有云大气三维辐射效应数值模拟研究

摘要

大气数值模式普遍采用一维辐射传输模型，无法表征有云大气中的三维辐射传输过程，从而影响数值模拟乃至数值天气预报的准确性。为评估这种不确定性，本文采用宽带三维辐射传输模式SHDOM，以探究三维云辐射相互作用及其改变云热力和动力结构规律为出发点，讨论一维和三维有云大气长短波辐射通量与变温率空间分布及其可能导致的云浮力方面影响，定量分析邻近云体对目标区域云体热力结构，力求为改进数值模式辐射计算方案提供理论依据。
　　首先对比讨论一维与三维辐射传输辐射通量与变温率差异，分别将高阶散射扩散衰减、低阶散射辐射增强和低阶散射辐射减弱造成的三维云辐射特征分别归类为辐射逃逸效应、云边照明效应和云的阴影效应。
　　为讨论三维辐射效应可能导致的云动力影响，本文选取淡积云场，利用变温率对云浮力的换算公式，初步讨论三维云辐射变温对云浮力可能造成的影响。结果表明，长波中，云边界浮力大小与云间距离成反比。当云体间水平距离较远时，云表面边界水平发射长波辐射导致自身降温，形成负浮力;当云体相邻时，云与云之间通过长波辐射能量交互，使云边界降温减缓，形成正浮力。对于短波情况，云浮力与太阳入射方向及三维云场性质有关。当太阳倾斜入射时，云体向阳处接受更多的短波辐射，造成辐射增温，形成正浮力。云体阴面受云体遮蔽短波辐射降温，形成下沉的负浮力。
　　为分析云与云之间的三维辐射影响，选取I3RC PhaseⅡ的典型积云和层积云场作为试验云场，将其中心区域视为目标云体，周围区域为邻近云体，模拟了长波和短波辐射变温率的空间分布，定量阐明邻近云体对目标云体热力结构的影响。结果表明:邻云在长波区域对目标云体主要起着辐射保温的作用，增温区域集中于靠近邻云的云体表面边界，增温强度与云覆盖率和云间距离倒数成正比，最高可达3.08K/h，增温的云体厚度与目标云体液态水含量成反比;在短波区域，邻云同时起着散射增温和遮蔽降温的作用，太阳垂直入射时，散射增温效应较弱，且空间局域性不强;当太阳天项角增大后，遮蔽降温效应逐步起主导作用，造成邻云遮挡一侧的目标云体表面边界明显降温，峰值可达-1.72K/h，数值上甚至超过邻云长波增温效应。总之，邻近云体可以明显改变目标云体的局域变温率结构，引入三维邻云辐射效应对改进大气数值模式辐射计算方案具有重要意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 三维有云大气辐射传输的重要性

1．2 三维有云大气辐射传输研究进展

1．3 本文研究内容

第二章 三维云辐射传输模式简介

2．1 三维有云大气辐射传输模式SHDOM

2．2 快速辐射传输模型

2．3 辐射传输模式计算流程

2．4 变温率定义

第三章 辐射通量和变温率的三维辐射效应

3．1 云分类与云场介绍

3．1．1 淡积云

3．1．2 层云

3．2 辐射扩散效应

3．2．1 长波

3．2．2 短波

3．3 云边照明与云的阴影效应

3．4 小结

第四章 三维辐射效应对云浮力影响

4．1 云浮力公式

4．2 变温率与云浮力

4．2．1 长波

4．2．2 短波

4．3 小结

第五章 邻云辐射效应

5．1 三维云场及实验方案简介

5．2 长波保温效应

5．2．1 辐射通量

5．2．2 变温率

5．3 短波散射增温效应与遮蔽降温效应

5．3．1 辐射通量

5．3．2 变温率

5．4 小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 特色

6．3 不足与展望

参考文献

作者简介

致谢