天顶处有相对较小的CRE值。
在地表处,云的辐射效应与天顶处基本相似,但是As比Ac的云辐射效应低。
而在大气内部各种单层云的辐射效应基本相当,As较突出。
2.2.4秋季不同云类型与辐射分析
图三某高原地区加权平均云辐射效应(秋季)
在秋季,某高原地区As依然具有最高的权重,St/Sc次之,High和Dc最少。
在天顶处,高云(High)的云辐射效应出现正值,与其他云均不同。
Sc/St和Cu在天顶处有相对较小的CRE值。
在地表处,云的辐射效应与天顶处基本相似,但是As比Ac的云辐射效应低。
而在大气内部各种单层云的辐射效应基本相当,且云的辐射效应很小,较夏季有明显变化。
2.2.5冬季不同云类型与辐射分析
图四某高原地区加权平均云辐射效应(冬季)
冬季各种云的权重基本与春季相同,As权重依然很高,占比22%。
Ac和Dc出现频率极低。
在天顶处、地表面和大气内部,High、Ac和Dc的云辐射效应基本不计。
在天顶处和地表面,Sc/St、Ns和Cu的辐射效应突出。
冬季在各处的辐射效应较秋季有减弱的趋势。
在大气内部,Sc/St的辐射效应出现正值,整体云辐射效应低。
整个冬季,Ac的在天顶处、地表和大气内部的辐射效应和权重均很低,可忽略不计。
第三章总结与讨论
(1)在第二章中,对天顶处、大气内部和地表面分别就四个季节的云辐射效应和各种云类型的权重进行了分析。
高层云(As)占总云量的权重全年都比较大,尤其是春季和冬季,高层云的权重更是达到20%的权重。
高原存在发生沙尘暴的前提条件,并且年均沙尘暴发生的频率非常高,大片荒漠化土地和大片的流动沙丘为沙尘暴的发生扩大提供了充足的沙尘来源。
高原沙尘暴主要发生在12月至翌年4月,沙尘暴发生中心从藏南的雅鲁藏布江上游河谷地区。
依次逐渐向北扩展到羌塘高原南部、羌塘高原及塔里木盆地南部,这种季节性摆动与副热带西风急流的位置变化密切相关[34]。
可见高原沙尘暴为高层云的形成提供了充足的凝结核。
更深入的分析可以发现,在春季和冬季沙尘暴多发期,高层云的出现频率也相应的升高,可见沙尘天气是高层云权重异常的原因之一。
某高原上空高空急流是影响沙尘暴的天气系统,地面大风是影响沙尘暴的直接因素[35]。
高空急流和地面大风改变整个某高原地区,甚至是中国北方大部的沙尘天气,从而影响云的生成,对环境和气候有很大影响。
(2)从整体看,高层云(As),层云(St),层积云(Sc),积云(Cu),雨层云(Ns)在天顶处、地表处和大气内部对辐射的影响较为重要,且云出现的频率均在6%-12%之间(高层云比例高于此范围),可见某高原地区这几种云的辐射效应占主要作用。
而高云(High),高积云(Ac),雨层云(Ns)和深对流(Dc)云对辐射的影响较小。
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