大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的 关联性分析：以CMIP6三个模式为例.pdf

第43卷第4期2023年8 月韩波，袁健.大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例.气象科学,2 0 2 3,43（4)：553-560.HAN Bo,YUAN Jian.Analysis of atmospheric vertical motion profile characteristics and its correlation with cloud and radiation:takethe three models of CMIP6 as an example.Journal of the Meteorological Sciences,2023,43(4):553-560.气象科学Journal of the Meteorological Sciences大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例Vol.43,No.4Aug.,2023韩波袁健（南京大学大气科学学院，南京2 10 0 2 3）摘要基于第六次耦合模式比较计划（CMIP6）的3个全球气候模式结果，利用经验正交分解方法和参数方法分析了模式模拟的热带地区大尺度大气垂直运动廓线特征并揭示其与云和辐射量的关系。结果表明，基于EOF分解方法，3个模式均可较好地再现热带大气垂直运动特征，即热带大气垂直运动90%以上的方差可由两个主导的垂直结构模态解释，其中E0F1表征大气的整体上升或下沉,EOF2表征一个由深厚的中层辐合辐散占主导的垂直运动廓线。在此基础上定义了一对更为简洁易用的参数（和do），此对参数可较好地描述EOF分解所揭示出的垂直运动廓线特征。利用新定义的参数发现，在西太平洋暖池区域，高云在“上重”下沉区域为低值，中云云量在“下重”上升运动区域为高值。大气层顶对外长波短波辐射均表现出对运动廓线结构的依赖。研究为评估气候模式对云和辐射模拟提供了一组有效因子。关键词垂直运动；经验正交分解；CMIP6；云和辐射分类号：P412.14Analysis of atmospheric vertical motion profile characteristics andits correlation with cloud and radiation:take the three models ofAbstract In this study,the characteristics of tropical large scale atmospheric pressure verticalvelocity(o)profiles were analyzed by using the output of three CMIP6 models based on the EmpiricalOrthogonal Function(EOF)method and the parametric method.Their relationships with cloud andradiation were revealed.It is found that based on EOF method,the three models can reproduce thevertical profile characteristics of the tropical atmosphere,the two leading EOFs explain 90%of the totalvariance of the structure of the w profile.The first EOF corresponds to a deep ascending/descendingmotion of the troposphere.The second EOF represents a thick convergence/divergence layer in the middletroposphere.A pair of parameters(and do)are then defined to characterize of the profile.Theseconcise parameters can effectively represent structures captured by the above relatively complex EOFcombination,while they are much easier to implement.The relationships between the structure of the profile