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1、利用卫星资料分析中国地区云及其辐射特性丁守国丁守国北京大学物理学院大气科学系北京大学物理学院大气科学系2005.3.282005.3.28简 历丁守国，北京大学物理学院大气科学系博士后本科，19881992，兰州大学大气科学系；工作，19921998，河北省气象局科研所；硕士，19982001，北京大学地球物理系，指导老师：秦瑜教授；博士，20012004，中国科学院大气物理研究所，指导老师：石广玉研究员研究领域：云辐射的相互作用，气候变化引子引子云总是与一定的天气系统联系在一起的，根据卫星图像中云系的移动和变化来预报天气，能够大大提高天气预报的准确度，云作为天气来临的信号，有助于我们提高预报
2、天气的能力 根据气候模式中辐射程序相互比较计划（ICRCCM）对用于GCMs中的不同辐射程序进行比较的结果表明，在当代用于气候研究和预测的GCMs中，云和辐射及其相互作用的处理不当，是造成误差和不确定的主要来源在气候模拟和预报中，云是阻碍我们探索气候变化的最大障碍云在气候系统中的作用云能调节地气系统的辐射能量收支和水分循环的平衡，是影响气候变化的重要因子。p云的存在能够极大地改变长、短波辐射在大气中的传输，影响到地气系统辐射能量的收支p云还是全球水分循环的重要组成，大气中水分循环过程同时也是能量转移的过程 云和气候的相互作用n模式研究表明：云特性(如云量、云高和云水含量等)的任何变化，都可能对
3、全球和区域气候产生重大影响（Wetherald and Manabs,1987）n全球或区域气候变化也会引起云特性的调整n这种关系就产生了一个复杂的气候反馈系统云气候国际计划简介 因此，近年来对云辐射相互作用及其的气候效应的研究极为重视，云辐射相互作用在一些大型科学计划和试验中都占有重要的地位。n气候模式中辐射程序相互比较计划（ICRCCM）n国际卫星云气候学计划（ISCCP）n地球辐射收支试验(ERBE)n美国能源部（DOE）的大气辐射测量计划（ARM）n全球能量与水份循环试验（GEWEX）n其它有待解决的问题 近年来，云辐射相互作用的研究取得了很大的进展，但有些重要问题并没有得到圆满的解决
4、，我们还不太清楚：1.云和辐射相互作用是如何进行的（机制）？2.云特性的变化在多大程度上影响着当代气候（云的气候反馈）？3.在变化了的气候中，云又会发生怎样的变化？（云的气候响应）云云辐射相互作用的物理机制辐射相互作用的物理机制n云云顶顶冷冷却却和和云云底底加加热热改变云中的温度层结；改变云中的温度层结；n晴晴空空和和云云区区冷冷却却率率的的不不同同，可可以以增增加加向向云云系的辐合；系的辐合；n大大范范围围的的晴晴空空辐辐射射冷冷却却对对环环境境具具有有去去稳稳作作用用。Tao(1996)Heating/cooling rate at different locations不同云高对短波辐射
5、加热率的影响nSZA=40n云的厚度H=2km;nLWP=200 g/m2;nRe=10um;n云底高度分别取：1，3，5，7km在其它条件相同的情况下，短波辐射对云顶的加热效果随云底高度的增加愈加显著。向上、向下的短波辐射通量与晴空大气相比，云能够大量反射入射的短波辐射，使到达地面的短波辐射能量大大减少，对下垫面起冷却作用。二、不同高度云层的长波辐射变温率n云的厚度H=2km;nLWP=200 g/m2;nRe=10um;n云底高度分别取：1，3，5，7km在其它条件相同的情况下，长波辐射云底加热、云顶冷却的效果随云底高度的增加愈加显著。向上、向下的长波辐射通量 与晴空大气相比，云的存在不同
6、程度的减少了向外空间出射的长波辐射能量，云所在的高度越高，其向外射出的能量越少，即高云的增温效应更显著。全球温度变化趋势分布图（19762000）气候变暖n上个世纪最后20多年全球增温显著（IPCC，2001）n东亚包括中国地区，是全球变暖速率最高的地区之一(王绍武，2001)全球平均温度距平图（18562003）（对19611990平均的偏差）n气候变暖：整个90年代是自有器测记录以来温度最高的10年（IPCC，2001）n有必要：研究气候显著变暖背景下中国地区云特性的变化，即云对气候变暖的响应目的目的n回答：云是如何响应近年来中国地区气候显著变暖回答：云是如何响应近年来中国地区气候显著变暖
