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《中国气象科学研究院》 2012年
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大气辐射模式的改进及其在气候模拟中的应用

卢鹏  
【摘要】:大气辐射模式一方面通过地表和大气顶的辐射通量影响气候模式的辐射能量收支平衡;另一方面通过辐射加热率影响大气垂直和水平运动,是气候模式的重要组成部分之一。本论文在国家气候中心BCC_RAD大气辐射模式的基础上,利用HITRAN2008分子光谱数据集和MT_CKD2.5.2水汽连续吸收模式更新了BCC_RAD辐射模式中的气体吸收系数;针对相关k分布辐射模式,提出了一种与之相匹配的k分布水云光学性质参数化方案;将四流球谐函数算法应用于BCC_RAD大气辐射模式的辐射传输计算之中。利用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.0.1分别讨论了k分布水云光学性质参数化方案、四流球谐函数算法、长波区间太阳辐射对气候模拟的影响。主要结论概述如下: (1)利用逐线积分大气辐射模式评估了四个版本HITRAN分子光谱数据集(HITRAN1996、HITRAN2000、HITRAN2004和HITRAN2008)计算的长波辐射差异。结果表明,HITRAN2008与之前3个版本相比,地表向下辐射通量的最大差别为1.7Wm~(-2),大气顶向上辐射通量的最大差别为0.28Wm~(-2),冷却率的最大差别为0.12KDay-1。利用HITRAN2008分子光谱数据集谱线参数不确定性指数计算了由谱线强度和空气加宽半宽度的不确定性造成的长波区间光学厚度、辐射通量和冷却率的不确定性。结果表明整层大气光学厚度的不确定性范围为±10%,地表向下辐射通量的不确定性范围为±1.97Wm~(-2),大气顶向上辐射通量的不确定性范围为±1.92W m~(-2),冷却率的不确定性范围为±0.5K Day-1。 (2)利用HITRAN2008分子光谱数据集和MT_CKD2.5.2水汽连续吸收模式更新了BCC_RAD辐射模式中长波部分的气体吸收系数,将相关k分布气体吸收系数计算时的参考压强由100mb调整为700mb。通过与CIRC辐射模式比较计划中给出的参考值比较,上述改动可以改善大气长波辐射的计算精度。利用长波区间谱带内随气体吸收系数重排后的普朗克累积函数,解释了谱带内普朗克函数变化与气体吸收系数的关系。在BCC_RAD辐射模式的短波部分考虑了二氧化碳、氧化亚氮和甲烷气体的吸收。 (3)针对相关k分布模式中使用谱带平均水云光学性质参数化方案会导致短波区间云顶加热率高估的问题,提出了与相关k分布模式相匹配的k分布水云光学性质参数化方案。该方案考虑了谱带内气体吸收和水云吸收的相互关系。使用该方案计算的云顶加热率的误差仅为谱带平均方案的一半左右。将k分布水云光学性质参数化方案应用于气候模式,与谱带平均水云光学性质参数化方案相比,采用k分布水云光学性质参数化方案计算的的有云大气地表向下短波辐射通量减小了0.87W m~(-2),有云大气大气顶向上短波辐射通量增加了2.15Wm~(-2)的,总云量增加了0.32%。 (4)利用单层四流球谐函数算法结合累加法的方法,在BCC_RAD辐射模式中引入了四流球谐函数方案。通过在不同太阳天顶角、不同云水含量情况下的比较表明,四流球谐函数方案计算的云顶加热率要优于Eddington方案的结果。将四流球谐函数方案应用于气候模式,与Eddington方案相比,四流球谐函数方案计算的有云大气地表向下短波辐射通量减小了1.16Wm-2;有云大气大气顶向上短波辐射通量增加了0.24Wm-2,对流层顶的温度增加了0.18K。 (5)研究了太阳辐射在长波区间的能量对气候模式的影响。结果表明,考虑太阳辐射在长波区间的能量之后,晴空大气地表向下辐射通量改进了2.05W m-2,晴空大气大气顶向上辐射通量改进了0.7Wm-2,有云大气地表向下辐射通量改进了1.38Wm-2;有云大气大气顶向上辐射通量改进了0.99Wm-2,对流层顶的温度改进了0.27K。
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:P422

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【参考文献】
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