基于RegCM4.6 的中國地區(qū)云對(duì)地表太陽輻射的影響研究

郭子嘉，劉 鑫，陳勇航，蘇小嵐，辛 渝，陳春美，周海江

（1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620；2.新疆氣象服務(wù)中心，新疆 烏魯木齊830002；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

太陽輻射是驅(qū)動(dòng)地氣系統(tǒng)能量交換和水循環(huán)等關(guān)鍵物理過程的主要?jiǎng)恿1-3]。而云對(duì)輻射的透射、吸收、反射等作用，影響著入射至地球表面的太陽輻射，使得云成為地表能量平衡的重要影響因子之一[4-5]。因此，定量化研究云對(duì)太陽輻射的影響是準(zhǔn)確評(píng)估、預(yù)測以及科學(xué)利用、開發(fā)太陽能資源的關(guān)鍵，但也是這一領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。

國內(nèi)外已有學(xué)者利用RCM 模式（Regional Climate Model，RCM）對(duì)太陽輻射收支進(jìn)行了模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估。韓振宇等[6]評(píng)估了RCM模擬的中國東部區(qū)域輻射收支情況，結(jié)果表明，在云量、地表反照率和地表溫度3 個(gè)直接影響因子中，云量模擬誤差貢獻(xiàn)最大。因此，一些氣候模擬評(píng)估將地表輻射收支成分的誤差歸因于云量的不確定性[7-9]。

積云對(duì)流是云水?dāng)?shù)值模擬和預(yù)報(bào)中最常用的參數(shù)化方案[10]，RCM 中積云對(duì)流參數(shù)化方案包括：Grell、Emanuel 等方案。其中Emanuel 方案假設(shè)云中的混合在高度上是偶發(fā)性和非均質(zhì)的；Grell 方案中用未稀釋的上升和下降氣流代表深對(duì)流云，僅在云的底部和頂部與環(huán)境空氣混合[11]。很多學(xué)者在研究中國區(qū)域氣候變化時(shí)，都選用了Emanuel 和Grell 兩種積云對(duì)流參數(shù)化方案[6、12-14]。例如趙勇等[13]選用Grell 方案來模擬研究新疆區(qū)域的降水和氣溫，韓振宇等[6]選用Emanuel 方案來模擬評(píng)估中國東部地區(qū)的輻射收支狀況。目前對(duì)于不同積云參數(shù)化方案的研究，主要集中于對(duì)不同地區(qū)溫度和降水的敏感性和適用性方面[12-14]。但是少有運(yùn)用不同積云對(duì)流參數(shù)化方案，來定量化研究云輻射效應(yīng)并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行差異性分析。因此本文基于RegCM4.6 區(qū)域氣候模式，選取Emanuel 和Mix（Grell+Emanuel）兩種積云對(duì)流參數(shù)化方案，以2016 年為例，模擬云短波輻射強(qiáng)迫及相關(guān)參數(shù)，揭示其時(shí)空分布特征，并探究兩種積云對(duì)流參數(shù)化方案模擬結(jié)果的差異性及其原因，以期為改善模式性能、提高太陽輻射預(yù)測的可靠性提供參考依據(jù)。

1 模式與方法

1.2 模式介紹與設(shè)置

本研究所用的模式是RegCM4.6 版本，此版本模式在動(dòng)力學(xué)過程、地形資料、氣溶膠類型等方面均有所改進(jìn)。模式的輸入數(shù)據(jù)主要包括：海溫資料、全球再分析數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)等。參數(shù)化方案的選擇主要包括：橫向邊界條件方案、陸地和海洋的積云對(duì)流參數(shù)化方案、水汽方案、行星邊界層方案、海洋通量方案、壓力梯度方案和輻射傳輸方案。本研究所用模式的輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)化方案設(shè)置如表1 所示[15-18]。模擬區(qū)域（圖1）中心坐標(biāo)位于（38°E，98°N），模式水平分辨率為25 km，積分步長為30 s，每間隔3 h 輸出結(jié)果一次。模式在垂直方向非均勻地分為18 層，頂層氣壓為50 hPa。

