云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

第20卷　第3期2001年8月

高　原　气　象PLA TEAU M ETEOROLO GY Vol.20　No.3

August ,2001文章编号:100020534(2001)0320264207

收稿日期:1999206201;改回日期:1999208210 基金项目:我国短期气候预测系统的研究(“九五”重中之重项目)(96290820120624)资助

作者简介:胡丽琴(1972—

),女,硕士,主要从事气象卫星资料的应用等方面的科研工作 3现在中国气象局国家卫星气象中心工作,北京,邮编:100081

云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

胡丽琴3,　刘长盛

(南京大学大气科学系,江苏南京　210093)

摘　要:云通过辐射过程对地气系统的能量平衡起着特别显著的调节作用,是影响天气、气候以及全球变化的重要因子。近年来,有云大气对太阳短波辐射的“异常吸收”又成为云—辐射研究中的一个争论热点。有云大气的短波吸收受到多种因素的影响,关于这方面的研究还不够充分。本文通过计算,从理论上探讨了若干因素的组合对大气吸收的综合影响。在计算中,同时考虑了不同太阳辐射波段、不同太阳入射天顶角、不同云顶高度以及不同下垫面的影响,并考虑了包含大气分子、气溶胶和云滴的吸收与散射,以及在近红外波段大气自身的热辐射等过程,阐明了云与气溶胶在不同波段对大气吸收太阳辐射的影响。

关键词:云辐射;气溶胶辐射;大气的短波吸收中图分类号:P422.3+1

文献标识码:A

1　引言

近年来,云或有云大气对太阳短波辐射的异常吸收,成为云—辐射相互作用中的一个研究热点。所谓异常吸收现象,实质上包含两个方面:一是就一层云而言,指的是实测的水云吸收率系统性地明显大于云模式的理论计算值的现象;二是就有云大气而言,指的是目前大气环流模式和气候模式得出的有云大气的平均吸收要明显小于实际观测值的现象。对于前者,目前倾向性的看法是:水云的异常吸收是存在的[1,2]。近二三年来,争论激烈的问题则是整层大气(包括晴空大气和有云大气)是否存在异常吸收。Ramanatha [3]、Cess [4,5]、Pilewskie 等[6]对不同观测资料的研究结果均显示,有云大气存在异常吸收。而Arking [7]通过统计方法得到与Cess 等[4]完全相反的结论。李占清[8]的研究结果

也表明,大气吸收异常更明显地出现在晴空而非云天大气中。Stephens [9]也对Cess 等[4]的分析方法和结论持怀疑态度。

迄今有关有云大气异常吸收的各种研究仍无最终定论。这一问题的解决将有赖于两方面工作的深入:一是通过规模较大的辐射观测试验获取更高质

量的实测资料;二是加强对云及有云大气吸收机制的基础性理论研究。由于云—辐射过程的复杂性,目前在这方面的研究仍不够充分。因此,从理论角度来讲,有云大气的短波辐射特性值得更加深入地探讨和研究。有云大气吸收量的多少受到多种因素的影响,许多研究工作从不同的角度探讨了这些因素的影响效应。例如,Zuev 等[10]用统计模式计算了云天大气的吸收情况,结果表明,整层大气的总吸收受到云型、云量以及入射太阳天顶角等因素的影响。李占清等[11]也得出相近的结论,即地面的云辐射强迫与大气顶的云辐射强迫的比值,不仅与云顶高度和云的光学厚度有关,而且与太阳入射天顶角有关。Dan Lubin 等[12]研究了不同太阳天顶角下云天及晴空大气的吸收随波长的分布特点。对于气溶胶对大气总吸收的影响,一般认为,无论是云层外部的气溶胶,还是云层内部的气溶胶,都会影响到总体的吸收[1,13]。

由此来看,根据实际情况,考虑若干因素的组合对大气吸收的综合影响是非常有意义的。基于此,本文采用辐射计算程序软件包———DISOR T 计算了有云大气的吸收。在计算中,同时考虑不同太阳辐射波段、不同太阳入射天顶角、不同云顶高

度、不同下垫面的情况,大气中的辐射过程包含大气分子、气溶胶、云滴的吸收和散射,以及在近红外波段大气自身的热辐射过程。

2　计算方法和步骤

我们选用LOWTRAN-7中中纬夏季大气模式以及春、夏季海洋和城市背景的气溶胶模式,水云的滴谱以及波长为0.65μm和1.39μm的散射相函数取自文献[14]。整层大气分为8层,大气顶的高度取为100km。下垫面为海洋背景时地面反照率取0,为陆地背景时地面反照率取0.2和0.8,能见度取23km。有云时即在晴空背景的相应高度嵌入水云云层,云底高度分别取为2.0km(低云)和4.0km(中云),云层厚度均为0.5km,光学厚度为38.3。

