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通讯作者:

史湘军,Email:shixj@nuist.edu.cn

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    摘要

    对气溶胶气候效应开展分类评估并探讨诊断方法的合理性。人为气溶胶辐射效应对计算云辐射强迫的影响为0.38 W·m-2。诊断评估气溶胶对云辐射强迫的影响需要排除这个偏差。两种基于不同试验设计诊断得出的半直接效应分别为0.21 和0.09 W·m-2,存在显著差异。主要原因可能是人为气溶胶影响云辐射强迫的不同机制之间在模式模拟过程中不断地相互交织,不是简单的线性叠加关系。模式诊断得出的Twomey效应不仅包括Twomey效应本身,还包括Twomey效应引起的部分快速调整。总之,利用模式评估分析人为气溶胶气候效应需要注意审查试验设计和诊断方法的合理性。

    Abstract

    This study illustrates how aerosol affects the top of atmosphere (TOA)radiation flux in the NUIST model,u-sing a hypothetical anthropogenic aerosol forcing determined by Coupled Model Intercomparison Project Phase 6.There are three ways by which anthropogenic aerosol affects TOA radiation flux.First,anthropogenic aerosol af-fects TOA radiation flux through the changes in aerosol optical properties,known as the aerosol radiative effect.This effect mainly depends on anthropogenic aerosol radiative forcing,and is not related to the Twomey effect.Second,anthropogenic aerosol affects TOA radiation flux through the changes in cloud optical properties,referred to as aerosol effects on cloud radiative forcing.These effects include the Twomey effect and semi-direct effect.Fi-nally,anthropogenic aerosol affects TOA radiation flux via the changes in other optical factors.Compared with the first two ways,this third one is negligible.This study focuses on the second way,and discusses the methods used for estimating anthropogenic aerosol effects. In order to distinguish contributions to aerosol effects on cloud radiative forcing from semi-direct and indirect effects,we added two experiments:Rad and Tmy.The Rad experiment only considers the anthropogenic aerosol optical properties,which the Tmy experiment only considers the anthropogenic aerosol Twomey effect.Including the experiments used in Part 1,there are four experiments in total:Base,Rad,Tmy and Both. The results of the Rad and Base experiments show that anthropogenic aerosol semi-direct effect is estimated at 0.21 W·m-2.Semi-direct effect could also be obtained as the difference between the aerosol effects on cloud radiative forcing from Both and Base experiments (i.e.semi-direct effect and Twomey effect)and the aerosol effects on cloud radiative forcing from Tmy and Base experiments (i.e.Twomey effect).This semi-direct effect is 0.09 W·m-2,significantly less than those from the Bad and Base experiments.The difference between the Tmy and Base experiments shows that the effective radiative forcing (ERF)caused by anthropogenic aerosol Twomey effect is -0.22 W·m-2.Meanwhile,the difference between the Both and Rad experiments shows that the ERF caused by the Twomey effect is -0.30 W·m-2,which is stronger (more negative)than that caused by the difference between the Tmy and Base experiments.It is clear that the assessment results depend on experimental design.One likely reason for this is that aerosol semi-direct and indirect effects interact in a very complex manner,and the assumption of linear superposition is not reasonable.It is worth noting that the diagnosed Twomey effect not only includes the Twomey effect itself,but also cloudrelevant adjustments caused by the Twomey effect. Aerosol could make an obvious impact on quantifying cloud forcing,as aerosol also can scatter and absorb solar radiation.The short wave cloud forcing (SWCF)from Base experiments is -47.54 W·m-2.Under no-aerosol conditions,the SWCF* (i.e.the SWCF calculated as a diagnostic with aerosol scattering and absorption neglected)from the Base experiment is -49.51 W·m-2.The difference caused by the impact of aerosol is 1.98 W·m-2.Compared with the Base experiment,this difference from the Rad experiment is increased by 0.38 W·m-2,because anthropogenic aerosol is considered.In other words,for the same cloud optical properties,the SWCF diagnosed with aerosol optical properties may be shown to increase by ~0.38 W·m-2 after considering anthropogenic aerosol optical properties.Due to this obvious positive bias,the aerosol effects on cloud radiative forcing must be estimated from the change in SWCF* (diagnosed with aerosol scattering and absorption neglected),rather than SWCF (diagnosed using the traditional method).

