云量的多少与大气层顶短波辐射强迫大小

利用卫星资料

分析中国地区云及其辐射特性丁守国北京大学物理学院大气科学系简历丁守国，北京大学物理学院大气科学系博士后本科，1988－1992，兰州大学大气科学系；工作，1992－1998，河北省气象局科研所；硕士，1998－2023，北京大学地球物理系，指导教师：秦瑜教授；博士，2023－2023，中国科学院大气物理争论所，指导教师：石广玉争论员争论领域：云－辐射的相互作用，气候变化云在气候系统中的作用云辐射相互作用不同云特性对气候的影响〔云高，文献〕国际打算简介ISCCP资料简介全球背景云特性描述中国地区云辐射特性分析引子云总是与肯定的天气系统联系在一起的，依据卫星图像中云系的移动和变化来预报天气，能够大大提高天气预报的准确度，云作为天气降临的信号，有助于我们提高预报天气的力量依据气候模式中辐射程序相互比较打算〔ICRCCM〕对用于GCMs中的不同辐射程序进展比较的结果说明，在当代用于气候争论和猜测的GCMs中，云和辐射及其相互作用的处理不当，是造成误差和不确定的主要来源在气候模拟和预报中，云是阻碍我们探究气候变化的最大障碍云在气候系统中的作用 云能调整地气系统的辐射能量收支和水分循环的平衡，是影响气候变化的重要因子。云的存在能够极大地转变长、短波辐射在大气中的传输，影响到地气系统辐射能量的收支云还是全球水分循环的重要组成，大气中水分循环过程同时也是能量转移的过程云和气候的相互作用模式争论说明：云特性(如云量、云高和云水含量等)的任何变化，都可能对全球和区域气候产生重大影响〔WetheraldandManabs,1987〕全球或区域气候变化也会引起云特性的调整这种关系就产生了一个简单的气候反响系统云气候国际打算简介因此，近年来对云—辐射相互作用及其的气候效应的争论极为重视，云—辐射相互作用在一些大型科学打算和试验中都占有重要的地位。气候模式中辐射程序相互比较打算〔ICRCCM〕国际卫星云气候学打算〔ISCCP〕地球辐射收支试验(ERBE)美国能源部〔DOE〕的大气辐射测量打算〔ARM〕全球能量与水份循环试验〔GEWEX〕其它有待解决的问题 近年来，云—辐射相互作用的争论取得了很大的进展，但有些重要问题并没有得到圆满的解决，我们还不太清晰：云和辐射相互作用是如何进展的〔机制〕？云特性的变化在多大程度上影响着当代气候〔云的气候反响〕？在变化了的气候中，云又会发生怎样的变化？〔云的气候响应〕云—辐射相互作用的物理机制云顶冷却和云底加热转变云中的温度层结；晴空和云区冷却率的不同，可以增加向云系的辐合；大范围的晴空辐射冷却对环境具有去稳作用。Tao(1996))Heating/coolingrateatdifferentlocations不同云高对短波辐射加热率的影响SZA=40云的厚度H=2km;LWP=200g/m2;Re=10um;云底高度分别取：1，3，5，7km 在其它条件一样的状况下，短波辐射对云顶的加热效果随云底高度的增加愈加显著。向上、向下的短波辐射通量 与晴空大气相比，云能够大量反射入射的短波辐射，使到达地面的短波辐射能量大大削减，对下垫面起冷却作用。二、不同高度云层的长波辐射变温率云的厚度H=2km;LWP=200g/m2;Re=10um;云底高度分别取：1，3，5，7km 在其它条件一样的状况下，长波辐射云底加热、云顶冷却的效果随云底高度的增加愈加显著。向上、向下的长波辐射通量与晴空大气相比，云的存在不同程度的削减了向外空间出射的长波辐射能量，云所在的高度越高，其向外射出的能量越少，即高云的增温效应更显著。全球温度变化趋势分布图

〔1976－2023〕气候变暖上个世纪最终20多年全球增温显著〔IPCC，2023〕东亚包括中国地区，是全球变暖速率最高的地区之一(王绍武，2023)全球平均温度距平图〔1856－2023〕

