郜倩倩 劉 煜 郭增元 彭艷玉

1.中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

2.中國(guó)氣象局大氣化學(xué)重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

3.國(guó)家氣候中心氣候研究開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京，100081

1.State Key Laboratory of Severe Weather，Chinese Academy of Meteorological Sciences，Beijing 100081，China

2.Key Laboratory of Atmospheric Chemistry，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China

3.Laboratory for Climate Studies，National Climate Centre，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China

1 引 言

氣溶膠通常是指大氣中懸浮的液態(tài)、固態(tài)顆粒物的總稱，包括自然和人為兩種來(lái)源，對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量、人體健康、區(qū)域及全球氣候有著重要影響（宋佳琨等，2021）。氣溶膠可通過(guò)直接和間接效應(yīng)影響地-氣系統(tǒng)的輻射平衡，進(jìn)而影響氣候。其中，間接氣候效應(yīng)分為兩類：（1）氣溶膠作為云凝結(jié)核會(huì)提高云滴數(shù)濃度，在云水含量一定的情況下減小云滴尺度，增加云反照率，稱為第一間接效應(yīng)（Twomey，1977）；（2）云滴尺度的減小會(huì)改變?cè)莆⑽锢磉^(guò)程，尤其是降低云滴向雨滴的自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程，進(jìn)而影響云的生命期與降水，稱為氣溶膠的第二間接效應(yīng)（Albrecht，1989）。 間接效應(yīng)在氣溶膠的氣候效應(yīng)中起著主要作用，是理解與預(yù)測(cè)氣候變化不確定性的關(guān)鍵，盡管在過(guò)去幾十年里受到很多的關(guān)注與探索（Ramanathan，et al，2001；Lohmann，et al，2005），但由于氣溶膠與云相互作用的復(fù)雜機(jī)制，目前仍存在很大的不確定性，需要進(jìn)一步研究以減小不確定性。

氣候模式可以模擬當(dāng)前氣候并預(yù)估未來(lái)的氣候變化，是研究氣溶膠氣候效應(yīng)的重要工具，能夠模擬氣溶膠的自身演化及其對(duì)云的影響（史湘軍，2020；周佰銓，2021）。一些研究考慮和探究了氣溶膠與云相互作用的多個(gè)角度，目的是減小不確定性。如考慮不同的氣溶膠活化參數(shù)化方案（Chuang，et al，2012），云滴到雨滴自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程的參數(shù)化方案、云滴譜相對(duì)離散度的計(jì)算方案（Michibata，et al，2015；Chandrakar，et al，2018；Wang Y，et al，2019；Wang M Q，et al，2020）。另外，模式的分辨率作為影響數(shù)值模擬的重要因素，也會(huì)對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)模擬有重要的影響，值得重點(diǎn)關(guān)注。

隨著計(jì)算能力的提升，氣候模式可以在更高的分辨率下運(yùn)行，從而可以提供區(qū)域甚至局地的氣候特征。已有相關(guān)研究成果表明，精細(xì)的分辨率可以改善模擬結(jié)果的一些方面，如高分辨率的全球氣候模型能夠獲得更逼真的大尺度大氣環(huán)流以及全球和區(qū)域降水分布（Hack，et al，2006；Demory，et al，2014）。Bacmeister 等（2014）在兩種分辨率（0.25°和1°）下運(yùn)行公共大氣模型CAM4 和CAM5 探究分辨率對(duì)氣候模擬的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高分辨率的模擬主要在地形效應(yīng)較強(qiáng)的地區(qū)有所改進(jìn)，如夏季印度季風(fēng)的模擬水平顯著提高，此外還能得到更真實(shí)的熱帶氣旋分布。Li 等（2015）利用公共大氣模式CAM5.1 在2.8°、1.1°和0.45°三種分辨率下進(jìn)行了長(zhǎng)期數(shù)值模擬試驗(yàn)，研究水平分辨率對(duì)東亞地區(qū)降水氣候特征模擬的影響，結(jié)果顯示年平均降水量空間分布的模擬水平隨分辨率的提高顯著改善，在高分辨率下青藏高原和高海拔山脈周?chē)涤攴植嫉哪M結(jié)果與觀測(cè)更接近。這些研究結(jié)果證明水平分辨率在氣候模式模擬中的重要性。