  • Stevens et al.(2017)依据观测数据发展出来一套利用经验公式计算人为气溶胶的光学特征和其对云滴数浓度放大作用的参数化方案(以下简称MACv2-SP)。第六次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)指定由MACv2-SP提供人为气溶胶强迫数据。

  • 在耦合模式比较计划(CMIP)中,不同模式对总的外部强迫(二氧化碳、臭氧、人为气溶胶等)的响应存在很大差异(赵立龙和徐建军,2015)。辐射强迫模式比较计划(Radiative Forcing Model Intercomparison Project,RFMIP)能够用于诊断分析由气溶胶和臭氧共同造成的辐射强迫。不过,RFMIP没有单独针对人为气溶胶强迫的试验设计,更没有将人为气溶胶的辐射效应和间接效应分别进行诊断分析的试验设计(Pincus et al.,2016)。需要注意,MACv2-SP给出的气溶胶间接效应的不确定性远高于直接效应(Stevens et al.,2017)。并且,模式中描述气溶胶-云相互作用的不确定性也远高于气溶胶辐射强迫(IPCC,2013)。此外,研究气溶胶如何影响气候也需要了解各种影响机制在其中的相对贡献(Storelvmo et al.,2009;Lohmann and Ferrachat,2010;Bond et al.,2013;尚晶晶等,2017;葛旭阳等,2018)。 因此,有必要对气溶胶气候效应开展分类评估。

  • CMIP5推荐使用有效辐射强迫(Effective Radi-ative Forcing,ERF)来评估人为强迫对地球能量收支平衡的影响(IPCC,2013)。ERF包含了与地表气温无关的快速调整过程对辐射传输的影响(Rapid Adjustments,以下简称快速调整)。在分析人为气溶胶的ERF时,往往采用固定海温法(IPCC,2013),即指有、无人为气溶胶强迫两个数值试验中大气顶(Top of Atmosphere,TOA)辐射通量的变化。不考虑快速调整的瞬时辐射强迫(Instantaneous Radiative Forcing,IRF)代表气候系统对人为气溶胶强迫的瞬时响应,也常用于分析气溶胶气候效应(IPCC,2013)。 根据IRF的定义,采用如下方式计算:首先在每一个模拟试验中通过额外计算没有气溶胶情况下的TOA辐射通量来诊断气溶胶(包括人为气溶胶和自然气溶胶)瞬时辐射强迫;之后,计算有、无人为气溶胶强迫两套试验的气溶胶瞬时辐射强迫的差值。需要注意,在有、无人为气溶胶强迫的这两套试验中,气溶胶以外的辐射影响因子(例如:云、地表反照率、大气自身状况)并不完全相同,但这个差异对IRF的影响较小,为了便于使用模式开展诊断评估,将其忽略(Ghan,2013;Pincus et al.,2016)。由于很难将瞬时作用与其他气溶胶-云相互作用分离开,气候模式难以诊断分析气溶胶-云相互作用引起的IRF。为了能够更加清晰地认识模式评估结果,本研究将深入分析描述气溶胶气候效应的变量(ERF、IRF等)所代表的物理含义和计算流程。