and the model outputted cloud and radiation are then investigated based on the phase space收稿日期（Received）：2 0 2 2-0 7-11；修改稿日期（Revised）：2 0 2 2-0 7-13基金项目：国家重点研发计划资助项目（2 0 16 YFC0202000）；国家自然科学基金资助项目（42 17 50 2 1）通信作者（Corresponding author)：袁健（YUAN Jian）.j i a n y n j u.e d u.c ndoi:10.12306/2022jms.0086CMIP6 as an exampleHAN BoYUAN Jian(School of Atmospheric Sciences,Nanjing University,Nanjing 210023,China)文献标识码：A554consisted by the and do.The targeted area is the Western Pacific warm pool region.High clouds aremore distributed in the region with strong“top heavy upward motion,mid clouds are more distributed inthe region with strong“bottom heavy upward motion.TOA radiation shows a strong dependence on therising motion and sinking motion.This study provides a set of effective factors for assessing climate modelsfor cloud and radiation simulations.Key words vertical motion;EOF;CMIP6;cloud and radiation引言低纬度大气的垂直运动是大气环流的重要组成部分,是影响大气非绝热加热（潜热、辐射加热等)和绝热加热的重要动力学过程。同时大气垂直运动与云的分布以及对应的辐射效应密切联系，是决定大尺度能量平衡的主要因子13。在模式评估中，需要通过考察模式中大气垂直运动特征，例如大气垂直运动廓线的结构特征,来进一步理解模式中云和辐射的模拟效果以及对应的物理过程。因此，模式结果中大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析十分重要4-6 目前对于低纬度地区大气垂直运动总体特征的获取有两种常用方法，一种是通过经验正交函数分解（EOF)获取，例如YUAN，e t a l 7 通过欧洲中心中期天气预报再分析的热带垂直运动廓线数据，在不同的时间尺度考察了大尺度垂直运动廓线的前两个经验正交函数，垂直运动被解析为表示传统的深层环流和与中层辐散有关的较浅环流（以下简称YH08）。另一种是通过定义参数来描述大气垂直运动廓线特征8-10 ,但目前这类方法还比较简单,该方法只提出了代表整层大气的平均运动强度的参数，缺少描述廓线所需的其他物理量，在代表低纬度大气垂直运动总体特征方面有一定欠缺。大气的大尺度垂直运动往往会影响云的种类及其数量1-2 。由层云降水产生的层状加热（高层大气加热和低层大气冷却）会导致加热廓线抬升。这种升高的加热廓线可以在对流层上层引起较强的大范围向上运动,这可能与“top heavy类型的向上运动轮廓有关13。雷达观测资料和原始探空资料分析表明，传统浅层积云与深层积云类型之间云顶高度的存在与中层辐散有关（即 bottomheavy式向上运动）14。不同云系与垂直运动的联系亦可以体现在其云辐射效应。例如,东西太平洋ITCZ上的云系和净云辐射强迫存在差异15-16 对应着不同类型的大气环流和不同类型的大尺度垂直运动廓线17-1气象科学基于以上大气垂直运动与云和辐射的密切关系，就可以利用大尺度垂直运动来约束气象场以提取云及其辐射效应特征，以便于为气候模式提供基于过程的诊断方法4-6 。第六次耦合模式比较计划（CM IP6)2 0 ,是CMIP计划实施以来参与的模式数量最多、设计的数值试验最丰富、所提供的模拟数据最庞大的一次。因此,本文选取CMIP6下典型气候模式BCC-CSM2-MR21-2、IPSL-CM 6 A-LR 2 3-2 6 GFDL-CM427-28对大气的垂直结构特征进行分析和比较，在此基础上，建立大气垂直运动与云和辐射的联系,分析模式中云和辐射的模拟情况。1数据资料最新一轮国际耦合模式比较计划CMIP6共有来自33个研发机构的总计112 个模式参与，本文挑选了CMIP6中3个典型模式，分别为：BCC-CSM2-MR,IPSL-CM6A-LR和GFDL-CM4,如表1所示。