大气辐射传输过程是大气中的重要物理过程，通常可以分成晴空辐射传输和云的辐射传输两个部分，其中的难点是云-辐射相互作用。辐射传输过程的结果将改变大气中的热力状况，进而影响动力过程; 同时热力结构的改变还影响冻结、凝结、核化等云微物理过程，从而改变云的结构，反过来又改变辐射传输过程。云与辐射的相互作用通过辐射-对流机制来改变大气的运动状况，而对流的改变将增强或减弱地面降水。前人的研究表明，辐射与对流的相互影响主要有下面三个机制:(1) 晴空冷却^[1]，(2) 长波云顶冷却-云底加热^[2~4]与短波云顶加热^[5]，(3) 云与晴空间的不同辐射加热的二级影响^[6]。第一个机制通过增大相对湿度而增加降水; 第二个机制促进云内对流、增加云砧的生命时间但可能对降水没有很大的影响; 第三个机制将使对流过程得到维持^[7]。此外，不同的辐射传输过程还可能改变到达地面的辐射能量，这也会影响大气的对流运动，进而影响地面降水。

表 1列出了以前的一些辐射对地面降水的研究结果。长波辐射对地面降水的增强量是相对于无辐射，而长短波共同作用时的增量是相对于只有长波辐射时的量。由表 1我们可以发现，在大多数研究结果中长波辐射对地面降水起着增强的作用，而短波则起相反的作用，它使降水减少; 辐射对地面降水的影响是显著的，各个研究结果在这一点上有很好一致性。同时，也看出这些结果之间存在着较大的差异，这些差异有研究所选取的个例不同的原因，但不同辐射传输方案带来的差异也可能是显著的。Kay等^[8]的辐射传输方案对比研究结果表明，不同辐射传输方案的准确性有很大的差异。由表 1还可以看出，这些研究主要集中在二维的云和辐射的相互作用，而辐射与动力的结合研究、与其他物理过程的结合研究和三维问题的研究都很少，其原因有计算条件的限制，也因为三维和多个物理过程结合在一起后的复杂性。

表 1

表 1 辐射对降水作用的研究结果

表 1 辐射对降水作用的研究结果

近年来，国内也做了不少云辐射方面的工作，主要有大气辐射的机理研究^[9~13]、辐射的气候效应^[14~15]，以及辐射模式在气象中的应用^[16~17]。辐射对地面降水的影响见表 1，其中丁守国^[5]做过一些二维模式中云与辐射相互作用对降水影响的研究。实际上，三维模式中多个物理过程相结合更符合真实的天气过程，它的结果更具有实际的天气模拟和天气预报意义，因此，有必要探讨多个物理过程相结合情况下的三维辐射对地面降水的影响研究。

MM5中提供了5个辐射选项，分别是无辐射、简单冷却、云辐射^[1]、CCM2^[29]和RRTM^[30]辐射传输方案。无辐射方案中不考虑辐射变温率; 简单冷却方案为经验地用温度线性表示辐射变温率，这两个方案都不提供下向地表辐射通量; 后面三个方案向动力模式输出辐射变温率和下向长短波辐射通量，下面分别作简单介绍。

对短波，晴空时只考虑水汽的吸收，它用带太阳天顶角的水汽通道的函数 (Lacis等^[31]) 来计算; 散射均匀并与大气质量通路长度成正比 (考虑了太阳天顶角的影响)，并设定在一个大气条件下散射率为10 %。对有云大气，将所有的云和降水物都作为一种云，并设定一个空间格点内的云覆盖率为1或0，云的后向散射 (反照率) 和吸收采用μ(太阳天顶角余弦) 和ln (w/ μ)(w为垂直积分液态水路径，Stephens^[32]的理论结果) 的表列函数进行双线性内插。而对于长波，晴空水汽的吸收使用Stephens^[33]的宽带发射率方法，它使用了Rodgers^[34]发射率函数，通过减小长波发射能量实现，其结果在晴空时有最大20W·m^-2的误差。云水的吸收采用Stephens^[32]方案，向上和向下的吸收系数为相差很小的常数，冰晶、雨滴和雪也采用类似的方法，只是吸收系数的取值或计算方法不同，对非灰的二氧化碳用Stephens^[33]给出的重叠 (overlap) 技术处理。