表1 RegCM4.6 輸入數(shù)據(jù)及參數(shù)化方案

1.3 試驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)處理

圖1 模擬區(qū)域位勢

根據(jù)Ramanathan 的定義，云對(duì)大氣層頂?shù)妮椛鋸?qiáng)迫是晴空的輻射通量與有云時(shí)的輻射通量之差，這個(gè)量給出了云對(duì)太陽輻射影響的一個(gè)定量估計(jì)。同時(shí)，借鑒氣溶膠的輻射強(qiáng)迫定義[19]，將云對(duì)地面的短波輻射強(qiáng)迫定義為有云時(shí)的輻射通量與晴空輻射通量之差。本文選取大氣層頂向上短波輻射通量（單位：W·m-2）研究云對(duì)大氣層頂?shù)亩滩ㄝ椛鋸?qiáng)迫，用地面凈短波輻射通量（單位：W·m-2）研究云對(duì)地面的短波輻射強(qiáng)迫。

因此，云對(duì)地面的短波輻射強(qiáng)迫為：

式中：Cf（S）表示云對(duì)地面的短波輻射強(qiáng)迫；Fc1表示晴空時(shí)的地面短波凈輻射通量；Fo1表示云覆蓋區(qū)域的地面凈短波輻射通量；Ac表示云覆蓋率；F1表示有云時(shí)地面凈輻射通量。以上各參數(shù)的單位均為W·m-2。

本文共采用了兩種實(shí)驗(yàn)方案。一是Emanuel 方案：陸地和海洋的積云對(duì)流參數(shù)化方案均采用Emanuel 方案；陸地積云對(duì)流方案采用Grell 方案，海洋積云對(duì)流方案采用Emanuel 方案。二是Mix 方案。為了探究Emanuel 方案和Mix 方案模擬效果的差異性，對(duì)兩方案模擬的全天空地表凈短波輻射、晴空地表凈短波輻射和云短波輻射強(qiáng)迫按25 km×25 km 的網(wǎng)格進(jìn)行季節(jié)平均，再對(duì)兩方案對(duì)應(yīng)季節(jié)和格點(diǎn)做差值處理，若差值為正，則說明Mix 方案模擬結(jié)果相較于Emanuel 方案存在正偏差，反之，則說明Mix 方案模擬結(jié)果相較于Emanuel 方案存在負(fù)偏差。本文的凈短波輻射通量均以向下為正。

2 結(jié)果與討論

2.1 全天空地表凈短波輻射

從地表凈短波輻射的季節(jié)空間分布圖來看（圖2），Emanuel 方案（圖2a）和Mix 方案（圖2b）模擬結(jié)果存在著顯著的季節(jié)性差異，夏季差異最大，春季次之，冬季最小，秋季則略大于冬季。春季有兩個(gè)低值區(qū)，一個(gè)在天山山脈、昆侖山脈、祁連山脈一帶，Emanuel 方案地表凈短波輻射量＜60 W·m-2，Mix 方案＜90 W·m-2；另一個(gè)在東北地區(qū)的大興安嶺、小興安嶺、長白山脈一帶，兩種方案地表凈短波輻射量均＜120 W·m-2。夏季全國地表凈短波輻射量較大，兩種方案均在青藏高原出現(xiàn)高值區(qū)，低值區(qū)都出現(xiàn)在了云貴高原處，其值＜120 W·m-2；不同于Emanuel 方案，Mix 方案在內(nèi)蒙古區(qū)域地表凈輻射通量較大，在150～210 W·m-2。秋、冬季地表凈短波輻射量全國均較小，兩方案的地表凈短波輻射量＜180 W·m-2，并呈現(xiàn)出由南向北逐漸遞減的分布趨勢。

