“中国典型地区云系结构与辐射气候效应研究”重大项目指南 日期:2015-7-31

    云覆盖了地球面积的60%左右,是天气和气候预测中最重要、但不确定性最大的组成部分。它不但极大地影响地气系统的辐射平衡,对水循环和能量循环也具有重要影响。在过去的二、三十年里,人们对温室气体气候效应的研究因长时间序列南极冰芯的获得而取得了相当大的进展,但对云的三维结构、云-辐射过程及其对大气环流的影响研究仍十分薄弱。云是所有气象要素中最难以描述的变量,在气候预测最主要的工具—全球气候模式(GCMs)中,云及相关过程不得不被参数化处理。而这种参数化算法的建立需要基于大量的云的宏、微观特性观测数据基础上对云结构、相关云物理和辐射过程的深入理解。如何得出符合我国典型地区典型云系特征的云的宏、微观及辐射特性关键参数,并应用于气候变化预测和天气预报中,是目前我国大气科学领域急需解决的问题。它既是当前全球变化影响与人类适应以及可持续发展的研究热点之一,又是国家发展与安全战略决策的重要需求,也是国家中长期科学和技术发展纲要中的重大前沿课题。

    针对我国典型云系的云-辐射相互作用及其对我国天气、气候影响开展专门研究,多学科联合攻关,获取云、辐射与天气、气候变化的本质联系并形成准确、系统的科学认识;通过认识云-辐射-大气环流的相互作用机制,了解气候变化的原因,提高气候变化的预测能力;进而探讨我国旱涝等极端天气灾害的成因,提高我国天气预报的水平,为国家防灾减灾、应对气候变化和环境外交提供科学依据。

    一、科学目标

    深入了解我国典型地区云系的宏、微观特性,包括辐射特性的三维空间分布特征,得出对这些地区的云-辐射过程机理的深入认识,凝练出云-辐射相互关系的参数化方案,应用于我国代表性地区的天气预报和气候变化预测模式。

    二、研究内容

    (一)基于飞机观测的云微物理结构研究。

    利用加装云微物理探测装置的飞机,直接入云进行有设计的飞行,获取云的滴谱分布、相态等特征参数,特别是不同云系的数浓度、液态水含量、冰晶与液态水混合相态区域的厚度、纯液态水的厚度、纯冰晶层的厚度等云的微观特征及立体分布,为精确计算典型云系的辐射特征提供第一手的资料,为遥感手段反演云的宏、微观特性提供对比验证。

    (二)利用空基和地基资料的云的宏、微观特性的综合研究。

    以华北地区为主要研究区域,综合利用多源卫星、地基遥感、高山观测和探空气球等观测数据,进行云的尺度、粒子有效半径、云滴谱、凝结核、冰核等云的宏观特性及微物理参数的同步连续观测研究;结合气象要素观测等资料,建立不同天气条件下云凝结核(CCN)浓度与云滴浓度的参数化关系;确定不同水汽条件下,气溶胶抑制或增加降水的临界活化阈值;研究云的垂直分布特征,观测、反演云和降水粒子相态、滴谱分布和云三维结构特征及其演变过程,建立云-辐射融合数据集;为建立具有垂直分辨率的云物理和辐射参数化方案提供足够样本数的数据支撑。研究不同云参数对辐射强迫的贡献;利用晴空和有云条件下辐射通量观测值,研究我国典型地区云的直接辐射强迫。

    (三)云物理和辐射过程及其参数化方法。

    综合运用(一)和(二)所述的观测数据,通过对不同季节典型地区、典型云系的云宏、微观和辐射特性三维结构的分析,研究云物理-辐射过程的机理和合理的表征方法,建立一个适用于中国典型地区、随时间和空间动态变化的云-辐射参数计算方案。

    (四)云物理-辐射过程数值模拟研究。

    将(三)中建立的云辐射参数化方案应用于区域天气和气候模式,模拟研究云-气溶胶-辐射过程对我国典型云系的影响,提高云辐射参数化方案对中国地区云的宏、微观和辐射特性的描述能力;模拟研究云-辐射参数化方案对区域天气、气候模式性能的影响;模拟研究东亚地区云辐射过程对东亚季风强度以及对我国旱涝空间格局转换的影响;模拟研究中国典型地区云-气溶胶的变化趋势、二者之间的相互作用机制以及对东亚气温长期变化趋势的可能影响。

    三、资助期限  5年(2016年1月至2020年12月)

    四、资助直接费用  1700万元

    五、申请注意事项     

    (一)申请书的附注说明选择“中国典型地区云系结构与辐射气候效应研究”(以上选择不准确或未选择的项目申请不予受理)。

    (二)本项目由地球科学部负责受理。

 

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