近年來(lái)，關(guān)于模式分辨率對(duì)氣溶膠與云相互作用模擬中的影響逐漸被關(guān)注。Ma 等（2015）利用CAM5 在水平分辨率分別為2°、1°、0.5°和0.25°的4 種情況下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比于2°分辨率的模擬結(jié)果，0.25°分辨率模擬產(chǎn)生的北半球年平均氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫降低了大約1 W/m2（30%），全球年平均氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫降低了0.26 W/m2（15%），該研究將氣溶膠間接效應(yīng)對(duì)分辨率的敏感性歸因于云滴核化與降水參數(shù)化。也有一些研究基于天氣模型來(lái)探索分辨率對(duì)模擬結(jié)果的影響。Lee 等（2017）使用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模型探究不同分辨率（0.5、15、35 km）和不同云微物理方案（Bin 方案與Morrison 雙參數(shù)方案）對(duì)云、降水以及二者相互作用的影響，結(jié)果表明低分辨率會(huì)低估上升氣流以及云水路徑、蒸發(fā)率、凝結(jié)率等與云有關(guān)的變量，同時(shí)降低這些變量對(duì)氣溶膠濃度上升的敏感性，并且發(fā)現(xiàn)由不同分辨率引起的云相關(guān)變量的差異遠(yuǎn)大于由不同微物理方案引起的差異，因此認(rèn)為在數(shù)值天氣模式中，氣溶膠與云相互作用的不確定性與模式分辨率的關(guān)系更密切。在最新的一項(xiàng)研究中，Glotfelty 等（2020）使用數(shù)值天氣模式WRF-ACI 探索氣溶膠與云相互作用的尺度依賴性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氣溶膠的第二間接效應(yīng)會(huì)隨模式分辨率的提高而減弱，因?yàn)榕c吸積率（雨滴收集云滴的過(guò)程）相比，云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率的相對(duì)重要性會(huì)隨分辨率的提高而減弱。綜合上述研究可以發(fā)現(xiàn)，模式分辨率對(duì)氣溶膠與云的相互作用具有一定的影響。不同的模式關(guān)注不同的角度：氣候模式的相關(guān)研究側(cè)重分析全球范圍內(nèi)氣溶膠間接氣候效應(yīng)對(duì)不同分辨率的響應(yīng)，重點(diǎn)關(guān)注輻射強(qiáng)迫等物理量；而數(shù)值天氣模式的相關(guān)研究則主要針對(duì)天氣過(guò)程，側(cè)重分析在不同分辨率下，氣溶膠濃度升高引起局地的降水、云以及相關(guān)微物理過(guò)程的變化。

總體而言，有關(guān)模式分辨率對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)影響的研究相對(duì)較少，仍需要更多的探索。Ma 等（2015）的數(shù)值模擬試驗(yàn)中采用實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)、溫度、表面濕熱通量，固定氣象場(chǎng)，只考慮云的變化，未考慮氣象要素與云的相互作用，該研究對(duì)氣溶膠間接氣候效應(yīng)的估計(jì)存在一定的偏差。本研究嘗試?yán)霉驳厍蛳到y(tǒng)模式（CESM1.2.1）的大氣模塊CAM5.3（Community Atmosphere Model，V5.3）分別在3 種不同的分辨率下（2°、1°、0.5°）進(jìn)行模擬試驗(yàn)，考慮氣象場(chǎng)的影響，從長(zhǎng)時(shí)期的氣候態(tài)試驗(yàn)結(jié)果中研究與氣溶膠和云相互作用有關(guān)的云微觀、宏觀物理量、降水和輻射強(qiáng)迫等的變化，更全面地分析氣候模式分辨率對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)模擬的影響，以期降低氣溶膠氣候效應(yīng)模擬的不確定性，為未來(lái)氣候模式的發(fā)展提供幫助。