  • 使用模式诊断评估人为气溶胶通过不同机制(例如:半直接效应、Twomey效应)对气候变化的影响往往比预想的复杂(Ghan,2013;彭杰和张华,2015;Eyring et al.,2016;李占清,2020)。这个复杂性主要来自两个方面。第一,试验设计往往难以完美地达到试验目的。例如:依据定义,Twomey效应(Lohmann,2007)仅表示云滴数浓度增多对辐射传输立即造成的影响。使用IRF评估Twomey效应更加合理。然而,在气候模式中,云的演化发展在这一模式时步和下一模式时步通常紧密相关。因此,模式评估给出的Twomey效应通常还包括了Twomey效应引起的后续影响。第二,利用两套模拟试验中辐射变量的差值表示某种气溶胶强迫效应可能会出现系统性偏差。例如:本研究的第一部分(史湘军等,2020)指出使用模式正常输出的云辐射强迫来计算气溶胶对云辐射强迫的影响会带来明显的正偏差。总之,有必要对试验设计和诊断方法进行深入分析,探讨它们的合理性及其对评估结果的影响。

  • 本文第一部分介绍气溶胶气候效应的分类以及诊断分析方法;第二部分诊断分析人为气溶胶的辐射效应以及其对云辐射强迫的影响;第三部分诊断分析人为气溶胶的Twomey效应;第四部分评估气候系统对人为气溶胶的响应(辐射效应和Twomey效应的共同作用);第五部分给出结论和探讨。

  • 1 气溶胶气候效应的分类和诊断方法

  • 本研究采用固定海温法诊断分析气候系统对给定人为气溶胶强迫的响应。CMIP6 试验设计仅考虑气溶胶辐射效应和暖云中的Twomey效应。需要注意,除了气溶胶(a)和云(c),其他辐射影响因子(o,例如:地表反照率、大气自身状况等)也可以影响TOA辐射收支平衡(宿兴涛等,2010;黄文彦等,2015)。并且,气溶胶(a)或云(c)的变化可以直接或间接地影响其他辐射相关因子(o)进而再次影响辐射收支平衡。在NUIST(Nanjing University of Information Science & Technology)模式中,气溶胶影响TOA辐射通量的各种机制如图1所示。为便于表述各种影响和反馈过程,采用符号“<AB>”表述存在A影响B这个过程,“<A?>*<?A>”表述反馈过程。这里“?”代表任何可能的一个要素,“*”代表任何可能发生的影响过程。下面采用上述符号介绍图1中的各个影响过程和简单的反馈过程。气溶胶辐射效应能瞬间改变TOA辐射通量,即<aR>。吸收性气溶胶加热大气可以改变其他辐射影响因子,即<ao>。其他辐射影响因子和TOA辐射通量可以相互影响,即<oR>和<Ro>。气溶胶的Twomey效应可以改变云的光学特征,即<ac>。云光学特征的变化可以影响TOA辐射通量,即<cR>。云和其他辐射影响因子通过交换水汽和热量从而相互影响,即<co>和<oc>。其他辐射影响因子和TOA辐射通量之间存在反馈过程,即<oR><Ro>。云、其他辐射影响因子和TOA辐射通量之间也存在反馈过程,即<cR><Ro><oc>。

  • 气溶胶气候效应的两种影响机制(辐射效应和Twomey效应)各自单独对TOA辐射通量的影响如图1所示。气溶胶通过自身辐射效应对TOA辐射通量的影响可以分为两条途径。第一条,直接辐射效应。人为气溶胶的存在与否能瞬间改变辐射传输从而影响TOA辐射通量,也就是<aR>;第二条,间接辐射效应。气溶胶通过影响太阳辐射从而引起除气溶胶外的其他影响辐射传输的因子的变化,进而影响TOA辐射通量。其中包括通过加热大气改变云的状况(c)进而影响辐射(半直接效应)。半直接效应不仅有<ao><oc><cR>,还有包含反馈过程的<ao>*<oc><cR>。除半直接效应外,间接辐射效应还包括通过加热大气改变其他辐射影响因子(o)的状况进而影响TOA辐射通量,即<ao><oR>和包

  • 图1 NUIST模式中气溶胶影响TOA辐射通量的示意图(长方形代表辐射影响因子;大圆代表TOA辐射通量;尖括号代表影响过程)

