辐射传输过程是气候系统的重要组成部分。大约30%的入射太阳能量会被地球-大气系统反射，其余部分则被吸收。为了保持能量状态的平衡，地球和大气会发出热红外辐射。大气中的大多数温室气体通常会允许太阳光通过大气-地球系统并使大气和地表变暖，但它们会阻止红外辐射从地球大气逃逸到太空。随着时间的推移，气候模式中红外辐射过程的参数化得到了改进，这包括使用了相关的k分布的气体吸收方案以及处理云次网格变化的方案。有研究表明，改进后得到的模拟结果更接近于观测数据。然而，在气候模式中，红外辐射过程参数化仍有改进的空间。

我院讲师吴琨联合我院张峰教授以及加拿大气候中心（CCCma）的Jiangnan Li研究员等人应用加拿大全球气候模式4.3版（CanAM4.3）就上述问题开展了研究（Wu et al.，2019）。研究讨论了气候模式中影响红外辐射的三个问题，包括太阳-红外光谱重叠区的辐射过程参数化处理、云长波散射效应和长波海表发射率的参数化。对于太阳-红外光谱重叠区的辐射过程参数化处理，研究比较了两种方法。一种方案是通过增加一个额外的独立波带（波带覆盖约4-10μm的光谱范围）来计算这部分能量（该方案也被用于RRTMG模型）。另一种方案是将入射太阳辐射做为热红外辐射方程的上边界条件来处理。离线计算表明，附加波带方法（RRTMG方法）会高估向下的通量和云顶加热率，尤其是对冰云。

云的长波散射效应使大气中吸收了更多的红外辐射能量，降低了大气的长波出射辐射（OLR），增强了向下辐射通量和长波云辐射强迫。长波冷却率在对流层顶以上增强，在对流层内减小。因此，几乎整个对流层的温度增加，最大的增加（高达1°C）发生在热带对流层上层（如图1）。这使得向极地区的温度梯度增加，反过来导致了Hadley环流的加强和ITCZ的转移。对流层温度的升高增加了对流层低层的水汽含量。此外，降水也会受到Hadley环流、ITCZ和大气中水汽变化的影响。

研究比较了两种海表发射率方案。研究发现，宽带Hansen方案对地表风速和太阳天顶角非常敏感，而Huang方案仅依赖于谱带。CanAM4.3瞬时模拟结果表明，Huang方案相比较于Hansen方案在热带和低纬地区会产生较大的地表向上辐射通量，而在高纬度地区产生较小的地表向上辐射通量。两种方案的季节平均差可超过1W/m2。与云长波散射效应相反，气候对地表发射率的反馈为负反馈。

以上研究成果发表于《Journal of Climate》。

相关文章：

Kun Wu, Jiangnan Li, Jason Cole, Xianglei Huang, Knut von Salzen, Feng Zhang, 2019, Accounting for Several Infrared Radiation Processes in Climate Models. Journal of Climate, 32, 4601-4620.

图1. 交互实验：2S与AA在JJA、DJF的纬向平均长波加热速率(a,b)、纬向平均温度(c,d)、纬向平均比湿(e,f)的差异（2S-AA）。散点是通过了90%的信度检验。等值线为2S的CanAM4.3运行的20年（1991-2010）模拟结果。