7、的？的？n利用ISCCP D2云气候资料集，分析近年来中国地区云变化，得到云对气候变暖的响应n回答：近年来中国地区云的变化对气候的反馈是正回答：近年来中国地区云的变化对气候的反馈是正还是负？还是负？n利用ISCCP FD云辐射通量资料，分析得到中国地区云辐射特性的变化，给出近年来云特性的变化对中国地区气候的反馈方向（/？）n结合气候资料，分析不同云特性变化的原因，以期结合气候资料，分析不同云特性变化的原因，以期从中提取人类活动对云的影响信息从中提取人类活动对云的影响信息ISCCP简介p国际卫星云气候计划（ISCCP）是世界气候研究计划（WCRP）的第一个子计划，始于1982年，至今已经20余年
8、.pISCCP的主要目标有：n利用多颗极轨卫星和静止卫星得到全球红外和可见光辐射资料集，以及大气的基本辐射特性，从中得到不同云参数的全球分布以及云的辐射特性n建立并检验全球云气候资料集n利用该资料集开展进一步的研究，改进气候模式中云辐射的参数化方案，以提高气候模式的模拟和预报性能n增进对地球辐射收支（大气层顶和地表）以及水文循环的理解ISCCP网站：http:/isccp.giss.nasa.gov/资料简介nISCCP云资料集有多种，本文选用的是最新发布的逐月平均云资料集：D2资料集n空间分辨率：2.52.5 n时间跨度为1983.72001.9 n是目前关于全球云气候资料集中最为完整的，相
9、对于较早的C2资料集，在很多方面得到了改进，Rossow和Schiffer（1999）对此作了详细的研究。Hatzianastassiou等人（2001）对极地云气候特征的研究也表明D2资料集的确优于C2。与以前发布的D2资料集相比，本次发布的资料集更加完整，不仅仅延伸了时间尺度，更重要的是，对此前资料中存在的一些问题进行了校正（http:/isccp.giss.nasa.gov/errors.html）.n该资料集中涉及130个与云相关的参数，其中包括云量、云水路径、云顶温度和光学厚度等云参数ISCCP D2资料对云的分类名称名称云云顶顶气气压压(mb)光学厚度光学厚度云云类类云粒子相云粒子
10、相态态低云低云6803.55积积云云云水，冰晶云水，冰晶3.55-22.63层积层积云云云水，冰晶云水，冰晶22.63层层云云云水，冰晶云水，冰晶中云中云440-6803.55高高积积云云云水，冰晶云水，冰晶3.55-22.63高高层层云云云水，冰晶云水，冰晶22.63雨雨层层云云云水，冰晶云水，冰晶高云高云4403.55卷云卷云冰晶冰晶3.55-22.63卷卷层层云云冰晶冰晶22.63深深对对流云流云冰晶冰晶内容n全球背景云辐射特性简介n中国地区云及其辐射特性n总结平均总云量与短波辐射强迫（TOA）的分布n云量的多少与大气层顶短波辐射强迫大小，有很好的对应云量的多少与大气层顶短波辐射强迫大小
11、，有很好的对应.n中国南方地区总云量不是很高的，但短波辐射强迫是全球中国南方地区总云量不是很高的，但短波辐射强迫是全球最高的地区之一最高的地区之一.这表明中国地区云短波辐射强迫具有独特这表明中国地区云短波辐射强迫具有独特性性.平均高云量与长波辐射强迫（TOA）的分布n大气层顶云长波辐射强迫的分布与全球平均高云量有很好的对应关系.n青藏高原高云量较多，但长波辐射强迫并不高，这表明中国地区大气层顶云的长辐射强迫具有特殊性.线性趋势方法简介对资料序列T(t),t=1,2,n,以线性函数T=at+b 来拟合原序列,按最小二乘法可求得常数项a 和b，其中常数a就是趋势项：其中：a值的正负，表示该资料序列
12、随时间变化的方向，正值表示资料随时间有增加的趋势，负值则表示趋于减小；a的绝对值的大小，表示变化的快慢程度.在讨论趋势分布的时候，对每个网格的时间序列，求得趋势项，用每10年的变化量表示，正值表示增加，负值表示减少；绝对值的大小表示变化的快慢,并用不同的颜色加以区别.全球平均总云量的变化趋势p全球平均总云量约为67p近年来全球平均总云量呈下降态势，减少约4%，趋势明显p从地理位置上看，热带和中纬度地区的总云量减少较多，高纬地区云量略有增加.中国地区云及其辐射特性分析n中国地区云的气候响应n云量n云水路径n云顶温度n光学厚度n气候因子对中国地区云的影响分析n中国地区云对气候的反馈n辐射通量n辐射