  • Fig.1 Schematic diagram detailing how aerosol affects TOA radiation flux in the NUIST model(the rec-tangles indicate radiation flux impact factors,circle indicates the TOA radiation flux,and angle brackets indicate the influence processes)

  • 含反馈过程的<ao>*<oR>。需要注意,诊断间接辐射效应时,通过改变其他影响因子(o)进而对TOA辐射通量的影响一般很弱,往往将其忽略(IPCC,2013)。 由图1可见,气溶胶通过Twomey效应影响TOA辐射通量的途径如下:代表TOA辐射通量对云滴数浓度增多的瞬时响应的<ac><cR>和代表Twomey效应引起的部分快速调整的<ac>*<cR>。依据定义,Twomey效应仅仅是指<ac><cR>。然而,在基于模式的诊断分析中评估得出的Twomey效应还包括了Twomey效应引起的部分快速调整。

  • 气溶胶对TOA辐射通量的影响也可以相应地划分为三条途径(图1)。第一条,<aR>,它代表气溶胶(a)直接辐射效应;第二条,*<cR>,它代表气溶胶通过改变云(c)进而对辐射的影响,这其中包括气溶胶辐射效应引发的半直接效应、气溶胶Twomey效应本身和Twomey效应引起的部分快速调整;第三条,*<oR>,它代表气溶胶通过改变其他辐射影响因子(o)进而对辐射的影响。这其中包括气溶胶间接辐射效应中的<ao>*<oR>和Twomey效应引起的快速调整中的<ac>*<oR>。在以往模拟评估气溶胶气候效应的研究中,往往忽略第三条途径。

  • 在本研究中,为书写方便,变量的下标(a,c,o)代表辐射计算时考虑的要素(气溶胶,云,其他因素)。以TOA短波辐射通量(Shortwave Net Radiative Fluxes,FSNT)为例:FSNTaco表示考虑气溶胶(a)、云(c)和其他辐射因子(o)情况下诊断得出的FSNT。云短波辐射强迫(Short Wave Cloud Forcing,SWCF)的计算方法是有云(whole-sky)和无云(clear-sky)两种情况下TOA短波辐射通量的差值。SWCF可以有两种计算方式。第一种,SWCFao=FSNTaco-FSNTao,它会受到气溶胶(a)的影响;第二种,SWCFo=FSNTco-FSNTo,它不受气溶胶(a)辐射效应的直接影响。类似于SWCF,气溶胶短波辐射强迫(Shortwave Aerosol Forcing,SWAF)也有两种计算方式。第一种,SWAFco=FSNTaco-FSNTco,这就是通常使用的有云情况下的SWAF;第二种,SWAFo=FSNTao-FSNTo,即无云情况下的SWAF。其他变量的定义和物理意义见表1。

  • 本研究的第一部分(史湘军等,2020)开展了Base和Both两个数值模拟试验。试验结果指出气溶胶对云辐射强迫的影响(包括半直接效应和Twomey效应)为-0.10(±0.30)W·m-2。在本文中再添加两个试验,Rad和Tmy。相对于Base试验,Rad试验仅添加人为气溶胶的辐射效应,Tmy试验仅添加人为气溶胶的Twomey效应。在本研究中,如本研究第一部分(史湘军等,2020)所述,变量的上标表示来源于哪个试验。SWCFoRad-Base用于表示半直接效应。SWCFoTmy-Base用于表示Twomey效应(包含Twomey效应引发的部分快速调整)。需要注意,计算SWCFo用到的其他辐射影响因子(o)在不同试验中是有差异的。不过,这个差异贡献极小,将其忽略。由于Tmy和Base试验中的气溶胶光学特征没有发生变化。SWCFaoTmy-Base也可以用来表示Twomey效应。由于Rad试验相对于Base试验添加了人为气溶胶的辐射效应。SWCFaoRad-Base不仅有半直接效应,还有气溶胶光学特征变化(人为气溶胶辐射效应)带来的影响。与之类似,由Towmey效应引起的云光学厚度(Cloud Optical Depth,COD)的变化也可能对SWAFco产生影响。