〔对1961－1990平均的偏差〕气候变暖：整个90年月是自有器测记录以来温度最高的10年〔IPCC，2023〕有必要：争论气候显著变暖背景下中国地区云特性的变化，即云对气候变暖的响应目的答复：云是如何响应近年来中国地区气候显著变暖的？利用ISCCPD2云气候资料集，分析近年来中国地区云变化，得到云对气候变暖的响应答复：近年来中国地区云的变化对气候的反响是正还是负？利用ISCCPFD云辐射通量资料，分析得到中国地区云辐射特性的变化，给出近年来云特性的变化对中国地区气候的反响方向〔＋/－？〕结合气候资料，分析不同云特性变化的缘由，以期从中提取人类活动对云的影响信息以往针对云气候特征的争论都是承受地面常规观测资料，争论对象也仅限于云量，主要缘由是缺乏系统、牢靠的云特性资料。国际卫星云气候打算〔ISCCP〕建立的云气候资料，使得系统争论云的不同特性及变化规律成为可能。ISCCP简介国际卫星云气候打算〔ISCCP〕是世界气候争论打算〔WCRP〕的第一个子打算，始于1982年，至今已经20余年.ISCCP的主要目标有：利用多颗极轨卫星和静止卫星得到全球红外和可见光辐射资料集，以及大气的根本辐射特性，从中得到不同云参数的全球分布以及云的辐射特性建立并检验全球云气候资料集利用该资料集开展进一步的争论，改进气候模式中云辐射的参数化方案，以提高气候模式的模拟和预报性能增进对地球辐射收支〔大气层顶和地表〕以及水文循环的理解ISCCP网站：:///资料简介ISCCP云资料集有多种，本文选用的是最新公布的逐月平均云资料集：D2资料集空间区分率：2.5°×2.5°时间跨度为1983.7－2023.9是目前关于全球云气候资料集中最为完整的，相对于较早的C2资料集，在很多方面得到了改进，Rossow和Schiffer〔1999〕对此作了具体的争论。Hatzianastassiou等人〔2023〕对极地云气候特征的争论也说明D2资料集确实优于C2。与以前公布的D2资料集相比，本次公布的资料集更加完整，不仅仅延长了时间尺度，更重要的是，对此前资料中存在的一些问题进展了校正〔〕.该资料集中涉及130个与云相关的参数，其中包括云量、云水路径、云顶温度和光学厚度等云参数ISCCPD2资料对云的分类名称云顶气压(mb)光学厚度云类云粒子相态低云>680≤3.55积云云水，冰晶3.55-22.63层积云云水，冰晶>22.63层云云水，冰晶中云440-680≤3.55高积云云水，冰晶3.55-22.63高层云云水，冰晶>22.63雨层云云水，冰晶高云≤440≤3.55卷云冰晶3.55-22.63卷层云冰晶>22.63深对流云冰晶内容全球背景云辐射特性简介中国地区云及其辐射特性总结平均总云量与短波辐射强迫〔TOA〕的分布云量的多少与大气层顶短波辐射强迫大小，有很好的对应.中国南方地区总云量不是很高的，但短波辐射强迫是全球最高的地区之一.这说明中国地区云短波辐射强迫具有独特性.平均高云量与长波辐射强迫〔TOA〕的分布大气层顶云长波辐射强迫的分布与全球平均高云量有很好的对应关系.青藏高原高云量较多，但长波辐射强迫并不高，这说明中国地区大气层顶云的长辐射强迫具有特殊性.线性趋势方法简介 对资料序列T(t),t=1,2,⋯,n,以线性函数T=at+b来拟合原序列,按最小二乘法可求得常数项a和b，其中常数a就是趋势项：其中：a值的正负，表示该资料序列随时间变化的方向，正值表示资料随时间有增加的趋势，负值则表示趋于减小；a确实定值的大小，表示变化的快慢程度. 在争论趋势分布的时候，对每个网格的时间序列，求得趋势项，用每10年的变化量表示，正值表示增加，负值表示削减；确定值的大小表示变化的快慢,并用不同的颜色加以区分.全球平均总云量的变化趋势全球平均总云量约为67％近年来全球平均总云量呈下降态势，削减约4%，趋势明显从地理位置上看，热带和中纬度地区的总云量削减较多，高纬地区云量略有增加.不同云类云量的变化趋势

