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Advances in Studies of Cloud Overlap and Its Radiative Transfer in Climate Models

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Journal of Meteorological Research 2016年第2期30卷 156-168页

作者：张华荆现文 Laboratory for Climate Studies National Climate CenterChina Meteorological Administration Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters Nanjing University of Information Science & Technology

The latest advances in studies on the treatment of cloud overlap and its radiative transfer in global climate models are *** with respect to this internationally challenging problem are described from aspects such as the design of cloud overlap assumptions,the realization of cloud overlap assumptions within climate models,and the data and methods used to obtain consistent observations of cloud overlap structure and radiative transfer in overlapping *** date,there has been an appreciable level of achievement in studies on cloud overlap in climate models,demonstrated by the development of scientific assumptions（e.g.,e-folding overlap） to describe cloud overlap,the invention and broad application of the fast radiative transfer method for overlapped clouds（Monte Carlo Independent Column Approximation）,and the emergence of continuous 3D cloud satellite observation（e.g.,CloudSat/CALIPSO） and cloud-resolving models,which provide numerous data valuable for the exact description of cloud overlap structure in climate ***,present treatments of cloud overlap and its radiative transfer process are far from complete,and there remain many unsettled problems that need to be explored in the future.

关键词： cloud overlap climate model parameterization

Evaluating the Impacts of Cloud Microphysical and Overlap Parameters on Simulated Clouds in Global Climate Models

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Advances in Atmospheric Sciences 2022年第12期39卷 2172-2187,I0023,I0024页

作者： Haibo WANG Hua ZHANG Bing XIE xianwen jing jingyi HE Yi LIU Key Laboratory of Middle Atmosphere and Global Environment Observation Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijing 100029China State Key Laboratory of Severe Weather Chinese Academy of Meteorological SciencesBeijing 100081China University of Chinese Academy of Sciences Beijing 100049China Laboratory for Climate Studies National Climate CenterChina Meteorological AdministrationBeijing 100081China Department of Climate and Space Sciences and Engineering University of MichiganAnn Arbor 48109USA

The improvement of the accuracy of simulated cloud-related variables,such as the cloud fraction,in global climate models(GCMs)is still a challenging problem in climate *** this study,the influence of cloud microphysics schemes(one-moment versus two-moment schemes)and cloud overlap methods(observation-based versus a fixed vertical decorrelation length)on the simulated cloud fraction was assessed in the BCC_AGCM2.0_CUACE/*** with the fixed decorrelation length method,the observation-based approach produced a significantly improved cloud fraction both globally and for four representative *** utilization of a two-moment cloud microphysics scheme,on the other hand,notably improved the simulated cloud fraction compared with the one-moment scheme;specifically,the relative bias in the global mean total cloud fraction decreased by 42.9%–84.8%.Furthermore,the total cloud fraction bias decreased by 6.6%in the boreal winter(DJF)and 1.64%in the boreal summer(JJA).Cloud radiative forcing globally and in the four regions improved by 0.3%−1.2% and 0.2%−2.0%,***,our results showed that the interaction between clouds and climate through microphysical and radiation processes is a key contributor to simulation uncertainty.

关键词： cloud fraction cloud microphysics scheme cloud radiative forcing vertical cloud overlap

McICA云—辐射方案在国家气候中心全球气候模式中的应用与评估

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大气科学 2012年第5期36卷 945-958页

作者：荆现文张华中国气象科学研究院北京100081 中国科学院研究生院北京100049 中国气象局气候研究开放实验室国家气候中心北京100081

本文将一种新的、可以灵活给出云的次网格结构的蒙特卡洛独立气柱近似(McICA)云—辐射方案应用于国家气候中心全球气候模式BCC_AGCM2.0.1中;由于此方案会引入一定的随机误差,本文对随机误差的特征和对所模拟的气候场的影响进行了分析和... 详细信息

本文将一种新的、可以灵活给出云的次网格结构的蒙特卡洛独立气柱近似(McICA)云—辐射方案应用于国家气候中心全球气候模式BCC_AGCM2.0.1中;由于此方案会引入一定的随机误差,本文对随机误差的特征和对所模拟的气候场的影响进行了分析和评估。结果表明,McICA随机误差引起的模拟扰动很小,随机误差对所模拟的各种气候变量影响也很小,全球平均值与作为参考的精确独立气柱近似(ICA)计算的差别都在0.01%量级,模拟结果的纬向分布、垂直分布和典型区域内的分布等气候特征都基本上与ICA一致。因此,在国家气候中心全球气候模式BCC_AGCM2.0.1中应用McICA云—辐射方案具有较高的可信度,模拟性能的提升仍然主要取决于模式物理过程、动力框架等方面,而不受随机误差的影响。考虑到McICA方案下云和辐射过程是各自独立的,云的结构调整和辐射模式的改进都更为简便,为模式在未来的进一步改进提供了很大便利和发展空间。