处理短波时，晴空中考虑的吸收气体有臭氧、水汽和二氧化碳，并且分波段独立计算; 垂直方向上，将大气分为两层，上层只考虑臭氧，下层考虑除云以外的所有物质的吸收和散射。云分为水云和冰云两类，水云和冰云的光学特性 (消光厚度、单散射反照率、非对称因子和前向散射) 分别计算，其值为液态水 (冰水) 路径和有效半径的函数。CCM2中还考虑了部分云和云遮盖的影响，它用云覆盖率的3/2次方与消光厚度的乘积作为新的消光厚度。求解辐射通量时，CCM2采用δ-Eddington^[35]近似方法。处理长波时，晴空的二氧化碳和臭氧采用带吸收率技术; 水汽和其他气体的吸收率和发射率采用Ramanathan等^[36]的方法计算。用有效云量的方法来计算每一模式层云的发射率，使用宽带发射率系数 (它由液态水路径LWP决定，是LWP的负指数函数)。

RRTM是AER公司^[30]提供的具有更高精度和效率的长波辐射传输方案。方案中考虑的气体有H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CH₄、CCl₄和CFC-11、CFC-12、CFC-22，还考虑了水汽的连续吸收带。使用相关-k分布方法计算气体的详细吸收谱的影响。MM5引入时考虑的吸收气体只有H₂O、CO₂和O₃，水物质的处理和云辐射传输方案类似; 短波辐射计算使用云辐射传输方案中的短波方案。

基于Liou等^[37]的δ-4流近似辐射传输参数化方法和Fu等^[38]非灰气体处理的相关-k分布方法，建立了比较完善的能够用于处理多种水物质光学特性^[5，39]的辐射传输方案，并将它耦合于MM5模式中。本辐射传输方案中考虑了H₂O、CO₂、O₃、N₂O、CH₄共5种吸收气体; 水物质考虑了云水、冰晶、雨水和霰4种; 在云水和冰晶的处理中引入了有效半径方法计算它们的单散射特性。在将辐射传输方案耦合进入MM5中尺度模式时，假设CO₂、CH₄和N₂O在大气中均匀分布，其体积分数分别为330 ×10^-6、1.6 ×10^-6和0.28×10^-6; O₃浓度水平均匀且有垂直变化，采用MM5中原有的浓度垂直分布规律，详见文献[29]; 水汽、云水、冰晶、雨水和霰5种物质的浓度采用详细云微物理方案的实时预报结果。

相比MM5原有的辐射传输方案，该方案有下列特点:①长短波都使用计算精度高的δ-4流近似，使计算结果更准确。Kay等^[8]的研究结果表明，δ-4流近似辐射传输方案在计算辐射通量时的准确性非常好，它与DISORT 32流结果的误差可以忽略。②考虑了更多种类的吸收气体，气体增加到了5种。③采用相关-k分布的非灰气体处理方法。Fu等^[40]用逐线积分的方法检验了这种参数化方法的精度，结果表明变温率误差小于0.05 K·d^-1，辐射通量误差小于1 W·m^-2。④使用详细的水物质处理方法，特别是对云水 (液态云) 处理，有利于水物质辐射传输过程处理的完善和与详细微物理过程的耦合。

本文选择1998年6月8日华南暴雨作为研究的对象。MM5的输入资料来自广州区域气象中心TLAPS (Tropical Limited Area Assimilation and Prediction System) 模式完成的水平1°×1°、垂直11层、时间间隔6h的格点资料，它由华南暴雨试验和南海季风试验所得加密观测资料以及香港、澳门、台湾的资料同化而成，其内容包括了地面、探空、雷达和卫星的观测结果。作为模拟结果的对比基准，本文选择地面观测资料，区域内的站点分布如图 1所示，其中站点A无降水资料。