使用的数据均为大气模式比较计划（AMIP试验），AMIP试验以197 9年以来的观测海温和海冰作为边界条件来驱动模式，模拟结果彼此间的可比性很强,是评估大气模式和耦合模式性能的基础，也是其他试验的基准。各模式数据均可在开放网站(https:/esgf-node.llnl.gov/projects/esgf-llnl/）下载,选取AMIP计划下同一运行模式的控制指标，都选用rlilplll。本文使用的数据采用了表1中3个模式AMIP试验2 0 0 9一2 0 14年6 a的大气垂直运动、云量、大气层顶的对外短波辐射（Total ReflectedSolarradiation，T RS）、对外长波辐射（OutgoingLongwaveRadiation，O LR）和人射太阳辐射（In c o mi n g So l a r Ra d i a t i o n,In c）的逐日数据。净辐射为入射太阳辐射与总对外辐射的差值。本文选取热带地区（南北30）作为进行垂直运动廓线分解的区域。为方便进行比较分析,在数据处理时,将3个模式水平方向插值为112方法2.1经验正交分解本文需要对垂直运动廓线进行定量描述，YH0843卷4期韩波，等：大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例555表1本文中使用的全球气候模式Table 1List of the three CMIP6 Model used in this study模式名称BCC-CSM2-MRIPSL-CM6A-LRGFDL-CM4NOAA-CFDL(美国)采用经验正交分解（EOF）的方法对廓线形状信息进行降维。该方法于190 2 年由Pearson291提出，Lorenz30将其引入大气科学领域,随后被广泛应用至今31-2 本文将格点的垂直廓线作为EOF分解的对象，因此在上述定义基础上，EOF方法解释为在垂直方向上互相正交的空间函数。对垂直运动廓线进行EOF分解。对每个水平空间点来说,存在垂直方向上的廓线,定义为i，其中ii为经纬度,k为空间垂直方向。在纬向上由于存在网格面积差异，因此对所有格点垂直运动廓线的协方差矩阵C,进行纬度加权求和,对求得的C进行EOF分解C=Cgcos(lat,),数据的原始气压层并不均匀，代表对垂直采样的不均匀,因此在对垂直速度进行EOF分解的时候,采用了以下两种不同处理方式对进行预处理。第一种是对原始廓线数据加人了垂直权重：w=;(Pi+1-Pi-1)/2,(2)其中：i为气压层；为该气压层的压强速度；Pi1-Pi-i表示该气压层上下层之差，用两层的平均值表征该层的厚度，对得到*的协方差进行EOF分解，分解得到的EOF结果再经过去权重处理得到相应的廓线结构。第二种处理方式是对垂直运动数据在垂直方向重新采样，处理为10 0 10 0 0 hPa间每50 hPa为一层的等间隔采样廓线数据。对气压层不均匀的两种不同的处理方式，结果表明处理得到的EOF相关系数较好，这表明这两种EOF方法基本等效。考虑到不同时间尺度下影响气象场的主要物理过程未必相同，因此本文将垂直运动廓线数据分别取不同时间尺度的平均值（如，日平均、7 d平均、15d平均和月平均），并对其进行EOF分解并比较结果的异同。结果表明时间尺度越长，垂直速度的结构越接近EOF1,且垂直结构的空间模态特征更集中于前两个模态。从结果来看,时间尺度的变化研究机构，国家BCC(中国)IPSL(法国)EC-Earth-Consortium（欧洲各国联合）288180水平分辨率(LonxLat)1603201431449133层对EOF1的影响较小;对EOF2 而言,其相互间的相关系数随着两个EOF2对应时间尺度间的差异增大在逐渐变小,当时间尺度为7 d时,EOF2和其他所有时间尺度的EOF2相关系数较好。因此下文选取7d平均的结果,进行EOF处理。这样既能简化数据处理的复杂性，同时又能充分反映大尺度全域特征。2.2参数定义以往研究大多选取公式（3）来描述大气垂直运动的平均状态8-10 1,，其中积分范围为底部（10 0hPa）到顶部（10 0 hPa），描述整个气柱垂直运动的整体强度。在此基础上，提出公式（4)来描述大(1)气垂直运动的斜压模态。公式（4）中i表示上层,表示下层,d表示的就是上下层平均的差。这里上下层的分界取在550 hPa（10 0 10 0 0hPa 的正中间)。(3)2dpdaJdpdp公式（3）和（4）分别描述了大气垂直运动的正压和斜压模态，具体表现在：当为负值，代表整层大气处于上升状态,此时若d为负值,说明中层辐合，垂直运动廓线呈现“上重下轻”状态；若d为正值，说明中层辐散，垂直运动廓线呈现“下重上轻”状态。当为正值，代表整层大气处于下沉状态，此时若do为正值，说明中层辐散，垂直运动廓线呈现“上重下轻 状态；若do为负值，说明中层辐合，垂直运动廓线呈现“下重上轻”状态。