基于多源资料的全球陆地季风区云—辐射特征及数值模拟分析

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全球陆地季风区是世界上人口最密集的地区之一,季风降水影响了全球三分之二的人口。过去受到观测手段的限制,对全球陆地季风区云-辐射的特征与模拟很难进行整体,客观的研究。卫星产品的出现为研究云特征提供了新的手段。本文围绕全球季风区云与辐射的特征,首先分析了不同卫星产品中全球季风区云-辐射的特征,后基于此部分的结论,进一步评估了模式,尤其是CMIP6中的新版本模式对云-辐射的模拟性能,主要研究结论如下:一、全球陆地季风区云辐射强迫气候特征使用来自不同卫星传感器的不同卫星产品研究了不同产品所给出的全球季风区云-辐射的气候态特征。结果表明,与降水分布类似,全球季风区同样为云-辐射的大值区,且云-辐射呈现出与降水类似的夏季增加冬季减少的特征。而不同子季风区的总云量季节循环存在差异。虽然在气候态上不同卫星产品给出的总云量存在一定的差异,不同卫星产品均能给出较为一致的总云量季节变化。Cloud Sat能够揭示更多的云垂直结构的细节特征,其他卫星产品大多只能提供云系的顶层信息。二、全球陆地季风区云辐射强迫长期趋势与年际变率使用来自不同卫星传感器的不同卫星产品进一步分析了全球季风区云-辐射的季节变率与长期趋势,同时给出了不同子季风区的联系与差异。结果表明,全球季风区内总云量的年际变率分布不均匀,并且年际变率分布与降水的年际变率分布有一定的差距。不同卫星产品所给出的总云量的年际变率具有较强的资料依赖性。对于长期趋势,卫星产品显示总云量的长期趋势在21世纪初存在一个拐点,在21世纪之前,全球季风区的总云量与云辐射强迫总体呈现减弱趋势。在21世纪后,总云量减弱趋势暂缓。云量的单调变化具有较强的地域特征。三、大气环流模式AMIP试验模拟的全球陆地季风区云辐射强迫与误差来源结合前文结论,利用再分析资料与卫星观测资料,研究了三组中国气候模式AMIP试验中云-辐射的模拟性能,并对比了其CMIP5、CMIP6合计5套模式数据,考察新旧模式在云-辐射模拟模拟有何改善,并进一步对模式模拟偏差进行了归因诊断。研究发现各套模式对云-辐射模拟偏低,CMIP6模式对云-辐射气候态模拟改善程度较小。云特征的模拟偏差有很大可能性是由于对垂直动力结构模拟偏差导致的,并且,即使在类似的中低层动力结构中,各套模式依旧不能给出与再分析资料相似的云-辐射特征。四、FGOALS2两个模式对东亚冬季青藏高原东部层云区模拟的个例分析冬季青藏高原东部层云区是唯一存在于副热带陆地的层云密集区,对该地区层云模拟能力的系统分析评估是改进模式性能的重要依据。基于卫星资料,评估了中国科学院大气物理研究所FGOALS-s2和FGOALS-g2的大气环流模式试验(AMIP)对青藏高原东侧层云的模拟能力。通过分析云辐射强迫等相关特征、大气环流、稳定度、以及地表气温和云的关系,探讨了模式偏差的可能原因。结果表明,两个模式都不同程度地低估了青藏高原东侧的低层云量和云水含量。进一步分析表明,两个模式均低估了高原东侧的低层稳定度,同时不同程度地低估了该地区中低层水平水汽输送,导致层云云量的模拟偏少。此外,FGOALS-g2高估了高原东侧的上升运动和垂直水汽输送,使得模拟的低云偏少而云顶高度偏高。
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