13、强迫云量中国总云量分布特征n我国平均总云量的分布呈现出南方多，北方次之，中间北纬40附近云量最低.n多云中心位于西南地区，东部沿海地区和藏南地区，其中最大的多云中心是西南地区。n青藏高原西部地区，以及从塔里木盆地沿昆仑山脉和祁连山脉的北麓向东，经河套地区，太行山以东的华北平原，直到渤海湾的带状区域，为云量的低值区。总云量的变化趋势n在气候显著变暖和全球总云量趋于减少的背景下，中国地区云在气候显著变暖和全球总云量趋于减少的背景下，中国地区云量也在减少，减少约量也在减少，减少约3.6%3.6%n新疆西部和东北部分地区，呈增加态势新疆西部和东北部分地区，呈增加态势n中部少云地区的云量减少较为显著；多
14、云地区总云量的变化不中部少云地区的云量减少较为显著；多云地区总云量的变化不大大中国地区不同云类云量的年际变化 p中、低云云量变化趋势不明显.p高云量的减少非常明显，减少幅度为2.7%，约占平均高云量的14.4%.p中国地区平均总云量的减少主要是由于高云量的减少引起的.不同季节高云量变化趋势p春季平均高云量减少超过3%，占春季平均高云量的16%.p冬季，平均高云量减少约为2.7%，约占冬季平均高云量的28%.p中国地区的高云量的减少主要发生在春、冬两季.不同云量出现频率的变化不同云量出现频率的年际变化 pISCCP把云量出现频率分为10档，以10%为间隔p中国地区晴空出现频率在增加，而阴天出现频
15、率在减少.p其它云量出现频率的变化不明显.极值云量年际变化趋势p中国地区平均总云量的减少主要体现在：晴空出现频率的增加和阴天出现频率的减少小结n在气候迅速变暖背景下，中国地区平均总云量趋于减少.n从分布上看，中部少云地区的云量减少最为显著，而多云地区总云量的变化不大.n从不同云类云量的变化趋势看，高云量的减少对中国地区平均总云量的减少贡献最大.n从时间上看，中国地区的云量的减少主要发生在春、冬两季.n从极值云量的变化看，中国地区平均总云量的减少主要体现在：晴空出现频率的增加和阴天出现频率的减少.云水路径中国地区云水路径的变化趋势p中国地区年平均云水路径增加约18g/m*2,增加幅度超过了平均云
16、水路径的25，变化显著.p中国地区云水路径呈普遍增加的趋势.p中国地区平均云水路径近年来在各个季节都有增加，其中，冬季增加最为显著，增加约30g/m*2.云顶温度中国地区平均云顶温度的变化p平均云顶温度总体呈显著上升趋势，升幅达7K以上.p从分布上看，我国大部分地区平均云顶温度都有很大程度的升高.p各个季节都有增加，其中春季和冬季增加最为显著中、高云云顶温度的年际变化n中云和高云平均云顶温度都呈上升趋势.其中中云云顶温度约升高为1K；高云升幅比较显著，约2K.平均云顶温度升幅达7K以上！而不同云类云顶温度变化幅度只有12K，为什么？高云量的减少与平均云顶温度升高示意图n平均240K，n云量减少
17、后，平均247.5Kn高云量的减少，使其下中、低云云顶温度对平均云顶温度的贡献相对增大，使平均云顶温度大幅升高270K240K240K平均云顶温度与高云量的距平变化趋势图n相关系数为-0.70-0.70，通过99%置信度检验高云量和平均云顶温度的变化趋势分布n云顶温度升高的地区与高云量减少的地区有较好的对应n中国地区平均云顶温度升高，有两方面的原因：高云量的减少和中、高云云顶温度的升高。云顶温度小结n近年来，中国地区平均云顶温度总体呈显著上升趋势.n从分布上看，我国大部分地区平均云顶温度都在升高.n从季节上看，各个季节都有升高，其中春季和冬季的增温最为显著n中国地区平均高云量的显著减少，使得低