影响总云量变化的主要是低云和高云量的变化从全球平均总云量的变化趋势可以看出：尽管中云量在增加，但仍旧不能抵消低云和高云在过去近20年来总体的下降趋势中国地区云及其辐射特性分析中国地区云的气候响应云量云水路径云顶温度光学厚度气候因子对中国地区云的影响分析中国地区云对气候的反响辐射通量辐射强迫云量中国总云量分布特征我国平均总云量的分布呈现出南方多，北方次之，中间北纬40°四周云量最低.多云中心位于西南地区，东部沿海地区和藏南地区，其中最大的多云中心是西南地区。青藏高原西部地区，以及从塔里木盆地沿昆仑山脉和祁连山脉的北麓向东，经河套地区，太行山以东的华北平原，直到渤海湾的带状区域，为云量的低值区。总云量的变化趋势在气候显著变温和全球总云量趋于削减的背景下，中国地区云量也在削减，削减约3.6%新疆西部和东北局部地区，呈增加态势中部少云地区的云量削减较为显著；多云地区总云量的变化不大中国地区不同云类云量的年际变化

中、低云云量变化趋势不明显.高云量的削减特别明显，削减幅度为2.7%，约占平均高云量的14.4%.中国地区平均总云量的削减主要是由于高云量的削减引起的.不同季节高云量变化趋势春季平均高云量削减超过3%，占春季平均高云量的16%.冬季，平均高云量削减约为2.7%，约占冬季平均高云量的28%.中国地区的高云量的削减主要发生在春、冬两季.不同云量消失频率的变化不同云量消失频率的年际变化ISCCP把云量消失频率分为10档，以10%为间隔中国地区晴空消失频率在增加，而阴天消失频率在削减.其它云量消失频率的变化不明显.极值云量年际变化趋势中国地区平均总云量的削减主要表达在：晴空消失频率的增加和阴天消失频率的削减小结在气候快速变暖背景下，中国地区平均总云量趋于削减.从分布上看，中部少云地区的云量削减最为显著，而多云地区总云量的变化不大.从不同云类云量的变化趋势看，高云量的削减对中国地区平均总云量的削减奉献最大.从时间上看，中国地区的云量的削减主要发生在春、冬两季.从极值云量的变化看，中国地区平均总云量的削减主要表达在：晴空消失频率的增加和阴天消失频率的削减.云水路径中国地区云水路径的变化趋势中国地区年平均云水路径增加约18g/m**2,增加幅度超过了平均云水路径的25％，变化显著.中国地区云水路径呈普遍增加的趋势.中国地区平均云水路径近年来在各个季节都有增加，其中，冬季增加最为显著，增加约30g/m**2.云顶温度中国地区平均云顶温度的变化平均云顶温度总体呈显著上升趋势，升幅达7K以上.从分布上看，我国大局部地区平均云顶温度都有很大程度的上升.各个季节都有增加，其中春季和冬季增加最为显著中、高云云顶温度的年际变化中云和高云平均云顶温度都呈上升趋势.其中中云云顶温度约上升为1K；高云升幅比较显著，约2K. 平均云顶温度升幅达7K以上！而不同云类云顶温度变化幅度只有1～2K，为什么？高云量的削减与平均云顶温度上升示意图平均240K，云量削减后，平均247.5K高云量的削减，使其下中、低云云顶温度对平均云顶温度的奉献相对增大，使平均云顶温度大幅上升270K240K240K平均云顶温度与高云量的距平变化趋势图相关系数为-0.70，通过99%置信度检验高云量和平均云顶温度的变化趋势分布云顶温度上升的地区与高云量削减的地区有较好的对应中国地区平均云顶温度上升，有两方面的缘由：高云量的削减和中、高云云顶温度的上升。云顶温度小结近年来，中国地区平均云顶温度总体呈显著上升趋势.从分布上看，我国大局部地区平均云顶温度都在上升.从季节上看，各个季节都有上升，其中春季和冬季的增温最为显著中国地区平均高云量的显著削减，使得低层的中、低云云顶温度对平均云顶温度的奉献相对增大，是平均云顶温度显著增加的主要缘由。另外：中、高云云顶温度也在上升。云的光学厚度平均云光学厚度的变化在1984－2023年间，中国地区平均云光学厚度呈显著增加趋势，增幅约为1.大局部地区云的光学厚度呈增加的趋势，其中，青藏高原东南部地区，西南地区以及大兴安岭一带地区，增加最显著中国地区平均云光学厚度近年来在各个季节都有增加，其中冬季增加最为显著中国地区平均云厚的变化云顶高度选取对流层大气温度的平均递减率为6.5K/km。依据地面温度和云顶温度的变化，利用： 就可得到云顶高度的变化状况.无论是平均云顶温度，还是中、高云的云顶温度，其增幅度都高于地面温度的增幅，由此可见：中国地区平均云顶高度在下降！云底高度 随着地表温度的增加，湿空气要在更高的高度上才能分散，抬升分散高度〔LCL〕〔即云底高度〕将相应上升。即云底高度随地面温度的上升而抬升。 观测说明：1〕夏季云底高，而冬季云底低！〔林明媚，2023〕2〕大气辐射测量打算〔ARM〕的观测说明，随着温度的上升，云底在抬升〔AnthonyDelGenio，2023〕 近年来中国地区温度在上升〔王绍武，2023〕，因此可以得出：中国地区平均云底高度在抬升！云顶下降云底抬升中国地区平均云厚在变薄！云水路径在增加这意味什么？云水路径:单位面积大气柱中云水的总量：影响云水路径的因子：云厚，云粒子的大小和数浓度平均云水路径增加显著云体变薄不考虑云粒子大小的变化，可以得到：中国地区云粒子数浓度在增加！缘由分析:近年来人为气溶胶排放增加〔Luo，2023，Menon，2023〕，可能导致CCN浓度增加〔Hobbs,1993〕，使得云粒子数浓度相应增加.通过云的宏观特性近年来的变化，我们得到中国地区云的微物理特性的变化，从而将人类活动与云的变化联系起来.云粒子数浓度的变化云对气候的响应小结在气候快速变暖背景下，中国地区平均总云量趋于削减，其中高云量的削减最显著从时间上看，云量的削减主要发生在春、冬两季；从极值云量消失频率的变化看，云量的削减主要表达在晴空消失频率的增加和阴天消失频率的削减.云水路径，云顶温度和云的光学厚度则都呈显著增加.这种增加在各个季节都有发生，其中冬、春季增加最为显著.中国地区云粒子数浓度在增加