图 1

图 1. 地面观测站分布

选择MM5非静力模式进行模拟，动力时间步长取60 s, 辐射步长为20 min。模拟时间为1998年6月8日12:00至9日12:00(世界时，下同)，共24h。模拟过程中，物理方案选择如下:CAMS微物理过程方案、Bet ts/Miller对流参数化方案、MRF边界层方案、多层热扩散土壤方案。其中CAMS微物理过程方案是由中国气象科学研究院楼小凤等发展的，该方案包括云水、雨水、冰晶、雪和霰5种水物质，考虑了31个微物理过程，共11个预报量，详见文献[41]。可供选择的辐射传输方案包括:①无辐射方案 (NoRad); ②简单冷却方案 (SimpleRad); ③云辐射传输方案 (CLDRad); ④ CCM2辐射传输方案 (CCM2Rad); ⑤新建立的辐射传输方案 (NewRad)。没有选择RRTM辐射传输方案的原因是它除气体外与云辐射传输方案相同，在降水比较中意义不大，这点可以从后面的结论中得到验证。

模拟结果和观测的24h降水分别如图 2所示。观测结果表明，此次降水的地理分布呈东北—西南走向，西南部的降水较强，形成了广西梧州和珠江三角洲两个强的降水中心和福建、江西的交界附近的一个相对弱的降水区。整体上，模拟结果在降水的地理分布上差异很小，都表现出了3个降水中心，但其数值和位置与观测有一定的差异。对于地理分布，各个模拟结果的差异主要在位于福建的一个狭长的东北—西南带状区域内，反映出有辐射传输过程存在时模拟结果的降水面积要略小一些; 对照观测结果，新建辐射传输方案的结果在该区域内最好 (图 2e)。对于梧州降水中心，各个模拟结果在降水范围上都和观测很接近，但降水的中心强度有较大的差别，观测结果的中心值是120 mm, 云辐射传输方案 (图 2c)、CCM2辐射传输方案 (图 2d) 和新建辐射传输方案 (图 2e) 都比较准确地预报出来了 (其中云辐射传输方案的结果偏大)，无辐射 (图 2a) 和简单冷却 (图 2b) 方案的结果则明显偏低，其差值约30 mm; 中心位置，云辐射传输方案、CCM2辐射传输方案和新建辐射传输方案都有一定的向北偏移，新辐射传输方案结果的偏移幅度相对小些。在珠江三角洲附近，观测结果是一个强降水中心，但模拟的结果都是从珠江三角洲延伸到海上的很大的降水区，覆盖面积要比观测大得多; 中心强度，云辐射传输方案和新建辐射传输方案结果的中心值与观测相当，均为175 mm, 另外3个方案都是150 mm, 偏小约25 mm; 中心位置，各方案的结果都略向西偏移。在27°N，118°E附近的福建和江西交界地区，观测结果有一个相对不太强的降水区，其值在60 mm左右; 各模拟结果中，无辐射、云辐射和CCM2辐射都有明显的偏大，中心值都超过了90 mm, 简单冷却方案和新建辐射传输方案也有极小的地区达到90 mm。值得注意的是在25°N，115°E附近地区，几乎所有的方案都模拟出了一个尺度很小的降水中心，位置非常接近，只是中心值有差别，而观测结果只是一个降水小于60 mm的区域。对于模拟出的这个虚假的降水中心，它并不是辐射传输过程导致的，这是因为所有的结果都偏高; 新建辐射传输方案的结果在数值上略高于云辐射传输方案而显著高于另外两个方案的可能原因是，水物质辐射特性计算结果的光学厚度偏低，造成云顶对太阳辐射吸收的减弱，短波加热作用减弱，并同时增大了透射到地表的辐射能量，对地面的加热作用增加，这两个方面都有利于对流的增强，从而导致降水偏多。因此，辐射对地面降水影响的机制研究，特别是其中的量化研究，还有待于进一步加强。