18、层的中、低云云顶温度对平均云顶温度的贡献相对增大，是平均云顶温度显著增加的主要原因。n另外：中、高云云顶温度也在升高。云的光学厚度平均云光学厚度的变化p在19842000年间，中国地区平均云光学厚度呈显著增加趋势，增幅约为1.p大部分地区云的光学厚度呈增加的趋势，其中，青藏高原东南部地区，西南地区以及大兴安岭一带地区，增加最显著p中国地区平均云光学厚度近年来在各个季节都有增加，其中冬季增加最为显著云顶高度n选取对流层大气温度的平均递减率为6.5K/km。根据地面温度和云顶温度的变化，利用：就可得到云顶高度的变化情况.n无论是平均云顶温度，还是中、高云的云顶温度，其增幅度都高于地面温度的增幅，由
19、此可见：中国地区平均云顶高度在下降！云对气候的响应小结n在气候迅速变暖背景下，中国地区平均总云量趋于减少，其中高云量的减少最显著p从时间上看，云量的减少主要发生在春、冬两季；p从极值云量出现频率的变化看，云量的减少主要体现在晴空出现频率的增加和阴天出现频率的减少.n云水路径，云顶温度和云的光学厚度则都呈显著增加.p这种增加在各个季节都有发生，其中冬、春季增加最为显著.n中国地区云粒子数浓度在增加气候因子对中国地区云的影响分析方法选取影响中国地区天气或气候变化的主要气候因子，与云参数作相关分析，来比较不同气候指数对中国地区云特征量影响的大小不同气候指数与年平均晴空频率的线性相关系数统计表 表中各
20、项均通过95%置信度检验，*项通过99%置信度检验 气候指数亚洲纬向环流指数亚洲经向环流指数亚洲北极涡强度指数亚洲北极涡面积指数北半球极涡强度指数相关系数0.19380.1070-0.4527-0.4527-0.6038 -0.6038 -0.4129-0.4129显著程度*气候指数北半球极涡面积指数北太平洋指数西太平洋副高强度指数nina34南方涛动指数相关系数-0.4167-0.4167-0.27050.1507-0.3589-0.35890.40570.4057显著程度*晴空频率与亚洲北极涡面积指数的距平图n相关分析的结果表明，中国地区晴空出现频率与亚洲北极涡面积指数存在很好的负相关，相
21、关系数为-0.6，通过99置信度检验。n北极涡活动的减弱（赵振国，1999），可能是中国地区晴空出现频率增加，平均总云量减少的气候学方面的原因 不同气候指数与中国地区平均云顶温度和高云云顶温度的相关统计表 气候指数平均云顶温度高云温度亚洲纬向环流 指 数0.346090.297亚洲经向环流 指 数0.132910.087902亚洲极涡强度 指 数-0.26348-0.52045*亚洲极涡面积 指 数-0.57977*-0.71943*北半球极涡强度指数-0.71728*-0.53473*北半球极涡面积指数-0.50305*-0.73005*西太平洋副高面积指数0.017909-0.069518
22、西太平洋副高强度指数0.024907-0.011101南方涛动指 数0.269780.53478*中国地区温度 距 平0.66151*0.77736*北太平洋指数（NP）-0.0770650.064103Nina34-0.20286-0.46847表中各项均通过95%置信度检验，*项通过99%置信度检验平均云顶温度与北极涡强度指数距平的年际变化n相关分析的结果表明，中国地区平均云顶温度与北极涡强度指数存在很好的负相关，相关系数为-0.72-0.72，通过99置信度检验。n北极涡的减弱，可能是近年来影响中国地区云顶温度升高的气候学方面的原因之一。不同气候指数与平均云光学厚度和云水路径相关系数统计
23、表气候因子光学厚度云水路径亚洲纬向环流指数0.199940.17965亚洲经向环流指数0.120650.12322亚洲极涡强度指数-0.32002-0.19526亚洲极涡面积指数-0.58542*-0.52247*北半球极涡强度指数-0.70564*-0.64329*北半球极涡面积指数-0.57849*-0.51558*西太平洋副高面积指数-0.11563-0.047847西太平洋副高强度指数-0.13208-0.069591南方涛动指数0.492870.39412中国地区温度距平0.55293*0.53936*北太平洋指数（NP）0.034068-0.024282Nina34-0.4019-