气候因子对中国地区云的影响分析方法 选取影响中国地区天气或气候变化的主要气候因子，与云参数作相关分析，来比较不同气候指数对中国地区云特征量影响的大小气候因子代表热带低纬气候特征的：南方涛动指数和Nina34指数代表西北太平洋气候特征的：西太平洋的副高强度指数和北太平洋指数代表北半球大气活动的：北半球极涡强度指数，北半球极涡面积指数，亚洲北极涡强度和面积指数表征平均大气环流的亚洲纬向环流指数和经向环流指数。不同气候指数与年平均晴空频率的线性相关系数统计表

表中各项均通过95%置信度检验，**项通过99%置信度检验气候指数亚洲纬向环流指数亚洲经向环流指数亚洲北极涡强度指数亚洲北极涡面积指数北半球极涡强度指数相关系数0.19380.1070-0.4527-0.6038-0.4129显著程度******气候指数北半球极涡面积指数北太平洋指数西太平洋副高强度指数nina34南方涛动指数相关系数-0.4167-0.27050.1507-0.35890.4057显著程度******晴空频率与亚洲北极涡面积指数的距平图相关分析的结果说明，中国地区晴空消失频率与亚洲北极涡面积指数存在很好的负相关，相关系数为-0.6，通过99％置信度检验。北极涡活动的减弱〔赵振国，1999〕，可能是中国地区晴空消失频率增加，平均总云量削减的气候学方面的缘由不同气候指数与中国地区平均云顶温度和高云云顶温度的相关统计表