由地表凈短波輻射差值季節(jié)空間分布（圖2c）可以看出，Emanuel 方案與Mix 方案的差值在春、秋和冬季均呈現(xiàn)南正北負(fù)分布，夏季差值分布和其他三季明顯不同，差值較大。春季，25°N 以北，Emanuel方案模擬的地表凈短波輻射通量低于Mix 方案，模擬差值出現(xiàn)一東、一西兩大負(fù)高值區(qū)，東部在東北平原附近，差值在-45～-35 W·m-2；西部在喜馬拉雅山脈和昆侖山脈區(qū)域，差值在-45～-25 W·m-2；25°N 以南Emanuel 方案模擬的地表凈短波輻射通量高于Mix方案，出現(xiàn)正高值區(qū)，差值在45～60 W·m-2。中國區(qū)域總云量呈南多北少的帶狀分布特征，所以兩方案模擬的云量差異可能是造成南北地表短波凈輻射通量差異的原因。夏季，只是在喜馬拉雅山脈、橫斷山脈、云貴高原北部出現(xiàn)負(fù)高值區(qū)，差值＜-45 W·m-2，其余地區(qū)Emanuel 方案的短波輻射通量均大于Mix 方案，差值在15～45 W·m-2。秋季，喜馬拉雅山脈負(fù)高值降低，范圍相較于夏季有所縮小；30°N 以南為正值區(qū)，差值在5～35 W·m-2。冬季，全國范圍差值均較小，30°N 以北大部分為負(fù)值區(qū)，差值在-15～5 W·m-2；30°N 以南為正值區(qū)，差值在5～35 W·m-2。

總的來說，全天空地表凈短波輻射夏季最大，春季次之，秋季略大于冬季，季節(jié)性差異顯著。除夏季外，均呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的分布趨勢。對(duì)比兩方案模擬的全天空地表凈短波輻射差異，四季中在山脈地區(qū)、東北平原地區(qū)Emanuel 方案的地表凈短波輻射通量通常小于Mix 方案；而在塔里木盆地處，除夏季外，Emanuel 方案和Mix 方案的模擬結(jié)果基本一致。由此推斷，高海拔和低緯度地區(qū)兩方案的全天空下地表凈短波輻射通量模擬結(jié)果相差較大，而盆地及平原地區(qū)相差較小。

2.2 晴空地表凈短波輻射

圖2 Emanuel 方案（a）、Mix 方案（b）全天空地表凈短波輻射的季節(jié)空間分布及Emanuel 和Mix 方案差異季節(jié)空間分布（c）

從晴空地表凈短波輻射的季節(jié)空間分布（圖3）可知，Emanuel 方案（圖3a）和Mix 方案（圖3b）模擬的全國晴空地表凈短波輻射量均呈夏季最高、冬季最低、南多北少的分布特征。春季，兩方案在塔里木盆地、青藏高原北部出現(xiàn)低值區(qū)，晴空地表凈短波輻射在130～155 W·m-2。夏季，塔里木盆地處仍為低值區(qū)，晴空地表凈短波輻射在205～230 W·m-2，全國晴空地表凈短波輻射普遍＞255 W·m-2。秋季，高值區(qū)出現(xiàn)在長江以南，全國晴空地表凈短波輻射量在205～255 W·m-2。冬季全國晴空地表凈短波輻射普遍＜180 W·m-2。

由中國區(qū)域四季晴空地表近短波輻射差值空間分布來看（圖3c），Emanuel 方案與Mix 方案在4個(gè)季節(jié)差值分布較均勻。夏、秋季和冬季全國范圍內(nèi)差值均較小，而春季相較于其他三季差值略大。春季，在青藏高原區(qū)域出現(xiàn)了負(fù)高值區(qū)，差值超過60 W·m-2；橫斷山脈處為正高值帶，差值＞45 W·m-2。夏季，全國輻射差值較為均勻，只有天山山脈和橫斷山脈處差值為正且較大，差值在30～40 W·m-2；全國大部分區(qū)域差值較小，差值在10～10 W·m-2。秋季，全國輻射差值也較為均勻，除青藏高原外，全國其他地區(qū)差值較小，差值在-5～5 W·m-2；青藏高原地區(qū)差值為負(fù)，在25～5 W·m-2；天山山脈西部、阿爾金山脈及祁連山脈處差值相對(duì)其他地區(qū)較大，在15～25 W·m-2；橫斷山脈處仍出現(xiàn)正高值，輻射差值超過35 W·m-2。冬季，全國輻射差值普遍較小且無明顯地理位置差異，輻射差值在-10～10 W·m-2；僅在橫斷山脈處出現(xiàn)正高值點(diǎn)，輻射差值超過35 W·m-2。綜合四季來看，在喜馬拉雅山脈和橫斷山脈以北為兩大負(fù)高值區(qū)，而橫斷山脈為正高值區(qū)。對(duì)比全天空地表凈短波輻射和晴空地表凈短波輻射模擬差異來看，晴空狀況下模擬差異較小，全天空狀況下差異較大。可見Emanuel 方案和Mix 方案對(duì)云量的模擬差異是造成兩方案模擬效果不同的主要原因。這與Chiacchio M[20]等人使用RCM 模式對(duì)歐洲地區(qū)的地表和大氣層頂輻射分量模擬進(jìn)行評(píng)估的結(jié)果一致，云量差異是導(dǎo)致對(duì)太陽輻射收支差異的主要原因。