24、0.32933表中各项均通过95%置信度检验，*项通过99%置信度检验小结n通过对云参数与各个气候因子的相关分析，我们发现，不同云参数（晴空出现频率、云顶温度等）都与代表北极涡活动强弱的气候指数有很好的相关！n近年来北半球大气活动减弱（Wang，2001），特别是北极涡活动的减弱（赵振国，1999），可能是影响中国地区云特性变化的气候学方面的原因。中国地区云辐射特性分析晴空情况晴空反射短波辐射通量变化趋势（TOA）p晴空大气层顶反射短波辐射通量呈增加趋势p从分布上看，中国东部地区反射能力增加显著p晴空大气层顶反射短波辐射的显著增加，很可能是由于近年来人为气溶胶排放增加引起的.晴空射出长波辐射通
25、量变化趋势（TOA）p晴空大气层顶射出长波辐射通量略有增加，但趋势不明显.p东部地区，大气层顶出射长波辐射在减少，而西部地区在增加.p原因分析：由于气溶胶浓度的增加，可能吸收部分地表向上的长波辐射能量，并以自身较低的温度向上发射长波辐射，净的效果使得这些地区晴空大气层顶射出长波辐射有所减少。而西部地区大气层顶，射出长波辐射的增加，则使由于地面温度的增加引起的.全天候情况大气层顶反射短波辐射通量的变化趋势p中国地区大气层顶对短波辐射的反射能力在增加.p从变化趋势分布上看，与云光学厚度的变化有很好的对应，可见大气层顶反射短波辐射的增加，主要是由于云光学厚度的变化引起的。大气层顶射出长波辐射辐射通量
26、的变化p大气层顶向上长波辐射通量近年来呈显著增加趋势.p变化趋势分布与平均云顶温度及高云量的变化趋势分布有很好的对应p高云量的减少，造成平均云顶温度大幅升高，是近年来大气层顶射出长波辐射通量显著增加的主要原因 云辐射强迫大气层顶云短波辐射强迫的变化（TOA）p云短波辐射强迫全天候净辐射通量晴空净辐射通量p由于晴空和全天候大气层顶反射短波辐射通量都在增加，两者差的变化不大，因而，大气层顶云短波辐射强迫的年际变化趋势不明显p但从分布上看，不同地区大气层顶云短波辐射强迫的变化趋势有差异。中国大部分地区云的短波辐射强迫在增加，但高原以东部分地区在减小。云长波辐射强迫的变化（TOA）p长波云辐射强迫晴空
27、净辐射通量云天净辐射通量p中国地区晴空大气层顶射出长波辐射通量的变化幅度较小，而有云大气层顶射出长波辐射通量在显著增加p近年来，中国地区大气层顶云的长波辐射强迫在减小。即云的温室效应在减弱，这种变化对其下的地表和大气净的效果为冷却大气层顶云的净辐射强迫的变化（TOA）p大气层顶云的净辐射强迫在增加p从分布上看，除了高原以东部分地区在减少，其余各地都有不同程度的增加，其中，高原主体增加最为显著p表明近年来，中国地区上空云的变化对其下的地表和大气的起冷却作用小结n高云量的减少，造成平均云顶温度大幅升高，是大气层顶射出长波辐射通量显著增加的主要原因.即云的变化，使其的温室效应减弱.n中国地区大气层顶
28、反射短波辐射的增加，主要是由于云光学厚度的变化引起的，云特性的变化，使得大气层顶出射短波辐射的增加.n近年来，中国地区云的净辐射强迫在增加，云特性总的变化对其下的地表和大气的起冷却作用，是一个负的反馈过程.主要结论（1）1.近年来，中国地区平均总云量在减少，其中高云量的减少最为显著.2.中国地区总云量的减少主要体现在：晴空出现频率的增加和阴天出现频率的减少.3.云水路径，云顶温度和云的光学厚度在显著增加.4.从季节上看，中国地区云特性的变化主要发生在春、冬两季.5.近年来北极涡活动的减弱，可能是影响中国地区云特性的气候学方面的重要原因.6.平均云顶高度下降，云底高度抬升，使中国地区平均云厚变薄
29、。结合云水路径增加的事实，我们得到：中国地区平均云粒子数浓度在增加.主要结论（2）7.中国地区大气层顶反射短波辐射的能力在增强。8.高云量的减少，使平均云顶温度大幅升高，是近年来大气层顶射出长波辐射显著增加的重要原因.9.中国地区大气层顶长波辐射强迫呈显著的下降趋势，云的温室效应减弱.10.大气层顶云的净辐射强迫增强，表明近年来云特性总的变化，对中国地区气候变暖而言，是负的反馈过程主要结论之间的相互关系框架图人为气溶胶排放增加云顶温度增加云水路径增加云光学厚度增加云顶高度降低平均高云量减少大气层顶射出长波辐射增加大气层顶反射短波辐射增加对地表和低层大气冷却（负反馈过程）云粒子数浓度增加云体厚度变薄人类活动影响近年来中国地区云特性气候响应气候反馈CCN浓度增加晴空大气层顶反射短波辐射增加报告完毕！谢谢！