气候指数平均云顶温度高云温度亚洲纬向环流指数0.346090.297亚洲经向环流指数0.132910.087902亚洲极涡强度指数-0.26348-0.52045*亚洲极涡面积指数-0.57977*-0.71943*北半球极涡强度指数-0.71728*-0.53473*北半球极涡面积指数-0.50305*-0.73005*西太平洋副高面积指数0.017909-0.069518西太平洋副高强度指数0.024907-0.011101南方涛动指数0.269780.53478*中国地区温度距平0.66151*0.77736*北太平洋指数（NP）-0.0770650.064103Nina34-0.20286-0.46847表中各项均通过95%置信度检验，*项通过99%置信度检验平均云顶温度与北极涡强度指数距平的年际变化相关分析的结果说明，中国地区平均云顶温度与北极涡强度指数存在很好的负相关，相关系数为-0.72，通过99％置信度检验。北极涡的减弱，可能是近年来影响中国地区云顶温度上升的气候学方面的缘由之一。不同气候指数与平均云光学厚度和云水路径相关系数统计表气候因子光学厚度云水路径亚洲纬向环流指数0.199940.17965亚洲经向环流指数0.120650.12322亚洲极涡强度指数-0.32002-0.19526亚洲极涡面积指数-0.58542*-0.52247*北半球极涡强度指数-0.70564*-0.64329*北半球极涡面积指数-0.57849*-0.51558*西太平洋副高面积指数-0.11563-0.047847西太平洋副高强度指数-0.13208-0.069591南方涛动指数0.492870.39412中国地区温度距平0.55293*0.53936*北太平洋指数（NP）0.034068-0.024282Nina34-0.4019-0.32933表中各项均通过95%置信度检验，*项通过99%置信度检验小结通过对云参数与各个气候因子的相关分析，我们觉察，不同云参数〔晴空消失频率、云顶温度等〕都与代表北极涡活动强弱的气候指数有很好的相关！近年来北半球大气活动减弱〔Wang，2023〕，特殊是北极涡活动的减弱〔赵振国，1999〕，可能是影响中国地区云特性变化的气候学方面的缘由。中国地区云辐射特性分析云辐射强迫的定义某一层给定大气的净辐射通量，与假定云不存在时，同一大气的净辐射通量之差。辐射强迫能够标示气候变化的趋势晴空状况晴空反射短波辐射通量变化趋势〔TOA〕晴空大气层顶反射短波辐射通量呈增加趋势从分布上看，中国东部地区反射力量增加显著晴空大气层顶反射短波辐射的显著增加，很可能是由于近年来人为气溶胶排放增加引起的.晴空射出长波辐射通量变化趋势〔TOA〕晴空大气层顶射出长波辐射通量略有增加，但趋势不明显.东部地区，大气层顶出射长波辐射在削减，而西部地区在增加.缘由分析：由于气溶胶浓度的增加，可能吸取局部地表向上的长波辐射能量，并以自身较低的温度向上放射长波辐射，净的效果使得这些地区晴空大气层顶射出长波辐射有所削减。而西部地区大气层顶，射出长波辐射的增加，则使由于地面温度的增加引起的.全天候状况大气层顶反射短波辐射通量的变化趋势中国地区大气层顶对短波辐射的反射力量在增加.从变化趋势分布上看，与云光学厚度的变化有很好的对应，可见大气层顶反射短波辐射的增加，主要是由于云光学厚度的变化引起的。大气层顶射出长波辐射辐射通量的变化大气层顶向上长波辐射通量近年来呈显著增加趋势.变化趋势分布与平均云顶温度及高云量的变化趋势分布有很好的对应高云量的削减，造成平均云顶温度大幅上升，是近年来大气层顶射出长波辐射通量显著增加的主要缘由云辐射强迫大气层顶云短波辐射强迫的变化〔TOA〕云短波辐射强迫＝全天候净辐射通量－晴空净辐射通量由于晴空和全天候大气层顶反射短波辐射通量都在增加，两者差的变化不大，因而，大气层顶云短波辐射强迫的年际变化趋势不明显但从分布上看，不同地区大气层顶云短波辐射强迫的变化趋势有差异。中国大局部地区云的短波辐射强迫在增加，但高原以东局部地区在减小。云长波辐射强迫的变化〔TOA〕长波云辐射强迫＝晴空净辐射通量－云天净辐射通量中国地区晴空大气层顶射出