  • 2 人为气溶胶的辐射效应

  • 图2展示了只考虑辐射效应情况下的人为气溶胶的ERF、IRF和相应的调整(ERF-IRF)。需要注意,Rad试验中不考虑Twomey效应。因此,*<cR>

  • 表1 辐射相关的诊断分析变量

  • Table 1 List of radiation-relevant variables analyzed in this study

  • 图2 多年平均有云(a,b,c)及无云(d,e,f)情况下人为气溶胶有效辐射强迫(ERF;单位:W·m-2,a,d)、瞬时辐射强迫(IRF;单位:W·m-2,b,e)及相对应的调整(ERFIRF;单位:W·m-2,c,f)(右上角为全球平均值)

  • Fig.2 Annual mean anthropogenic aerosol(a,b,c)wholesky and(d,e,f)clearsky(a,d)effective radiative forcing(ERF,unit:W·m-2),(b,e)instantaneous radiative forcing(IRF,unit:W·m-2)and(c,f)adjustments(ERFIRF,unit:W·m-2)(global mean values are shown in the upper right corner)

  • 这条途径仅代表半直接效应。有云情况下,全球平均的ERF为-0.15 W·m-2,具有降温作用。全球平均的IRF为-0.35 W·m-2,其降温作用明显强于ERF。ERF-IRF表示由人为气溶胶辐射效应引起的快速调整,即*<oR>和*<cR>。 ERFIRF全球平均值为0.20 W·m-2,在很大程度上抵消了人为气溶胶辐射效应的降温作用。无云情况下的IRF(clear-sky IRF,IRFC)的全球平均值为-0.73 W·m-2,远高于IRF。这表明云的存在很大程度上削弱气溶胶的降温作用。无云情况下的ERF(ERFC)的全球平均值(-0.74 W·m-2)和空间分布都与IRFC十分接近。通过对比ERFIRF和ERFC-IRFC(*<oR>),不难发现气溶胶辐射效应引起的快速调整主要来源于半直接效应(*<cR>)。IRF的均方差为0.01 W·m-2,远小于ERF的0.12 W·m-2和快速调整的0.13 W·m-2。这表明,描述瞬时响应的IRF基本上仅由人为气溶胶决定,具有很高的可信度。然而,由于大气对气溶胶强迫的响应过程的复杂性,模式模拟得出ERF和快速调整就具有了较大的不确定性。

  • 图3给出了两种方式计算出来的SWCF(SWCFo和SWCFao)在两套试验中的差值。SWCFaoRad-BaseSWCFoRad-Base的空间分布相近。但是, SWCFaoRad-Base的全球平均值为0.59 W·m-2,显著高于SWCFoRad-Base的0.21 W·m-2。在Base试验中, SWCFdaBase的全球平均值为1.98 W·m-2。相对于Base试验,Rad试验加入了人为气溶胶的辐射效应,气溶胶对云辐射强迫的影响也将相应增强。SWCFdaRad的全球平均值为2.35 W·m-2。 Base、Rad两试验中SWCFda差异代表了人为气溶胶的辐射效应存在与否对计算云辐射强迫的影响。SWCFdaRad-Base的全球平均值为0.38 W·m-2。说明采用SWCFao分析气溶胶对云辐射强迫的影响会带来明显的正偏差。使用SWCFo就能避免这个虚假偏差。由于没有考虑气溶胶间接效应,这里的SWCFoRad-Base代表的只是气溶胶半直接效应,全球平均值为0.21W·m-2,起加热作用。已有研究指出人为气溶胶影响SWCFo的主要途径是通过加热大气影响大气稳定性进而减少低云云量(Sakaeda et al.,2011)。相对于Base试验,Rad试验的全球平均云量(表2,Cloud Fraction,CLD)减少了0.11%。图3展示的半直接效应(SWCFoRad-Base)与快速调整(ERF-IRF,图2)十分接近。