选取0.3～0.69μm、0.69～1.19μm、1.19～2.38μm、2.38～4.0μm四个波段,同时考虑了分子散射、气溶胶和云滴的吸收与散射,以及大气分子中H2O、CO2、O3、O2等成分的吸收作用,并在2.38～4.0μm波段内考虑了大气以及云自身的热辐射。

对于散射作用,我们在四个波段中各取一典型波长作为代表,该波长的各散射参数由其所属波段的数据资料插值而得。由于缺乏足够详细的水云相函数资料,因此在云水无吸收的0.3～0.69μm波段,采用波长为0.65μm的水云相函数替代;而在其余三个云水有吸收的波段,采用波长为1.39μm 的水云相函数替代。对于大气分子的吸收作用,采用LOWTRAN-7模式中的吸收参数资料及其平均透过率的算法。在计算整层大气的平均吸收率时,将以上得到的平均透过率数据按指数衰减关系转换成光学厚度,加到每一气层的散射光学厚度中,再引到DISOR T模式中。这样,就可以在每一气层的直接和漫射入射辐射中考虑到由于分子吸收而引起的这部分衰减作用。

我们分别计算了晴空及有云大气在0.3～0.69μm、0.69～1.19μm、1.19～2.38μm、2.38～4.0μm波段内对太阳辐射的平均吸收率,太阳入射天顶角分别取0°、30°、60°、75°。同时,计算了不考虑分子吸收或气溶胶的吸收和散射时大气在以上波段的吸收状况。具体计算步骤如下:

(1)　计算各层的光学参数。

(2)　输入DISOR T模式所需的各输入参量。除气层本身的光学参数外,还包含描述太阳入射辐射以及下垫面性质的各有关参数。

(3)　由DISOR T模式得出各高度上的净辐射通量,整层大气的吸收率由下式计算:

A=(FN ET toa-FN ET boa)/FDOWN toa,

其中FN ET toa和FN ET boa分别是大气层顶部和底部的净辐射通量,FDOWN toa为大气层顶入射的太阳辐射。

类似地,某一气层(或云层)的吸收率定义为该层顶部和底部的净辐射通量之差与该层顶部入射太阳辐射的比值。

(4)　为考察气溶胶对整层大气总吸收的影响,我们引入因子A a-A0,用以反映大气在含与不含气溶胶时的吸收量之差。其中A a为考虑气溶胶的吸收与散射时大气的总吸收率,A0为不考虑气溶胶的吸收与散射时大气的总吸收率。

3　计算结果

按以下三种情况对计算结果进行分类叙述。

(1)　晴空时考虑大气分子、气溶胶的散射和吸收作用,以及大气自身的热辐射,有云时即在以上晴空背景的相应高度嵌入水云云层

图1和图2分别为含海洋型气溶胶和城市型气溶胶的晴空及有云大气在四个波段内的平均吸收率。其中在0.3～0.69μm波段,云水无吸收;在其余三个波段内云水均有吸收。

由图1可以看出,当天空含弱吸收性的海洋型气溶胶时,在0.3～0.69μm波段,有云大气与晴空大气的吸收率均很小。而在0.69～1.19μm和1.19～2.38μm波段内,有云大气的吸收率明显大于晴空时,尤其是在有低云的情况下。另外,云对大气吸收的这种增强作用明显受太阳入射天顶角的影响。以有低云的天空为例:在0.69～1.19μm波段,当太阳垂直入射(θ0=0°)(如图1a)时,大气吸收率比晴空时增加了0.43,这一增幅在θ0=60°(如图1b)和θ0=75°(图略)时分别为0.32和0.24。此外,在1.19～2.38μm波段,云层高度对整层大气吸收的影响表现得更为明显。以垂直入射(如图1a)时为例:在该波段内,低云的存在使大气平均吸收率比晴空时增加了0.41,而这一增幅在有中云时为0.34。与其余两个云水有吸收的波段相比,在2.38～4.0μm波段内,有云大气的平均吸收率与晴空时的差别不再显著。

图2表明,与图1a中的情形相比,当天空含吸

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3期 胡丽琴等:云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

收性较强的城市型气溶胶时,大气总吸收的增加更明显地表现在晴空大气而非有云大气中。但在0.3

～0.69μm 波段,当地面反照率增大时,有云大气

的吸收有较明显的增加

。

图1　含海洋型气溶胶大气的吸收率

(a )太阳入射天顶角为0°,(b )太阳入射天顶角为60°

Fig.1　The absorptivity in oceanic aerosol atmosphere.(a )the solar zenith angle is 0°and (b )is 60

°

图2　含城市型气溶胶大气的吸收率,太阳入射天顶角为0°

(a )地面反照率为0.2,(b )地面反照率为0.8

Fig.2　The absorptivity in urban aerosol atmosphere ,the solar zenith angle is 0°.

