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气候系统模式发展之 模 式 快 讯 No.005 2004/08 气候系统模式中辐射方案的改进 ——NCC新辐射方案介绍 摘 要 辐射过程作为气候系统模式中最为关键控制因子之一，随着模式空间和时 间分辨率的增加，以及其他物理过程的改进，气候模拟中对一个高精度、高速 度的辐射模块的需求显得越来越迫切。在辐射通量和大气冷却率的计算中，需 要对波数进行积分，一般来说有三种方法：逐线积分，带模式和相关k-分布方 法。进入20世纪90年代以后，相关k-分布方法已被广泛用于气候模式研究 中。目前，国家气候中心气候系统模式研制组在相关k-分布方法的基础上，成 功地研制开发了优化的辐射计算方法，并基于此方法设计出可用于气候模式的 五种方案，模式应用的初步结果表明，新的辐射方案对西太平洋各个季节的降 水场模拟等有一定程度的改善，对模式性能影响的深入分析正在抓紧进行。 n 引言 n 相关K-分布方法 n 处理不同气体重叠吸收的部分相关法及其优化 n 基于部分相关法的NCC新辐射方案 中国气象局?国家气候中心 气候系统模式室 气候系统模式中辐射方案的改进 ——NCC新辐射方案介绍 1.引言 目前，气候模拟和气候预测成为世界各国科学家研究的焦点和难点问题。而 辐射过程作为气候模拟中最为关键控制因子之一，将在很大程度上影响气候模拟 的结果。长波辐射在影响天气，气候和气候对外部辐射强迫的敏感性上起着关键 的作用；太阳辐射是地球气候最终的能量源，在短波辐射加热率计算中的一个小 的误差就可能引起模式模拟气候中很大的误差。随着模式空间和时间分辨率的增 加和物理过程的改进，气候模拟中对一个高精度、高速度的辐射模块的需求显得 越来越迫切。 在辐射通量和大气冷却率的计算中，需要对波数进行积分。一般来说有三种 方法：逐线积分，带模式和相关k-分布方法。所谓逐线积分方法就是逐条计入大 气气体吸收谱线贡献的一种精确的透过率计算方法。该方法的优点是可以直接对 波数进行积分，可以有效地处理气体的重叠吸收带，并可以同时处理吸收与散射 问题。其缺点是计算速度慢，计算成本高，所以不能直接应用在气候模式中。因 此，科学家们陆续发展了中等精度，中等速度的MODTRAN辐射传输模式和低 精度高速度的LOWTRAN辐射传输模式。带模式方法一般来说有两个基本前提 假定：第一，假定谱线的位置是随机的；第二，假定谱线强度遵从某种数学分布。 对某些非常强的吸收带，该假定可以在一定的范围和精度上得到满足。但是，对 于大多数吸收带，特别对窄带吸收，则会产生很大误差。该方法的优点是数学上 简单、速度快，在1980年以前曾广泛地用于气候模式研究中。其缺点是，如果 不借助其它近似，则不能处理重叠吸收带，而且不能处理吸收与散射同时存在时 的辐射传输问题。因此，在20世纪80年代中后期，当辐射科学家们从数值上 找到了相关k-分布函数计算方法后，在气候模式研究中，带模式逐渐被相关k- 分布方法所取代。该方法精度高速度快，可以较好地处理重叠吸收带，以及同时 处理吸收与散射问题。因此，20世纪90年代以后，相关K-分布方法作为对逐 线积分方法的高精度和低成本近似，逐渐取代带模式而广泛应用于气候模式中。 虽然逐线积分方法精度高，进入20世纪90年代以后，已被广泛用于气候模拟 研究中。 2.相关K-分布方法 图1给出了实际大气存在的辐射气体吸收谱，图中纵坐标表示吸收气体，横 坐标为波长区间，黑色粗线表示温室气体在多大的波长区间范围上存在吸收。 图2以CO2的最重要吸收带为例给出吸收系数随波长的变化。从图2可以 看出： 吸收系数随波长的变化非常剧烈，而且，在不同的压力上的变化也不相 同，说明吸收系数与压力，温度（图略）和波长之间存在非常复杂的非线性关系， 图1 实际大气存在的辐射气体吸收谱 （引自HITRAN