  • 3 人为气溶胶的Twomey效应

  • 图4给出了人为气溶胶Twomey效应引发的有效辐射强迫(ERF=FSNTacoTmy-Base)、云短波辐射强迫变化(SWCFaoTmy-Base)和两者的差值。由于没有气溶胶辐射效应,这里ERF仅来源于*<cR>和*<oR>这两条途径。ERF的全球平均值为-0.22 W·m-2SWCFaoTmy-Base表示人为气溶胶Twomey效应引发的云辐射强迫的变化,即*<cR>。需要注意, SWCFaoTmy-Base不仅表示Twomey效应立即导致的云辐射强迫的变化,还包括Twomey效应引发的快速调整中云辐射强迫的变化。因此, SWCFaoTmy-Base不能称为Twomey效应的IRF。由于Base和Tmy两套试验基于同样的气溶胶辐射效应,因此, SWCFaoTmy-BaseSWCFoTmy-Base几乎一致(图略),全球平均值都为-0.19 W·m-2。其空间分布和强度都与ERF比较接近。这表明Twomey效应引起的ERF主要来自云辐射强迫的改变。由于气溶胶辐射效应没有变化, FSNTaoTmy-BaseFSNToTmy-Base几乎没有差异(图略)。但是FSNTaoTmy-Base的全球平均值为-0.04 W·m-2,绝对值明显小于相应的均方差(0.07 W·m-2),明显受

  • 图3 从Base试验到Rad试验云辐射强迫(SWCFao;单位:W·m-2,a)和无气溶胶影响情况下云辐射强迫(SWCFo;单位:W·m-2,b)的变化;Base试验(c)和Rad试验(d)模拟的气溶胶对云辐射强迫的影响(SWCFda;单位:W·m-2)以及两者的差值(e)(右上角为全球平均值)

  • Fig.3(a)Changes(Rad-Base)in shortwave cloud forcing(SWCFao,unit:W·m-2)and(b)without aerosol radiative effect(SWCFo,unit:W·m-2);aerosol effects on shortwave cloud forcing(SWCFda,unit:W·m-2)from(d)Base,(d)Rad experiments and(e)their difference(global mean values are shown in the upper right corner)

  • 表2 数值试验诊断得出的全球平均值

  • Table 2 Global annual mean results from all experiments

  • 注:此表不仅给出表1列出的所有变量,还给出了可见光波段气溶胶光学厚度(AOD)、云量(CLD)、云光学厚度(COD)以及陆面气温(TS)。此表在给出两个试验的差值(Rad-Base,Tmy-Base和Both-Base)同时还给出相应的均方差(括号内).

  • 图4 从Base试验到Tmy试验由人为气溶胶Twomey效应产生的有效辐射强迫(ERF;单位:W·m-2,a)、云短波辐射强迫变化(SWCFaoTmy-Base;单位:W·m-2,b)和两者的差值(ERF-SWCFaoTmy-Base;单位:W·m-2,c)(右上角为全球平均值)

  • Fig.4(a)Anthropogenic aerosol Twomey effect resulting in effective radiative forcing(ERF,unit:W·m-2)from Base and Tmy experiments,(b)changes in shortwave cloud forcing(SWCFaoTmy-Base,unit:W·m-2)and(c)their difference(ERF-SWC-FaoTmy-Base,unit:W·m-2)(global mean values are shown in the upper right corner)

  • 内部变率影响,具有较大的不确定性。

  • 虽然,Tmy和Base试验基于同样的气溶胶辐射效应。但是, SWAFcoTmy-Base≠0,而是0.01 W·m-2(表2)。说明SWAFco也会受到云光学特征变化的影响。因此不受气溶胶光学特征变化影响的SWCFo可以更真实地表示气溶胶对云辐射强迫的影响,而排除云光学特征变化影响的SWAFo可以更准确地表示气溶胶直接效应。但是,相对于气溶胶光学特征变化对SWCFao的影响(0.38 W·m-2),云光学特征变化对SWAFco的影响可以忽略不计。