图 2

图 2. 24 h累积降水量模拟结果 (单位:mm)(a) 无辐射, (b) 简单冷却, (c) 云辐射, (d) CCM2辐射, (e) 新建辐射传输方案, (f) 观测结果

各个模拟结果之间的对比表明，辐射传输过程对降水的地理分布影响很小，而对降水的强度改变很大，对降水中心强度的改变尤其明显。图 2a~e中，梧州附近的降水中心的降水值依次为100、90、120、120、120 mm, 除简单辐射冷却方案外的有辐射存在时的结果比无辐射时高; 珠江三角洲的中心降水量在有辐射时的值都不低于无辐射时的值。这个结果和前人的研究结论有很好的一致性，如Chin^[21]模拟GATE飑线和辐射对降水的敏感性试验研究、Tao^[20]的热带 (EMEX) 和中纬度 (PRE-STORM) 飑线研究等均表明，辐射传输过程对飑线的整体结构没有显著影响，而只是对云砧有增强作用。

为了更好地比较辐射传输过程对地面降水量的整体/平均影响，我们定义某时刻t的区域积分总降水量式中，ρ_w、R_{i, j}、Δx和Δy分别表示液态水密度、一个网格在单位时间内的降水量、纬向和经向格距。从而可以得到从模拟开始到时刻t的时间积分 (累积) 降水量和时刻t的降水强度IQ=[Q (t)-Q(t₁)] /(t-t₁)，其中t₁为t的前一模拟输出时刻，若t为第一次输出，则Q(t₁) 和t₁均为0。由于很难从观测结果中获得区域的积分总量和强度，因此只在5个模拟结果之间进行比较，以探讨辐射的作用和不同辐射传输方案对降水影响的差异。

各个模拟结果在整个模拟区域内降水积分累积量的时间变化的趋势很一致 (图 3a)。从区域内累积降水量的时间变化的相互关系 (图 3b)，将不同模拟结果对无辐射结果偏差的标准化，可以看出辐射对降水影响在夜间和白天是不同的，它使夜间降水增加，白天降水减少; 不同模拟结果之间存在着明显差异，表明不同辐射传输方案模拟出辐射对降水的影响是不同的 (表 2)。这些结果在数值上与表 1中长短波同时存在时的值是相当的。除简单冷却方案外，各方案的结果都有明显的日变化，与Tao等^[20]和Sui等^[42]的结论一致。在模拟初始 (夜间) 阶段，各辐射传输方案间的变化规律比较相似，但2h后CCM2辐射传输方案的结果和另3个产生了较大的差异; 在日出前，云辐射传输方案和新建辐射传输方案非常一致，几乎看不出差异; 日出后 (积分约10 h)，云辐射、CCM2和新建辐射传输方案的结果反映出很明显的随着太阳高度变化的规律来，各个结果之间的差异比夜间增大。

图 3

图 3. 不同辐射传输方案降水量的比较 (a) 区域累积积分降水量Q, (b) 各辐射传输方案与无辐射方案Q差异百分率, (c) 区域积分降水强度IQ, (d) 各辐射传输方案与无辐射方案IQ的差异百分率

区域积分的降水强度 (图 3c) 和强度差异 (图 3d) 显示出和累积降水量相似的规律，并且表现得更明显，还表现出和太阳高度变化规律更好的一致性。相比于无辐射的结果，有辐射时的降水强度在夜间增大，在白天基本呈现出与太阳辐射能量相反的变化规律; 但不同的模拟结果在降水强度改变的数量上有明显的差异 (表 2)。这表明辐射的存在使得地面降水强度在白天明显降低而在夜间明显增强，因此太阳辐射的增强有使地面降水减弱的趋势，而长波辐射相反。结合图 3和表 2考察不同辐射传输方案反映出来的辐射作用大小，我们可以看出采用简单冷却方案、云辐射传输方案和新建辐射传输方案时模拟的辐射对降水的影响是相当的，CCM2辐射传输方案模拟的降水量比上述3个方案小，其值约为另3个方案的1/3。