关键词： McICA ICA 云-辐射方案气候模式

气候模式中云的垂直重叠及其辐射传输问题研究进展

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气象学报 2016年第1期74卷 103-113页

作者：张华荆现文国家气候中心中国气象局气候研究开放实验室北京100081 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044

概述了全球气候模式中云的垂直重叠的处理方法及其辐射物理过程的最新研究进展。从云垂直重叠模型的构造、模型在气候模式中的实现方式,得到与观测一致的云重叠结构所采用的数据和方法、重叠云的辐射传输等方面,给出了针对这一国际研究... 详细信息

概述了全球气候模式中云的垂直重叠的处理方法及其辐射物理过程的最新研究进展。从云垂直重叠模型的构造、模型在气候模式中的实现方式,得到与观测一致的云重叠结构所采用的数据和方法、重叠云的辐射传输等方面,给出了针对这一国际研究难点问题的最新研究进展。关于气候模式中云的垂直重叠问题的研究至今已取得了许多成果,表现在:重叠模型上有了更为科学的描述形式(如指数衰减重叠);重叠云的辐射传输也有了更快速的处理方法(如蒙特卡洛独立柱近似)并被广泛应用;连续的三维云遥感观测(如CloudSat/CALIPSO)和云分辨尺度的三维云模式的发展为在气候模式中精确描述云的垂直结构提供了丰富的观测资料和模式数据。但是,气候模式中现有的云重叠结构处理及其辐射传输方法还远不够完善,仍然存在很多没有解决的问题需要在未来进行探索。

关键词：云重叠气候模式参数化

气候模式中云的垂直重叠假定对模拟的地-气辐射的影响研究

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大气科学 2010年第3期34卷 520-532页

作者：张华荆现文中国气象局气候研究开放实验室国家气候中心中国气象科学研究院

本文将一种新的可以模拟云的多种垂直重叠假定的随机次网格云产生器(SCG)放入NCAR/CAM3气候模式中,利用该产生器得到云的四种垂直重叠结构,即最大重叠(MO)、随机重叠(RO)、最大-随机重叠(MRO)以及近年来发展的一般重叠(GenO),并以GenO... 详细信息

本文将一种新的可以模拟云的多种垂直重叠假定的随机次网格云产生器(SCG)放入NCAR/CAM3气候模式中,利用该产生器得到云的四种垂直重叠结构,即最大重叠(MO)、随机重叠(RO)、最大-随机重叠(MRO)以及近年来发展的一般重叠(GenO),并以GenO为参照研究了这四种云的重叠结构对模拟的地-气辐射的影响,为气候模式中云的次网格结构选择提供一定的依据。结果表明,MRO、MO和RO总云量分别与Ge-nO总云量(全球平均0.64左右)偏差约-0.012、-0.034和0.026,其中MRO最接近GenO。不同重叠假定对地面接收到的短波辐射通量(DSR)的改变显著,在热带对流区达到16W/m2以上,相当于GenO下该地区相应量的8%～12%,通过了95%信度检验;在中高纬度低云量大的地区也达到4～8W/m2。不同重叠假定对大气顶出射长波辐射(OLR)的改变比其对短波辐射通量的改变小得多,在热带对流区有极大值3～4W/m2。不同的云重叠结构的大气加热率垂直廓线不同,从而影响大气热力结构,其中长波加热率差值(最大约0.1～0.26K/d)比短波加热率差值(最大约0.01～0.025K/d)几乎大一个量级,因此,长波加热率的变化是影响大气热力层结的主要因素。云重叠假定影响地面和大气顶云辐射强迫,并通过柱辐射强迫使得整层气柱的能量收支发生变化,不同纬度变化趋势也不同,从而系统性地改变地-气系统能量在各纬度地区的分配,影响所模拟的气候系统的演变。

关键词：云垂直重叠全球气候模式随机云产生器

Radiative forcing and climate response due to the presence of black carbon in cloud droplets

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Radiative forcing and climate response due to the presence o...

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

第八届全国优秀青年气象科技工作者学术研讨会

作者： Zhili Wang Hua Zhang Jiangnan Li xianwen jing Peng Lu Chinese Academy of Meteorological Sciences Laboratory for Climate Studies National Climate Center China Meteorological Administration

[1]Optical properties of clouds containing black carbon（BC）particles in their water droplets are calculated by using the Maxwell Garnett mixing rule and Mie *** obtained cloud optical properties were then applied to an interactive system by coupling an aerosol model with a General Circulation *** system is used to investigate the radiative forcing and the equilibrium climate response due to BC in cloud *** simulated global annual mean radiative forcing at the top of the atmosphere due to the BC in cloud droplets is found to be 0.086 W m *** radiative forcing can be seen in Africa,South America,East and South Asia,and West Europe,with a maximum value of1.5 W m 2being observed in these *** enhanced cloud absorption is shown to increase the global annual mean values of solar heating rate,water vapor,and temperature,but to decrease the global annual mean cloud ***,the global annual mean surface temperature is shown to increase by+0.08 *** local maximum changes are found to be as low as 1.5 K and as high as+0.6 *** show there has been a significant difference in surface temperature change in the Southern and Northern Hemisphere（+0.19 K and 0.04 K,respectively）.Our results show that this interhemispheric asymmetry in surface temperature change could cause a corresponding change in atmospheric dynamics and *** is also found that the northern trade winds are enhanced in the Intertropical Convergence Zone（ITCZ）.This results in northerly surface wind anomalies which cross the equator to converge with the enhanced southern trade winds in the tropics of Southern *** is shown to lead to an increase（a decrease）of vertical ascending motion and precipitation on the south（north）side of the equator,which could induce a southward shift in the tropical rainfall maximum related to the ITCZ.