  • 4 气溶胶的气候效应

  • 由图5可见,全球平均的人为气溶胶辐射效应和Twomey效应共同引起的ERF为-0.45 W·m-2。这个全球平均值强于单独辐射效应(-0.15 W·m-2)和单独Twomey效应(-0.22 W·m-2)之和(-0.37 W·m-2)。但是相对应的均方差分别为0.28,0.22和0.12 W·m-2(表2),说明辐射效应和Twomey

  • 图5 从Base试验到Both试验人为气溶胶的有效辐射强迫(ERF=FSNTacoBoth-Base;单位:W·m-2,a);气溶胶辐射强迫变化(SWAFaoBoth-Base;单位:W·m-2,b)、无气溶胶影响的云短波辐射强迫变化(SWCFoBoth-Base;单位:W·m-2,c)以及没有云和气溶胶情况下大气顶短波辐射通量变化(FSNToBoth-Base;单位:W·m-2,d)(右上角为全球平均值)

  • Fig.5(a)Anthropogenic aerosol effective radiative forcing(ERF,unit:W·m-2)based on Base and Both experi-ments,(b)changes in aerosol instantaneous effect on shortwave net radiative fluxes(SWAFaoBoth-Base,unit:W·m-2),(c)changes in shortwave cloud forcing without aerosol radiative effect(SWCFoBoth-Base,unit:W·m-2),and(d)changes in clear-sky TOA shortwave net radiative fluxes without aerosol radiative effect(FSNToBoth-Base,unit:W·m-2)(global mean values are shown in the upper right corner).

  • 效应共同引起的ERF与各自ERF之和的差值(0.08 W·m-2)明显小于模式模拟的不确定性。

  • 根据气溶胶影响TOA辐射通量的三条途径,可以将ERF分解为三部分。 第一部分,人为气溶胶直接辐射效应,用ΔSWAFco表示(Δ表示有无人为气溶胶两套试验之差)。SWAFcoBoth-BaseSWAFcoRad-Base基本一致。从全球平均值来看, SWAFcoBoth-BaseSWAFcoRad-Base仅有0.01 W·m-2的差异。这表明,气溶胶直接辐射效应几乎完全由人为气溶胶的辐射效应决定。第二部分,人为气溶胶对云辐射的影响,用ΔSWCFo表示。SWCFoBoth-Base的全球平均值为-0.10 W·m-2。在人为气溶胶辐射效应单独作用下,云辐射变化SWCFoRad-Base(半直接效应)的全球平均值为0.21 W·m-2(图3)。在人为气溶胶Twomey效应单独作用下,云辐射变化SWCFoTmy-Base的全球平均值为-0.19 W·m-2(表2)。SWCFoBoth-Base显然不等于SWCFoRad-BaseSWCFoTmy-Base之和(0.02 W·m-2)。除了模式模拟的不确定性外,另一个可能原因是半直接效应和Twomey效应包含了很多共同的过程,它们之间相互关联、相互影响,不是简单线性叠加关系。第三部分,人为气溶胶通过其他因素对TOA辐射通量的影响(*<oR>),用ΔFSNTo表示。FSNToBoth-BaseFSNToRad-BaseFSNToTmy-Base的全球平均值分别为-0.01、-0.01和-0.04 W·m-2,相应的均方差分别为0.04、0.05和0.07 W·m-2。因此,在研究气溶胶影响气候的主要机理时,人为气溶胶强迫通过改变其他因素(o)进而影响辐射传输平衡的影响往往忽略不计。