(a )the albedo of underlying surface is 0.2and (b )is 0.

8

图3　含海洋型气溶胶大气在1.19～2.38μm 波段内的平均吸收率

(a )入射太阳天顶角为0°,(b )入射太阳天顶角为30°,(c )入射太阳天顶角为60°,(d )入射太阳天顶角为75°

Fig.3　The average absorptivity in 1.19～2.38μm in oceanic aerosol atmosphere.

(a )the solar zenith angle is 0°,(b )is 30°,(c )is 60°and (d )is 75°

6

62高 原 气 象 20卷

通过计算,我们还考察了云层的存在对其上下气层吸收率的影响。以含海洋型气溶胶的大气为例,有低云存在时,云下大气在四个波段内的平均吸收率与晴空时的差别均不明显,云上大气的吸收率与晴空时的差别则因波段而异。其中在1.19～2.38μm 波段内,云上大气的吸收要明显强于晴空时,尤以太阳垂直入射时最为突出(如图3);而在2.38～4.0μm 波段内,当太阳入射天顶角较大时,云上大气的吸收则明显弱于晴空时(图略)。在0.3

～0.69μm 、0.69～1.19μm 和1.19～2.38μm 波段,中云的存在对其上下气层的吸收率的影响大致与低云类似。但在2.38～4.0μm 波段内,有中云时,云下大气的吸收与晴空时的差别较为明显(如

图4),这一点与有低云时不同。 (2)　晴空时不考虑大气分子的吸收作用,其余同(1)。 以含海洋型气溶胶的大气为例:与(1)中的情形相比,不考虑大气分子的吸收时,所得到的整层大气的平均吸收率在0.69～1.19μm 、1.19～2.38μm 、2.38～4.0μm 波段内均明显减小(图略),尤以2.38～4.0μm 波段最为突出(如图5)。以垂直入射时为例:在2.38～4.0μm 波段,由于忽略分子吸收,使晴空大气的吸收率减小了0.81,有云时减小了0.4左右。并且除2.38～4.0μm 波段外,在其余三个波段,不考虑大气分子的吸收,也使得云层高度对整层大气吸收的影响变得很小(图略)

。

图4　低云对含海洋型气溶胶大气在2.38～4.0μm 波段内的平均吸收率的影响

其余说明同图3

Fig.4　The influence of low cloud on average absorptivity in 2.38～4.0μm in oceanic aerosol

atmosphere.Others are same as Fig.

3

图5　水汽与云层对含海洋型气溶胶大气在2.38～4.0μm 波段内的平均吸收率的影响

其余说明同图3

Fig.5　The influence of water vaper and clouds on the average absoptivity in 2.38～4.0μm

in oceanic aerosol atmosphere.Others are same as Fig.3

7

623期 胡丽琴等:云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

图6　含气溶胶大气与不含气溶胶大气的吸收率之差(A a-A0),太阳入射天顶角为0°

(a)有低云大气,(b)有中云大气,(c)晴空大气

Fig.6　The differences on absorptivity between the aerosol atmosphere and the atmosphere without aerosol.

(a)atmosphere with lower cloud,(b)atmosphere with middle cloud,(c)clear atmosphere

(3)　晴空时不考虑气溶胶的吸收和散射作用,其余同(1)。

如前所述,我们引入因子A a-A0来考察气溶胶对整层大气总吸收的影响。图6纵坐标即为A a -A0。若该值为正,反映了气溶胶的存在使大气增热;反之则说明气溶胶起着冷却大气的作用。 图6表明,我们所考虑的三种类型的气溶胶,在0.3～0.69μm波段增热大气,而在其余三个波段总是起着冷却大气的作用。并且气溶胶的这种冷却或增热作用是随着太阳入射天顶角的增大而增强(图略)。另外由图6还可以看出,在云水有吸收的三个波段,由于气溶胶类型的不同而产生的辐射强迫量的差异在天空有云时并不明显,而在晴空时较显著。