2 模式簡(jiǎn)介和資料

2.1 模式介紹與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用的氣候模式為CAM5.3，是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）開(kāi)發(fā)的公共地球系統(tǒng)模式（CESM1.2.1）的大氣部分。氣溶膠模塊為三模態(tài)版本（MAM3），這個(gè)模塊可以動(dòng)態(tài)計(jì)算硫酸鹽、黑碳、一次與二次有機(jī)氣溶膠、沙塵和海鹽在大氣中的光學(xué)屬性和化學(xué)過(guò)程（Liu，et al，2012）。氣溶膠粒徑分為3個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)分布模態(tài)，分別是愛(ài)根核模態(tài)、積聚模態(tài)和粗模態(tài)。每個(gè)氣溶膠模態(tài)中分別計(jì)算不同氣溶膠的質(zhì)量混合比和數(shù)濃度，并假設(shè)不同氣溶膠模態(tài)間為外部混合，同一模態(tài)為內(nèi)部混合。長(zhǎng)波和短波輻射程序是基于Iacono 等（2008）為氣候模式開(kāi)發(fā)的快速輻射傳輸模型。云微物理方案采用Morrison 等（2008）提出的雙參數(shù)方案，該方案預(yù)報(bào)云滴、云冰、雨滴和雪4 種水成物的數(shù)濃度與混合比，并包含碰并、蒸發(fā)凝結(jié)、凍結(jié)融化、沉降、云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化等多種微物理過(guò)程。云滴在氣溶膠上的活化是根據(jù)微物理過(guò)程，并考慮亞網(wǎng)格的垂直速度（郭增元等，2017）。

試驗(yàn)使用有限體積動(dòng)力核，從表面到2.255 hPa垂直分為30 層，采用固定的氣候態(tài)月平均海溫與海冰數(shù)據(jù)，二氧化碳濃度設(shè)為367 ×10?6。數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，分別在3 種分辨率（2°、1°、0.5°）下進(jìn)行。每種分辨率設(shè)計(jì)兩類試驗(yàn)，第一類采用政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)第五次評(píng)估報(bào)告（ IPCC AR5）1850 年 氣 溶 膠 排 放 源 資 料（ PI） （ Lamarque，et al，2010），第二類采用IPCC AR5 2000 年氣溶膠排放源資料（PD），兩類試驗(yàn)的差值代表人為氣溶膠濃度升高造成的影響。除了分辨率之外，沒(méi)有改變模式的其他設(shè)置，以便區(qū)分分辨率對(duì)模擬結(jié)果的影響。 PI 和 PD 模擬試驗(yàn)的運(yùn)行時(shí)間均為 15 a，取后10 年的結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Numerical experiments design

2.2 觀測(cè)資料

本研究利用多種觀測(cè)資料與模似結(jié)果進(jìn)行比較，評(píng)估模式模擬能力。云量數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)際衛(wèi)星云氣候?qū)W項(xiàng)目（ISCCP）的D2 數(shù)據(jù)集，空間分辨率為2.5°×2.5°，數(shù)據(jù)內(nèi)容完整。云滴有效半徑數(shù)據(jù)來(lái)自中分辨率傳感器（MODIS）的全球格點(diǎn)月平均大氣標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（MOD08_M3），分辨率為1.0°×1.0°。降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自全球降水氣候項(xiàng)目（GPCP）的GPCP v2.3，該數(shù)據(jù)為格點(diǎn)化的月平均降水?dāng)?shù)據(jù)集，分辨率為2.5°×2.5°（Adler，et al，2003）。云水路徑與云輻射強(qiáng)迫數(shù)據(jù)來(lái)自云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES），其中 云水 路 徑由SSF1°-Level 3 Terra Ed 4A 產(chǎn)品提供，大氣頂云短波和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫屬于EBAF-TOA-Level 3b 產(chǎn)品，分辨率均為1.0°×1.0°。上述5 種觀測(cè)資料包括2001—2010 年共10 a 的數(shù)據(jù)。

3 不同分辨率的模擬結(jié)果與觀測(cè)資料的對(duì)比

通過(guò)3 種不同分辨率的PD 試驗(yàn)?zāi)M的氣溶膠、云、輻射和降水等關(guān)鍵物理量與觀測(cè)資料的對(duì)比來(lái)評(píng)估模式的模擬效果，并分析改變分辨率的影響。圖1 為各物理量的多年平均緯向分布情況。

