东亚地区冰云和水云的辐射强迫及其对区域气候的影响与反馈

The impact of cloud radiative forcing is one of the important factors that contribute to the regional climate complexity in the East Asian area. Until now, the studies about cloud radiation impacts on East Asian regional climate and climate feedback are rare and contain lots of uncertainties. The reasons are that our understanding of the distribution of East Asian ice and liquid water cloud amount and cloud properties are not clear; there is a lack of knowledge about ice and liquid water cloud optical properties; there is a lack of methods to investigate the climate feedbacks of cloud radiation. This project aims at starting from two perspectives including observations and simulations to investigate the problems mentioned above. By using the synergy of multiple satellite instrument retrievals, we are able to demonstrate the 4-dimensional ice and liquid water cloud distributions in time and space. By using the cloud properties measured from the field campaigns, we can effectively improve the cloud particle shape model and further improve the cloud optical property parameterization schemes and cloud forcing simulations. The coupled earth system model (CESM) and the analysis method (CFRAM) are helpful for evaluating the ice and liquid water cloud radiative contributions and for diagnosing the impacts of clouds on climate parameters, like temperature and precipitation in the future scenarios. The implementation of this project is expected to improve our understanding of the microphysical and macrophysical properties of ice and liquid water clouds in East Asia, the modeling of ice and liquid water cloud radiative effects by numerical models, and the understanding of cloud radiation feedback mechanism on climate.

云的辐射强迫影响是造成东亚地区气候复杂性的重要因素之一。有关云辐射对东亚局地气候的影响和反馈机制的研究比较匮乏，研究结果也有很大的不确定性。究其原因主要是由于当前对东亚地区冰云和水云的云量和云属性的时空分布缺乏了解；对冰云和水云的光学散射特性的理解存在不足；研究云辐射气候反馈作用的手段比较有限。本项目计划从观测和模拟两个不同的角度出发，针对上述问题展开研究。通过多个卫星探测仪器的协同观测反演，能够展示冰云和水云的时空四维分布特征；引入外场观测的云的特征属性能有效订正云粒子模型，改进云散射特性参数化方案和云辐射的模拟；运用地气系统耦合模式和综合诊断分析方法有助于衡量冰云和水云的辐射贡献，分析云对未来状态下的温度、降水等气候要素的影响和反馈机理。本研究的开展预期能够增进对于东亚地区冰云和水云宏观和微观物理特性的认识，改善数值模式对冰云和水云的辐射效应的模拟，提高云辐射对气候反馈机制的理解。

云的辐射作用显著地影响地球气候系统的能量平衡，而不同种类的云有可能引起截然不同的辐射效应和气候反馈影响。本项目着眼于东亚地区的水云和冰云辐射强迫及其对区域气候的影响与反馈，主要包括：（1）探究冰云和水云的云量和云属性在东亚地区的时空分布特征；（2）重点改进冰云、水云和总体云辐射强迫效应的模拟；（3）深入揭示冰云和水云的辐射效应对东亚区域气候的影响与反馈机理三方面的内容。本项目获得的重要结果和关键数据包括：（1）获得了东亚地区多个典型区域、多种相态云的微物理和辐射属性的多年平均分布及变化特征，尤其是获得了多种云属性在日间的日变化特征；（2）开发了多个适用于不同纬度冰云、不同数值模式的云辐射参数化方案，并且进一步构成了探究混合相态云辐射特性的基础；（3）定量分析了不同相态云的辐射效应，探讨了考虑云属性的日变化对估算云辐射影响的重要性；（4）探讨了冰云辐射效应对散射特性参数化方案的敏感性及其对全球和区域气候的影响。该项目获得的结果的科学意义在于：（1）对认识云和云属性的变化对全球和区域气候的影响有重要的促进作用。特别是当前多数地球系统模式使用非常不同的云散射特性参数化方案，由此可能造成区域气候模拟的显著差异;（2）对估算地面太阳能和提高太阳能的利用效率具有重要参考价值。本项目的成果能够更准确地估算云对太阳辐射的影响（尤其是不同云类状况下的影响）;（3）为进一步研究复杂的混合相态云的散射特性和辐射影响提供重要的参考。