从能量角度来看,在到达大气顶的太阳辐射谱中,0.3～0.69μm波长范围内集中了很大比例的辐射能量(约占44.6%),0.69～1.19μm波段居其次(约占32.6%),而1.19～2.38μm和2.38～4.0μm波段内集中的辐射能量相对较少(分别占18.0%和2.8%)[15]。据此,我们可以把图6中各波段的值转换成占太阳辐射总能量的百分比值,然后通过求和,得到气溶胶在整个太阳辐射波段对大气产生的辐射强迫(表1)。表中结果表明:在整个太阳辐射波段,所考虑的三种类型的气溶胶均起着冷却大气的作用,冷却的程度以晴空状况下的海洋型气溶胶为最强,而吸收性较强的城市型气溶胶对大气的冷却作用相对较弱,尤其是在地面反照率较大的情况下。另外还发现,对于同一种类型的气溶胶,其产生的辐射强迫在有中云时最弱。

表1　整个太阳辐射波段的A a-A0值(以占太阳辐射

总能量的百分比值表示)

T able1　The number of A a-A0in the whole solar

radiation w ave b and(expressed by the percentage of the

whole energy of sun radiation)

天空背景

气溶胶类型

海洋型气溶胶

城市型气溶胶

(地面反照率

为0.2)

城市型气溶胶

(地面反照率

为0.8)有低云大气-8.37%-6.82%-3.67%

有中云大气-5.48%-3.07%-0.84%

晴空大气-15.62%-5.07%-1.76%

4　结论

通过本文的计算实例,得出不同条件下大气在短波波段的吸收特性。主要结论如下:

(1)　当天空含弱吸收性的海洋型气溶胶时,在0.3～0.69μm波段,晴空大气与有云大气的吸收率均很小;在0.69～1.19μm和1.19～2.38μm 波段,有云大气的吸收率明显大于晴空,尤其是在

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有低云的情况下;在考虑大气自身热辐射的2.38～4.0μm波段,有云大气的平均吸收与晴空时的差别不再显著。若天空含吸收性较强的城市型气溶胶,较之含海洋型气溶胶时,大气总吸收的增加更明显地表现在晴空大气而非有云大气中。但在0.3～0.69μm波段,在地面反照率较大时,有云大气的吸收有较明显的增加。

(2)　有低云时,云下大气在四个波段内的平均吸收率与晴空时的差别均不明显。有中云时,在2.38～4.0μm波段内,云下大气的吸收与晴空时的差别较为明显。

(3)　不考虑大气分子的吸收时,除在0.3～0.69μm波段外,所得到的整层大气的平均吸收率均明显减小,尤以2.38～4.0μm波段最为突出。

(4)　我们所考虑的三种类型的气溶胶,在0.3～0.69μm波段增热大气,而在其余三个波段总是起着冷却大气的作用。并且,气溶胶的这种冷却或增热作用随太阳入射天顶角的增大而增强。在云水有吸收的三个波段,由于气溶胶类型的不同而产生的辐射强迫量的差异在天空有云时并不明显,而在晴空时较显著。

(5)　就整个太阳辐射波段而言,我们所考虑的三种类型的气溶胶均起着冷却大气的作用,冷却的程度以晴空状况下的海洋型气溶胶为最强,而吸收性较强的城市型气溶胶对大气的冷却作用相对较弱,尤其是在地面反照率较大的情况下。另外,对于同一种类型的气溶胶,其产生的辐射强迫在有中云时最弱。

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3期 胡丽琴等:云层与气溶胶对大气吸收太阳辐射的影响

072高 原 气 象 20卷

The Influence of Cloud Layer and Aerosol on Absorption

of Solar R adiation

HU Li2qin,　L IU Chang2sheng

(Depart ment of A t mospheric Sciences,N anji ng U niversity,N anji ng210093,Chi na)

Abstract:Clouds is the major contributor to modulating the energy balance of the earth2atmosphere system, thereby it plays a key role in the weather,climate and globe changes.Studies on the interaction of clouds with radiation are important.In the investigations,a recent debate about the anomalous absorption of solar radiation in the cloudy atmosphere aroused widely interest.The problem relating to this is the basic knowledge of absorp2 tion in cloud and cloudy atmosphere is still inadequate.In this paper,a radiative transfer code———DISOR T is employed to calculate the absorptivity of cloudy atmosphere.After taking account of the affection of the molecu2 lar scattering,absorption and emission,the aerosol absorption and scattering and the cloud partical absorption and scattering,the impact of the cloud on radiation at different solar spectrum bands,solar zenith angles,cloud heights and underlying surfaces are considered.Some radiative properties of cloudy atmosphere in the solar radia2 tion wave bands are shown.

K ey w ords:Cloud radiation;Aerosol radiation;Short wave absorption in atmosphere