  • 5 结论和讨论

  • 人为气溶胶影响TOA辐射通量有三条途径:第一条,直接辐射效应(即,<aR>)。其几乎完全由气溶胶辐射效应决定;第二条,对云辐射的影响(即,*<cR>)。其中不仅包括Twomey效应,还包括由气溶胶辐射效应引起的半直接效应;第三部分,人为气溶胶通过其他因素对TOA辐射通量的影响(即,*<oR>)。相对于前两条途径,这条途径产生的影响可以忽略。在本研究第一部分(史湘军等,2020)基础上,本文进一步深入分析第二条途径并探讨诊断分析方法的合理性。

  • 开展了只考虑人为气溶胶辐射效应的试验Rad和只考虑人为气溶胶Twomey效应的试验Tmy。基于Rad和Base试验,诊断得出的半直接效应为0.21 W·m-2。基于Tmy和Base试验,诊断得出的Twomey效应为-0.19 W·m-2。上述半直接效应的增温作用可以抵消Twomey效应的降温作用。但是,当把气溶胶辐射效应和Twomey效应两者同时考虑后(Both试验),两者共同作用的结果为-0.10 W·m-2。Ghan et al.(2012)利用美国CAM5模式模拟研究气溶胶气候效应,诊断得出的半直接效应是0.06 W·m-2。在本研究中,可以采用Ghan et al.(2012)的方法计算半直接效应,即半直接效应由基于Both和Base试验诊断得出的人为气溶胶对云辐射强迫的影响减去基于Tmy和Base试验诊断得出的Twomey效应计算而来。这样计算得出的半直接效应(0.09 W·m-2)与上述他人研究结果比较接近。本研究基于Tmy和Base试验诊断得出ERF为-0.22 W·m-2,主要贡献来自Twomey效应。IPCC AR5 评估给出的间接效应的ERF为-1.40 W·m-2。但是,若使用考虑总的人为气溶胶强迫的ERF和只考虑辐射效应的ERF的差异来表示间接效应,评估得出间接效应的ERF为-0.45 W·m-2,相比可以看出第二种方式计算出来的间接效应显著变弱(IPCC,2013)。在本研究中,采用此方法计算得出的Twomey效应的ERF为-0.30 W·m-2,与IPCC AR5的评估值比较接近。却强于由Tmy和Base试验计算得出的ERF。原因可能主要来自两个方面。一方面是模式模拟的Twomey效应自身不是很强且存在很大的不确定性。另一方面是在模式模拟过程中Twomey效应和半直接效应之间存在复杂的相互影响。

  • 本研究采用有、无人为气溶胶辐射效应两套试验中气溶胶瞬时辐射强迫的差值表示直接效应。同时研究显示人为气溶胶辐射强迫存在与否能够显著影响对云辐射强迫的诊断,因此应该采用排除气溶胶辐射强迫情况下诊断得出的云辐射强迫进行分析。半直接效应不等同于辐射效应的瞬时响应,而是辐射效应引起的快速调整。因此,不能通过在一个试验中多次调用辐射模块来诊断,本文基于Rad和Base试验结果计算得出的半直接效应更加符合定义。在模式模拟过程中,Twomey效应和半直接效应不断地互相影响,并非线性叠加关系。因此,本研究基于Rad和Base试验结果评估半直接效应的可信度相对更高一些。Twomey效应依据定义仅表示辐射通量对云滴数浓度的瞬时响应,但模式模拟评估分析的Twomey效应还包括了Twomey效应引起的快速调整的影响。若仅评估Twomey效应对辐射传输的瞬时影响,应该在考虑Twomey效应的试验中通过额外调用一次没有Twomey效应影响情景下COD的辐射通量诊断程序进行计算。但在气候模式中,云的特征在这一模式时步的演化发展与上一模式时步紧密关联,因此上述评估方法难以实现。不过,CMIP6试验设计通过在模式中使用云滴数浓度放大系数来描述气溶胶Twomey效应,这使评估Twomey效应瞬时影响成为可能。接下来的研究工作将探索只考虑瞬时影响的Twomey效应和包括快速调整的Twomey效应的差异。

  • 参考文献

  • 参考文献

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