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不同云种类地表云短波辐射效应的主控因子及其不确定性研究——以美国南部大平原地区中心观测站为例
1
作者
刘唯佳
韩永翔
+1 位作者
周鑫
李嘉欣
《大气科学学报》
北大核心
2025年第5期736-751,共16页
地表的云短波辐射效应(shortwave cloud radiative effect,F_(CRE))在气候变化中扮演关键角色,但在不同的云种类下具有很大的不确定性且其主控因子不明。本文利用美国南部大平原中心站14年15 min分辨率的云种类和同期地表短波辐照度等...
地表的云短波辐射效应(shortwave cloud radiative effect,F_(CRE))在气候变化中扮演关键角色,但在不同的云种类下具有很大的不确定性且其主控因子不明。本文利用美国南部大平原中心站14年15 min分辨率的云种类和同期地表短波辐照度等观测资料,分析了8种云(淡积云Cu、层云St、高积云Ac、高层云As、卷层云Cs、卷云Ci、浓积云Co、深对流云Dc)的F_(CRE)特征及其影响因素,引入云相对辐射效应(relative F_(CRE),F_(RCRE))参量,结合XGBoost及SHAP模型揭示了不同云种类下两种云辐射效应指标的差异及主控因子,并评估了二者的不确定性。结果表明:1)虽然8种云的F_(CRE)强度总体上与云量、云反照率呈正相关关系,与天顶角呈反相关关系,但其细节却显示不同云种类的云参量与F_(CRE)存在复杂的非线性关系。2)在95%置信区间内,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci的F_(CRE)波幅为-350~206 W·m^(-2),云量和反照率双高的Co和Dc为-1172~289 W·m^(-2),其他具有中等云属性的St、Cs和As为-926~371 W·m^(-2),这表明不同云种类的F_(CRE)不确定性很大。F_(CRE)受云参量、辐射参量和天顶角的影响,其主控因子达5~6个,且因子不一是其不确定性大的重要原因。3)引入的F_(RCRE)本质上同F_(CRE)所反映的云辐射特征一致,但其主控因子仅稳定剩下云量、云反照率和直接辐照度3个,分离了天顶角对它的影响。8种云的F_(RCRE)较F_(CRE)的不确定性降低了2.6%~66.0%,平均下降了10.7%,其中强对流性云Co和Dc下降最为显著。4)对于云量和云反照率双高的Co和Dc,云反照率对F_(RCRE)的调制作用更为显著,反之,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci,云量的调制作用更加显著。该研究为深入理解云-辐射相互作用、降低气候模拟中云辐射效应的不确定性提供了新的思路。
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关键词
短波云辐射效应
云
种类
主控因子
不确定性分析
可解释性机器学习模型
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题名
不同云种类地表云短波辐射效应的主控因子及其不确定性研究——以美国南部大平原地区中心观测站为例
1
作者
刘唯佳
韩永翔
周鑫
李嘉欣
机构
杭州市气象局
南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室/气象灾害预报预警与评估协同创新中心
康奈尔大学
出处
《大气科学学报》
北大核心
2025年第5期736-751,共16页
基金
中国博士后基金项目(2024M751475)
浙江省自然科学基金项目(LQ23D050001)。
文摘
地表的云短波辐射效应(shortwave cloud radiative effect,F_(CRE))在气候变化中扮演关键角色,但在不同的云种类下具有很大的不确定性且其主控因子不明。本文利用美国南部大平原中心站14年15 min分辨率的云种类和同期地表短波辐照度等观测资料,分析了8种云(淡积云Cu、层云St、高积云Ac、高层云As、卷层云Cs、卷云Ci、浓积云Co、深对流云Dc)的F_(CRE)特征及其影响因素,引入云相对辐射效应(relative F_(CRE),F_(RCRE))参量,结合XGBoost及SHAP模型揭示了不同云种类下两种云辐射效应指标的差异及主控因子,并评估了二者的不确定性。结果表明:1)虽然8种云的F_(CRE)强度总体上与云量、云反照率呈正相关关系,与天顶角呈反相关关系,但其细节却显示不同云种类的云参量与F_(CRE)存在复杂的非线性关系。2)在95%置信区间内,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci的F_(CRE)波幅为-350~206 W·m^(-2),云量和反照率双高的Co和Dc为-1172~289 W·m^(-2),其他具有中等云属性的St、Cs和As为-926~371 W·m^(-2),这表明不同云种类的F_(CRE)不确定性很大。F_(CRE)受云参量、辐射参量和天顶角的影响,其主控因子达5~6个,且因子不一是其不确定性大的重要原因。3)引入的F_(RCRE)本质上同F_(CRE)所反映的云辐射特征一致,但其主控因子仅稳定剩下云量、云反照率和直接辐照度3个,分离了天顶角对它的影响。8种云的F_(RCRE)较F_(CRE)的不确定性降低了2.6%~66.0%,平均下降了10.7%,其中强对流性云Co和Dc下降最为显著。4)对于云量和云反照率双高的Co和Dc,云反照率对F_(RCRE)的调制作用更为显著,反之,云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci,云量的调制作用更加显著。该研究为深入理解云-辐射相互作用、降低气候模拟中云辐射效应的不确定性提供了新的思路。
关键词
短波云辐射效应
云
种类
主控因子
不确定性分析
可解释性机器学习模型
Keywords
shortwave cloud radiative effect
cloud type classification
dominant factors
uncertainty analysis
interpretable machine learning model
分类号
P422 [天文地球—大气科学及气象学]
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1
不同云种类地表云短波辐射效应的主控因子及其不确定性研究——以美国南部大平原地区中心观测站为例
刘唯佳
韩永翔
周鑫
李嘉欣
《大气科学学报》
北大核心
2025
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