利用单一参数，只能描述大气垂直运动的整体状态（“上升”或“下沉”）及整层运动的强度。结合do参数,进一步补充大气垂直运动的斜压模态，就可以得到大气垂直运动廓线的基本形状特征。气压层数46层80层0.01 hPa2.5dp顶层高度/hPa1.980.01512256(4)5563热带地区大气垂直运动廓线3.1 EOF分解图1为3个模式垂直运动廓线的EOF分解结果（数值大小无具体含义）。第一和第二模态方差贡献率分别是7 3%和16%。可以看出，无论是BCC-CSM2-MR,还是 GFDL-CM4、I PSL-CM 6 A-LR,EO F 分解的空间型都有着相似的特征。第一模态均表现为整个对流层一致性上升运动（或者下沉运动），且在对流层中上层这种上升运动或者下沉运动最强烈。只是IPSL-CM6A-LR模式的垂直运动最强烈的高度略低于另外两个模式。3个模式的第二模态则显示出垂直运动明显的斜压结构，即高低层垂直运动方向相反的特征。一BCCEOF1:73BCCEOF2:16200GFDLEOF1:78GFDLEOF2:12IPSLEOF1:81IPSLEOF2:11400d/6008001000-0.4图1BCC-CSM2-MR、G FD L-CM 4、IPSL-CM 6 A-LR3个模式垂直运动廓线的EOF分解得到的空间结构特征。星号线为第一模态，实线为第二模态Fig.1 The first two spatial pattern of the EOF analysis in the verticalvelocity profile from the BCC-CSM2-MR,GFDL-CM4 andIPSL-CM6A-LR.The lines with star denote the first mode andthe solid lines denote the second mode为了进一步解释EOF分解的物理含义,需要展示出EOF分解的前两个垂直空间模态在热带区域的水平分布特征。如图2 所示分别为BCC-CSM2-MR模式、GFDL-CM4模式和IPSL-CM6A-LR模式EOF分解投影到原数据得到的PC1、PC2 的平均空间分布(在7 d平均的基础上进一步对时间维度求平均）。由于各模式PC1与W5oo的图的整体相关系数为0.9 5（将二维空间展开为一维,计算相关系数），这就表明PC1提供的信息近似等同于50 0，代表垂直方向上的平均运动,这和EOF1的形状相洽。根据PC1和PC2的正负号,可以对垂直运动廓线进行分类。PC1和PC2异号，垂直运动廓线是“上轻气象科学下重”；PC1和PC2同号，垂直运动廓线是“上重下轻”。当PC1为正值时为整层下沉运动,PC1为负值时则为整层上升运动。当PC2为负值时，中层辐合,PC2为正值表示中层辐散。图2 与传统认知相符,热带深对流区如印太暖池和热带ITCZ区域为强上升运动，且西太平洋暖池为“上重下轻”，东太平洋ITCZ为上轻下重”。3.2参数方法基于EOF方法反应出的EOF1近似表征大气的整体上升或下沉，与通常用于描述气象要素垂直结构的正压模态，而EOF2则近似表征大气上下层相反的运动特点。EOF分解方法得出以上大气垂直运动特征计算过程十分繁琐，因此，我们使用本文方法中提到的一对更简单的参数和d（定义见公式（3）（4）来描述大气垂直运动廓线的总体特征。图3为3个模式的7 d平均和d的空间分布。将其分别与EOF分解求得的PC1和PC2（图2)进行比较。可以看到,和PC1、d 和PC2 的结果都呈现出较为一致的分布。为了更进一步定量的比较、da与PC1 和PC2,不同时间尺度的w、d o与对应EOF的主因子进行了比较。通过计算和d与经验正交分解的主因子的相关系数,PC1 和的相关系数为0.9 9 6（CFDL-CM4模式为0.9 9 7,IPSL-CM6A-LR模式为0.9 9 7）,PC2和do的相关系-0.2043卷0.2数为0.98 8(GFDL-CM4模式为0.98 2,IPSL-CM6A-LR模式为0.9 7 8）。这表明，与PC1，以及do与PC2,反映了类似的垂直运动结构特征,并且本文通过参数方法和经验正交分解的比较，给单纯的数学上的参数定义方法增加了其垂直空间上的细节信息。同时,可以看到,公式（3）、（4)在实际应用上基本可以等效于上述相对复杂的EOF组合,并且其计算简单，数学物理意义也更清晰。4垂直运动廓线与云和辐射的联系为了考察云量和辐射量与垂直运动廓线的关联,本文将大气层顶的各辐射量和云的数据合成到由描述垂直运动特征的d和构建的相空间中。类似YH08,本文将大气层顶的各辐射量和云的数据合成到由描述垂直运动特征的do和构建的相空间中，从而得到辐射量和云量与垂直运动廓线的关联（即在固定的d和范围内对目标物理量求平均，可以体现该物理量在某种垂直运动廓线形状下的平均量大小）。