表 2

表 2 各辐射传输方案积分结果与无辐射结果的最大差异

表 2 各辐射传输方案积分结果与无辐射结果的最大差异

总的来说，除简单冷却方案外的3个辐射传输方案都能够反映出太阳辐射对地面降水的日变化; 不同辐射传输方案结果之间的差异在夜间小于白天，表明辐射传输方案短波辐射的计算准确性对中尺度降水模拟的准确性起着更重要的作用。

在3.1的地面降水分布中，已经发现辐射对降水的作用在降水中心表现得比其他位置明显，因此在此考查不同辐射传输方案模拟结果中降水中心最大值的关系。选择梧州降水中心 (中心A)，区域 (23°~25°N，110°~112°E) 内; 珠江三角洲降水中心 (中心B)，区域 (20°~23°N，111°~114°E) 内两个降水中心。其结果分别见图 4a和图 4b。从时间上看，梧州中心为夜间降水而珠江三角洲中心在整个模拟期间内持续降水。

图 4

图 4. 降水中心地面累积降水量随时间变化 (a) 中心A, (b) 中心B

图 4a和图 4b的结果表明，降水中心的最大值有非常相似的时间变化规律，即不同辐射传输方案结果的时间变化是一致的，但图 4b中也反映出不同模拟结果之间的差异在白天 (积分约10h后) 要大于在夜间。图 4a中的最大值按方案设计顺序依次为154.4，165.8，188.4，169.6，161.5 mm, 云辐射传输方案的结果有较大的偏离; 图 4b依次为163.2，165.0，180.3，178.5，189.0 mm, 最大差异比中心A小，但从时间变化上看，各结果间白天的差异大于夜间。这说明各个方案对长波影响地面降水模拟比短波影响降水模拟在一致性上稍好。

在MM5中新建立了一个比MM5中原有的辐射传输方案对辐射传输过程描述更全面、更细致的具有更高辐射通量和辐射变温率计算准确度的辐射传输方案。通过新建辐射传输方案和MM5中原有的无辐射、简单冷却方案、云辐射传输方案和CCM2辐射传输方案对1998年6月8日12:00至6月9日12:00的华南暴雨模拟结果的地面降水对比，可以得到如下的结论:

辐射传输过程对地面降水有重要的作用，相对于无辐射，它能使累积地面降水在夜间增大，而在白天减少，使降水强度在夜间增加，在白天有明显的日变化; 对云辐射特性描述的准确性对地面降水过程的影响是明显的; 太阳辐射对地面降水的作用有明显的日变化，它的变化规律与太阳辐射强度的时间变化规律相反; 不同辐射传输方案对太阳辐射的计算准确度的差异大于对长波辐射计算的准确度，因此短波辐射的计算将是辐射传输方案中考虑的重点内容，并且它们之间的差异显示出建立详细而准确的辐射传输方案的必要性; 辐射传输过程对地面降水的地理分布影响很小; 它主要影响降水的强度，特别是降水中心的强度; 模拟结果和观测结果的对比表明，新建辐射传输方案的结果稍好于其他几个辐射传输方案的结果，但存在对虚假降水中心相对偏大的不足，因此仍有待于进一步提高，以增强它对地面降水的模拟能力。

总的来说，辐射传输过程对中尺度降水具有重要的作用，因此提高辐射传输方案的准确性对模拟中尺度降水是很必要的。新建辐射传输方案的模拟结果与观测符合性略好于MM5中原有的辐射传输方案的模拟结果，它在一定程度上提高了中尺度动力模式对地面降水的模拟能力。