关键词：

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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大气科学 2015年第1期39卷 137-144页

作者：张华卢鹏荆现文中国气象局气候研究开放实验室/国家气候中心北京100081 南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 江苏省气候中心南京210008

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四... 详细信息

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 h Pa到地表之间的低层大气以及50 h Pa到100 h Pa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。

关键词：四流球谐函数辐射传输方案辐射通量加热率冷偏差

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分组自注意力机制的多层级三维点云分类方法

计算机工程与应用 2023年第24期59卷 259-267页

作者：何春秀荆现文何永宁湖北师范大学城市与环境学院湖北黄石435002 广西壮族自治区自然资源信息中心南宁530021

针对大规模城市场景点云数据体量大、噪声多等导致的点云分类模型难以训练、模型分类准确率低等问题,设计了一种多层级分组自注意力机制的点云分类模型。该模型在数据采样阶段,设计了一种自适应随机采样算法,可以有效解决模型因点云数... 详细信息

针对大规模城市场景点云数据体量大、噪声多等导致的点云分类模型难以训练、模型分类准确率低等问题,设计了一种多层级分组自注意力机制的点云分类模型。该模型在数据采样阶段,设计了一种自适应随机采样算法,可以有效解决模型因点云数据量庞大而加载困难的问题;将采样输入的点云数据划分为三个层级,分层级可以扩大点云特征数据的覆盖范围,三个层级分别将点云数据分为16、9、4组,分组可以减少自注意力机制的计算复杂度;进入一个跳跃连接模块,将丢失的低维度特征信息重新利用,从而更好地提高模型分类精度。在SensatUrban数据集上进行实验,结果表明,采样算法相较于最远点采样算法在mIoU指标上提升了0.43个百分点,该模型比同样采用自注意力机制的PCT模型以及经典的PointNet++模型在mIoU指标上分别提升了3.12、8.17个百分点。

关键词：计算机视觉三维图像处理点云分割随机采样自注意力机制

气候模式中云的次网格结构对全球辐射影响的研究

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气象学报 2009年第6期67卷 1058-1068页

作者：荆现文张华郭品文中国气象科学研究院北京100081 中国气象局气候研究开放实验室国家气候中心北京100081 中国气象局气候研究开放实验室国家气候中心北京100081 南京信息工程大学大气科学学院南京210044

利用一种用于大尺度天气、气候模式的随机云产生器(SCG)和独立气柱近似(ICA)辐射算法,研究了次网格云的水平结构以及垂直重叠结构对全球辐射场的影响。比较了水平非均匀云(IHCLD)和水平均匀云(HCLD)的辐射场差异以及云的最大-随机重叠(M... 详细信息

利用一种用于大尺度天气、气候模式的随机云产生器(SCG)和独立气柱近似(ICA)辐射算法,研究了次网格云的水平结构以及垂直重叠结构对全球辐射场的影响。比较了水平非均匀云(IHCLD)和水平均匀云(HCLD)的辐射场差异以及云的最大-随机重叠(MRO)和一般重叠(GenO)的辐射场差异。结果显示,与HCLD相比,IHCLD一方面可增加地面净短波辐射通量,纬向平均最大值(约1 W/m^2)和次大值(约0.6 W/m^2)分别位于高纬度低云密集地区和对流旺盛的热带地区;另一方面可增加大气顶的净长波辐射通量,纬向平均最大值(0.3 W/m^2)出现在热带地区。不同的重叠结构对短波和长波辐射收支也有很大的影响,MRO和GenO的短波辐射通量差异在热带辐合带最大,达到30—40 W/m^2,在高纬度低云带的纬向平均也可达到5 W/m^2左右;长波辐射通量差异具有相似的地区分布,但量值相对较小。不同重叠结构可以造成大气上下层的辐射加热率差异,影响大气热力层结。云的水平和垂直结构对有云区域辐射收支的影响将改变大气热力、动力状况以及水汽条件,从而影响模拟的气候系统的演变。文中采用单向云-辐射计算,排除了与气候系统其他过程复杂的相互作用,从而使其结果具有一定的普适性,可为不同大尺度模式进行次网格云辐射参数化提供参考。

关键词：大尺度模式随机云产生器云水平结构云垂直重叠辐射通量