这里所有的物理量是基于30 d4期30N-1501530S30N-C1501530S30N-1501530S0306090120150E180150W120-120-90图2 3个模式2 0 0 92 0 14年的7 d平均PC1、PC2:(a、b)BCC-CSM 2-M R模式；(c、d)G FD L-CM 4模式；(e_f)IPSL-CM6A-LR模式(单位:hPad-)Fig.2 Three models for 2009-2014,7-day averaged PC1,PC2:(a,b)BCC-CSM2-MR;(c,d)GFDL-CM4;(e,f)IPSL-CM6A-LR(unit:hPad-)30N-(a)1501530S30N-1501530S30N1501530S0306090120150E180150W120-120-90-60-30图33个模式2 0 0 92 0 14年7 d平均、do空间分布，以550 hPa作为上下层分界：(a、b)BCC-CSM 2-M R模式;(c、d)CFD L-CM 4模式;(e.f)IPSL-CM6A-LR模式(单位:hPad-)Fig.3Three models 7-day averaged mean(2009-2014)map of,da,with 550 hPa as the upper and lower layer boundaries:的平均值进行合成后得到的值,直接将TOA辐射量的平均值合成到由d和的对应时间长度的平均值构建的相空间，在这种情况下能够反映垂直运动廓线和各物理量在较长的时间尺度上的依赖性。本文以西太平洋暖池地区（15S15N,10 0 16 0 E）韩波，等：大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例6030hPad-!-60-30906030hPad-l0306090(a,b)BCC-CSM2-MR;(c,d)GFDL-CM4;(e,f)IPSL-CM6A-LR(unit:hPad-l)5579060300306090120150E180150W1200300306090120150E180150W120-60-40-20020的合成结果为例进行分析说明。根据d 和的定义,可知第一象限对应的是“下重”的整层大气下沉运动，第二象限对应“上重”上升运动，第三象限对应“下重”上升运动，第四象限对应“上重”下沉运动。图4给出了各气候模式9060909060 30hPad-!406080558(ac)BCC-CSM2-MR模式；(df)GFDL-CM4模式；(gi)IPSL-CM6A-LR模式;（a、d、g）高云；（b、e、h)中云；（c、f、i)低云Fig.4 Relationship between different types of clouds and vertical motion profiles of(a-c)BCC-CSM2-MR model,(d-f)CFDL-CM4 model and(g-i)IPSL-CM6A-LR model(unit:%):(a,d,g)high cloud;(b,e,h)mid cloud;(c,f,i)low cloud大气层顶云量与垂直运动廓线特征的关系。3个模式的高云分布特征整体呈现相同的趋势，合成结果最明显的反差都出现在从第二象限到第四象限的对角方向（即从“上重”上升运动到“上重”下沉运动变化明显）。高云在“上重”上升区域为高值,在“上重”下沉区域为低值。从百分比来看,IPSL-CM6A-LR模式高云云量较另外两个模式小。3个模式中云云量分布差异较大，整体来看，在“下重”上升运动区域为高值,其他区域分布较少。低云云量没有表现出明显的垂直运动廓线相关，在“上重”上升区域较少。图5给出了各气候模式大气层顶辐射量与垂直运动廓线特征的关系。可以看到,OLR和TRS更多的依赖上升运动和下沉运动强度而不是其廓线形状,OLR和TRS的关系为负相关,OLR在“上重”下沉运动处是个明显的正值区,而TRS在该区域内为负值；与此同时，OLR在“上重”上升运动处是个明显的负值区,而TRS在该区域内为正值。这与云量气象科学%-3080-20-10102030-30(-20-100102030-30-20-10010203043卷%(b)1070866050%80604020%604020-5001412108624%17.53015.02512.52010.0157.5105.05%(h)25252020151510105550-50图4不同类型云和垂直运动廓线的关系（云量单位：%）：值上有细微差别。5结论本文利用经验正交分解方法对参加CMIP6的3个模式的垂直运动廓线进行特征分析，并基于经验正交分解的结果建立了一组简单参数来描述垂直运动廓线主体特征。最后将大气层顶的各辐射量和云的数据合成到由描述垂直运动特征的d和0的变化是一致的。