晴空地表凈短波輻射分布四季均有不同，春季和夏季最大、秋季略大于冬季；橫斷山脈處四季中均呈現(xiàn)低值帶，塔里木盆地晴空地表凈短波輻射通量也較低。對(duì)比兩方案晴空地表凈短波輻射的模擬結(jié)果，兩方案均在天山山脈和橫斷山脈區(qū)域出現(xiàn)了兩條相近的正高值帶和負(fù)高值帶，橫斷山脈尤為明顯。與全天空凈短波輻射通量模擬差異相比較，兩方案模擬的晴空下凈短波輻射通量在夏、秋、冬3 個(gè)季節(jié)差異較小。

2.3 云短波輻射強(qiáng)迫

圖3 Emanuel 方案（a）、Mix 方案（b）晴空地表凈短波輻射的季節(jié)空間分布、Emanuel 和Mix 方案差異季節(jié)空間分布（c）

從云短波輻射強(qiáng)迫季節(jié)空間分布（圖4）可知，Emanuel 方案（圖4a）和Mix 方案（圖4b）的全國四季云短波輻射強(qiáng)迫均為負(fù)值，云對(duì)地表有凈冷卻效應(yīng)，但四季分布態(tài)勢各有不同。春季，負(fù)強(qiáng)迫高值區(qū)在云貴高原和長江中下游平原區(qū)，云短波輻射強(qiáng)迫在-140～-146 W·m-2；35°N 以北區(qū)域云短波輻射強(qiáng)迫普遍偏??；天山山脈與昆侖山脈之間的塔里木盆地云短波輻射強(qiáng)迫出現(xiàn)低值區(qū)，數(shù)值在-50～-80 W·m-2。夏季，負(fù)強(qiáng)迫低值區(qū)還是在塔里木盆地，云短波輻射強(qiáng)迫在100～126 W·m-2；高值區(qū)在云貴高原及青藏高原東南處，云短波輻射強(qiáng)迫在-180～-215 W·m-2；這是由于受西南季風(fēng)的影響，青藏高原南部地區(qū)產(chǎn)生了大量的云，所以為云短波輻射強(qiáng)迫高值區(qū)。秋季，云短波輻射強(qiáng)迫負(fù)低值區(qū)出現(xiàn)在塔里木盆地，高值區(qū)出現(xiàn)在黃土高原，云短波輻射強(qiáng)迫在-120～-146 W·m-2。冬季，云短波輻射強(qiáng)迫負(fù)高值區(qū)在云貴高原和青藏高原東部，其值在-60～-88 W·m-2。

圖4 Emanuel 方案（a）、Mix 方案（b）云短波輻射強(qiáng)迫的季節(jié)空間分布、Emanuel 和Mix 方案差異季節(jié)空間分布（c）

