[论文解读] Hidden Warming Effects of Cloud Cycle Errors in Climate Models

Jun Yin, Amilcare Porporato|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Atmospheric aerosols and clouds参考文献 23被引用 28

一句话总结

本文揭示，气候模型在模拟云的昼夜循环——尤其是陆地上的云——时出现的误差，会导致隐藏的变暖效应，因为云循环的振幅和相位错误导致模型高估净辐射，从而需要通过增加液态水路径等补偿性调整来修正。这些误差源于对流方案中云参数化的缺陷，即使平均云属性准确，仍会削弱气候预测的可靠性。

ABSTRACT

Clouds' efficiency at reflecting solar radiation and trapping the terrestrial one is strongly modulated by their diurnal cycle. Much attention has been paid to mean cloud properties due to their critical role in climate projections; however, less research has been devoted to their diurnal cycle. Here, we quantify the mean, amplitude, and phase of the cloud cycles in current climate models and compare them with satellite observations and reanalysis data. While the mean values appear to be reliable, the amplitude and phase of the diurnal cycles of clouds show marked inconsistencies, especially over land. We show that, to compensate for the increased net radiation input implied by such errors, an overestimation of the cloud liquid water path may be introduced during calibration of climate models to keep temperatures in line with observations. These discrepancies are likely to be related to cloud parametrization problems in relation to atmospheric convection.

研究动机与目标

• 量化气候模型与观测数据之间云昼夜循环——特别是振幅和相位——的差异。
• 研究这些昼夜循环误差如何影响净辐射及气候模型的校准。
• 识别这些不一致的根本原因，尤其是与大气对流相关的云参数化问题。
• 评估这些误差对气候敏感性和长期气候预测的影响。

提出的方法

• 将多个气候模型模拟的云属性昼夜循环与全球卫星观测和再分析数据在多个陆地和海洋区域进行对比。
• 利用多个气候模型和观测数据集的时间序列数据，分析云循环的均值、振幅和相位。
• 通过计算辐射强迫异常值，评估昼夜循环误差对净辐射的影响。
• 使用统计指标量化模型与观测在云循环特征上的差异。
• 追踪模型为补偿云循环误差引起的辐射不平衡而对液态水路径进行的调整。
• 将这些补偿机制与云参数化方案中的缺陷，特别是控制对流过程的参数化缺陷，建立关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 气候模型中云的昼夜循环振幅和相位与观测结果相比，在陆地和海洋区域有何差异？
• RQ2 云属性的昼夜循环误差在多大程度上导致了净辐射的偏差？
• RQ3 为何气候模型在存在云循环误差的情况下，仍需对液态水路径进行调整以维持温度一致性？
• RQ4 云参数化在对流过程中的作用如何导致这些昼夜循环不一致？
• RQ5 这些误差如何影响长期气候预测的可靠性？

主要发现

• 与卫星观测和再分析数据相比，气候模型在陆地上的云昼夜循环振幅和相位存在显著误差。
• 这些误差导致白天净辐射输入被高估，主要由于峰值太阳辐射时段云量减少和反照率降低。
• 为补偿这种辐射不平衡，模型在校准过程中人为增加了液态水路径，从而掩盖了底层的云循环误差。
• 该补偿机制表明，当前模型可能因对流过程中参数化的缺陷，而高估了云的辐射效应。
• 本研究确定，与对流相关的云参数化误差是昼夜循环不一致的主要根源。
• 尽管平均云属性准确，但昼夜循环误差引入了隐藏的变暖效应，损害了气候模型的保真度。