OLR的变化幅度约为10 0Wm,TRS的变化幅度约为90 Wm,Net的变化幅度约为10 0 Wm。这是因为云的长波辐射和短波辐射效应在大气层顶相互抵消，从而导致进人的净辐射减小。对比3个模式，对外长波辐射的变化趋势基本一致,BCC-CSM2-MR模式和 GFDL-CM4模式对外短波辐射在整层大气上升区域表现为大值,IPSL-CM6A-LR模式在“下重”上升区域大值不明显净辐射强迫在“上重”上升区域表现为大值。整体上OLR和TRS3个模式表现一致，但在具体数50-500504期-30()OLR-20-10102030-30(DOLR-20-10102030-30OLR-20-10102030图5（ac)BCC-CSM2-MR模式(df)GFDL-CM4模式(gi)IPSL-CM6A-LR模式对外长波辐射OLR、对外短波辐射TRS和Fig.5 Relationship between different types of radiation and vertical motion profiles of(a-c)BCC-CSM2-MR model,构建的相空间中，分析了辐射量和云量与垂直运动廓线的关联性。CMIP6的3个模式的垂直运动廓线约9 0%的方差由前两个空间模态解释，其中第一个模态EOF1对应热带对流层大气的整体上升或下沉；第二个模态EOF2则对应一个由深厚的中层辐合辐散占主导的垂直运动廓线。本文定义了一对更为简洁的参数（、do），通过参数方法和经验正交分解的对比,指出这一对参数在实际应用上基本可以等效于上述相对复杂的EOF组合,并且这对参数定义方法计算简单，其数学物理意义也十分清晰，可以用于模式模拟结果中对于低纬度地区大气垂直运动总体结构特征的描述。使用参数和do构成的相空间,以CMIP63个模式中西太平洋区域为例，评估了气候模式中大气垂直运动廓线结构与云和大气层顶辐射量的关系。云和TOA辐射量的分布结构比较一致,这表明在长期过程中，目前的气候模式通过长期调试能够较好韩波，等：大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例Wm-2Wm-2280(6)TRS260240220Wm-22802602402202001180Wm-2300280260240220200180-500(d-f)GFDL-CM4 model and(g-i)IPSL-CM6A-LR model(unit:Wm-2)559Wm-21401201008060Wm-2()TRS16014012010080Wm-2(h)TRS1751501251007550-50净辐射Net与垂直运动廓线的关系（单位：Wm-2）(3):147-164.GU Zhenchao.Analytical calculation of large-range verticalmotion.Acta Meteorologica Sinica(in Chinese),1954,25(3):147-164.2阮征，李淘，金龙，等.大气垂直运动对雷达估测降水的影响，(c)Net(fNetiNet050地模拟深对流盛行区观测到的TOA辐射量和云的模拟。本文提出的参数和d构成的相空间方法可用于评估气候模式对云和辐射模拟的可靠性。本文评估的气候模式中大气垂直运动廓线结构与云和大气层顶辐射量的关系，此关系在不同时间尺度的验证有待进一步研究,利用构建相空间的方法对不同时间尺度的气垂直运动廓线结构与云和辐射关系还需进一步评估。另外,本文只以西太平洋地区为例分析了垂直运动与云和辐射的关系，今后还需要对更多区域进行探讨。参考文献1顾震潮.大范围垂直运动的分析计算。气象学报，1954，2 580604020Wm-210080604020Wm-2806040200-50050560应用气象学报，2 0 17，2 8（2）：2 0 0-2 0 8.RUAN Zheng,LI Tao,JIN Long,et al.Influence of vertical airmotion on the radar quantitative precipitation estimation.Journal ofApplied Meteorological Science(in Chinese),2017,28(2):200-208.3吴国雄，刘屹岷，任荣彩，等.定常态副热带高压与垂直运动的关系.气象学报，2 0 0 4，6 2（5）：58 7-597.WU Guoxiong,LIU Yimin,REN Rongcai,et al.Relation betweensubtropical anticyclone and vertical motion in steady state.ActaMeteorologica 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