由中國地區(qū)四季的云短波輻射強(qiáng)迫差值空間分布（圖4c）可以看出，Emanuel 方案與Mix 方案4 個(gè)季節(jié)的云短波輻射強(qiáng)迫差值各有差異，春季差值較大，夏季和秋季次之，冬季最小。春季，云短波輻射強(qiáng)迫差異呈現(xiàn)南正北負(fù)分布，在30°N 以南區(qū)域?yàn)檎?，差值?0～50 W·m-2；在東北平原處出現(xiàn)負(fù)高值區(qū)，差值＞-20 W·m-2。夏季，只有橫斷山脈及云貴高原北部出現(xiàn)負(fù)高值區(qū)，差值＞-70 W·m-2；全國其他地區(qū)差值為正，內(nèi)蒙古高原差值相對(duì)較高，差值在20～35 W·m-2。秋季，北方大多數(shù)地區(qū)差值為負(fù)；南方差值為正，正高值區(qū)在云貴高原，差值在20～40 W·m-2；青藏高原和塔里木盆地處差值較小，差值在0～10 W·m-2。說明Emanuel 方案和Mix 方案在這兩處模擬效果差別不大。冬季，25°N 以北差值分布較為均勻，差值在-10～0 W·m-2；25°N 以南區(qū)域差值較大，差值在10～30 W·m-2。

總體來說，全國四季云短波輻射強(qiáng)迫均為負(fù)值，對(duì)地表有冷卻效應(yīng)；兩方案均在夏季云短波輻射強(qiáng)迫最大，冬季最小，且塔里木盆地在四季中云短波輻射強(qiáng)迫均為低值區(qū)。比較兩方案模擬的云短波輻射強(qiáng)迫差異，除夏季外兩方案均呈現(xiàn)北正南負(fù)的趨勢，且差值大小呈現(xiàn)由低緯度向高緯度遞減的緯向分布。綜合四季來看，25°N 以南Emanuel 方案的云短波輻射強(qiáng)迫高于Mix 方案。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用RegCM4.6 模式，模擬中國地區(qū)2016年的全天空地表凈短波輻射通量、晴空地表凈短波輻射通量、云短波輻射強(qiáng)迫的時(shí)空分布特征，同時(shí)對(duì)比Emanuel 與Mix 兩種陸地積云對(duì)流參數(shù)化方案模擬效果差異，得到以下結(jié)論：

（1）地表凈短波輻射呈顯著的季節(jié)差異，夏季最大，冬季最小，除夏季外均呈現(xiàn)由南向北遞減的緯向分布；在春季和夏季兩方案在天山、昆侖山脈及祁連山脈一帶出現(xiàn)低值區(qū)，＜90 W·m-2；秋、冬兩季，兩方案在全國大部分范圍均＜180 W·m-2。在兩方案模擬差異方面，春、秋、冬3 個(gè)季節(jié)和30°N 以南區(qū)域，Emanuel 方案均低于Mix 方案，而30°N 以北區(qū)域則反之。在山脈及東北平原處兩方案全天空下地表凈短波輻射通量相差較大，而盆地及平原處差異較小。

（2）晴空地表凈短波輻射，橫斷山脈處四季均為低值帶，塔里木盆地晴空地表凈短波輻射通量也較低，在205～230 W·m-2。在兩方案的模擬差異性方面，四季中，夏季、秋季和冬季全國范圍內(nèi)模擬差異性較??；在橫斷山脈及天山山脈處都出現(xiàn)了兩條相近的正高值帶和副高值帶，在-25～-5 W·m-2。對(duì)比全天空和晴空地表凈短波輻射模擬差異來看，晴空狀況下模擬差異較小，全天空狀況下差異性較大。主要原因是Emanuel 方案和Mix 方案對(duì)云量的模擬差異所導(dǎo)致。

（3）全國四季云短波輻射強(qiáng)迫均為負(fù)值，說明云對(duì)地表有冷卻效應(yīng)；兩方案均在夏季云短波輻射強(qiáng)迫最大，高值區(qū)云短波輻射強(qiáng)迫在-180～-215 W·m-2。兩方案模擬效果差異性方面，在春季兩方案模擬差異性較大，30°N 以南區(qū)域，差值在30～50 W·m-2。

本文僅探究兩種積云對(duì)流參數(shù)化方案的模擬差異，并未根據(jù)觀測數(shù)據(jù)對(duì)模式模擬效果進(jìn)行評(píng)估，下一步將基于多源數(shù)據(jù)對(duì)兩種積云對(duì)流化參數(shù)方案的模擬效果進(jìn)行評(píng)估，并且定量化的分析模擬誤差來源，以期為改善模式性能、提高太陽輻射預(yù)測的可靠性提供參考依據(jù)。