四流累加辐射传输理论研究及其在气候模式中的应用

In climate model, radiative transfer is a key issue, which largely affects the result of climate modeling and prediction. Two-stream adding approximations are widely used for radiative transfer parameterizations in climate model. However, there are large errors of two-stream adding approximations. For example, the errors of cloud heating are as large as 12%, which undoubtedly leads to many uncertainties for cloud-radiation interaction in climate simulation. The project intends to eventually develop four-stream adding theory in radiative transfer field, and eventually propose an efficient and accurate four-stream adding method in radiative transfer parameterizaion, which has independent intellectual property rights. In addition, it will be used to reduce the uncertainties for the calculation of radiative fluxes in climate model.

在气候模式中，辐射过程的精确计算非常重要，它将在很大程度上影响气候模拟和预测的结果。二流累加辐射传输算法已广泛应用于气候模式，但该算法存在较大的误差。例如对云的加热率的计算误差高达12%，这无疑增加了气候模拟中云辐射相互作用的不确定性。由于理论上的复杂性，迄今为止尚未建立四流累加辐射传输理论。本项目拟通过理论创新，建立四流累加辐射传输理论，形成一套高效、准确的，具有自主知识产权的四流累加辐射传输算法，并将其应用于气候模式中来减少辐射通量计算的不确定性。

本项目优化了短波四流球谐函数展开累加辐射方案(δ-4SDA)和四流离散纵标累加辐射方案（δ-4DDA），经过优化后，δ-4SDA和δ-4DDA均具有较好的运算效率。δ-4SDA方案的计算时间大约仅为短波二流近似累加方案2倍，δ-4DDA方案的计算时间大约仅为二流近似累加方案的2.4倍。本项目探讨了不同高斯求积型对短波δ-4DDA方案精度计算的影响，结果发现，有两种高斯求积方案[2GQ(m=0)和2GQ(Chebychev)]较其它高斯求积方案有更高的计算精度。本项目从不变性原理出发，建立长波的δ-4DDA方案。结果显示，δ-4DDA方案的通量误差小于1%。且无论是加热率还是通量，δ-4DDA比二流离散纵标累加方案（δ-2DDA）有着更高的计算精度，尤其是在有云的大气情况下。同时，δ-4DDA可灵活解决气候模式中的次网格云重叠问题，在气候模式中有着广泛的应用前景。本项目探讨了不同高斯求积型对长波四流累加辐射方案精度计算的影响，结果发现，有两种高斯求积方案[2GQ(m=0)和2GQ(m=2)]有更高的计算精度。本项目还建立了红外辐射传输变分迭代方案，该方案的计算精度接近四流离散纵标方案的计算精度，但其运算效率高于四流离散纵标方案。此外，本研究将四流近似累加辐射方案与二流近似累加辐射方案应用于大气环流模式（GCM），探讨了不同辐射传输方案对云和气溶胶辐射效应的影响。相比于四流近似累加辐射方案，全云情况下，二流近似累加辐射方案对大气顶、地表以及大气中气溶胶直接辐射效应的全球年平均值分别低估了约8~10%、12~14%和15~18%。晴空情况下两种方案差别则更为明显。对于云辐射效应（CREs），二流近似累加辐射方案得到的全球年平均短波CREs明显弱于四流累加辐射方案；二流近似累加辐射方案计算得到的大气顶全球平均和纬向平均的长波CFEs在大气顶强于四流近似累加辐射方案方案，在地表弱于四流近似累加辐射方案。