從氣溶膠的光學(xué)厚度（AOD，圖1a）可以看到3 種分辨率模擬的氣溶膠光學(xué)厚度在北半球均被低估，其中2°分辨率的模擬結(jié)果與觀測(cè)更接近。改變分辨率使得模擬的氣溶膠光學(xué)厚度在低緯度地區(qū)變化較大，特別是0.5°分辨率模擬的結(jié)果在30°N附近數(shù)值最小。氣溶膠光學(xué)厚度的變化主要與降水有關(guān)（圖1f），因?yàn)? 種分辨率的氣溶膠排放相同，而降水可以通過(guò)濕清除影響氣溶膠數(shù)濃度。云滴數(shù)濃度主要由氣溶膠核化決定，如圖1b 所示，不同分辨率下模擬的云滴數(shù)濃度（CDCN）在赤道地區(qū)有較大不同，0.5°分辨率模擬的數(shù)值最小，其余各緯度帶無(wú)顯著變化（云滴數(shù)濃度缺乏有效的觀測(cè)結(jié)果），這與氣溶膠光學(xué)厚度的分布變化一致。

與觀測(cè)相比，3 種分辨率模擬的云水路徑（LWP）在低緯度地區(qū)被顯著高估，而在高緯度地區(qū)被低估，這與Wang M Q 等 （2020）的結(jié)果一致。提高分辨率主要影響低緯度地區(qū)的云水路徑，與數(shù)濃度表現(xiàn)一致，其中0.5°分辨率模擬的云水路徑在赤道地區(qū)明顯小于1°和2°分辨率的結(jié)果，可以略微改善模式對(duì)云水路徑的高估（圖1c）。這主要是因?yàn)楦叻直媛氏略摰貐^(qū)的云水轉(zhuǎn)化和雨水收集過(guò)程更強(qiáng)，使得云水含量降低（圖2a、b，附圖1、3）。圖1d為云頂?shù)脑频斡行О霃剑≧E），與觀測(cè)相比3 種不同分辨率模擬的云頂有效半徑均被顯著低估，但并未隨分辨率表現(xiàn)出明顯變化，緯向平均分布接近。

圖1 各物理量的PD 試驗(yàn)結(jié)果與觀測(cè)資料的多年平均緯向?qū)Ρ?（a.氣溶膠的光學(xué)厚度，b.垂直積分的云滴數(shù)濃度 （單位：1010 cm?2），c.云水路徑 （單位：g/m2），d.云頂?shù)脑频斡行О霃?（單位：μm），e.總云量 （單位：%），f.總降水 （單位：mm/d），g.云短波輻射強(qiáng)迫（單位：W/m2）， h.云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫 （單位：W/m2））Fig.1 Multi-year average zonal comparison of physical quantities between PD experiment results and observations（a.aerosols optical depth，b.vertically integrated cloud droplet concentration （unit：1010 cm?2）， c.cloud water liquid path （unit：g/m2），d.cloud droplets effective radius at cloud top （unit：μm），e.total cloud cover （unit：%），f.total precipitation （unit：mm/d），g.cloud shortwave radiative forcing （unit：W/m2），h.cloud longwave radiative forcing （unit：W/m2））

續(xù)圖1Fig.1 Continued

對(duì)于總云量（CLDTOT）（圖1e），與觀測(cè)相比模式結(jié)果在中緯度地區(qū)略低估。不同分辨率下總云量的模擬變化較小，但在赤道地區(qū)和北半球高緯度地區(qū)，0.5°分辨率模擬的總云量明顯小于1°和2°。模式通過(guò)相對(duì)濕度來(lái)診斷云量，當(dāng)相對(duì)濕度大于臨界值時(shí)才有云產(chǎn)生（Neale，et al，2010）。從30°S—30°N 區(qū)域平均的相對(duì)濕度垂直廓線（圖2c）可以看到，提高分辨率使得相對(duì)濕度降低，尤其是700—500 hPa，這是云量減少的重要原因。3 種不同分辨率模擬的總降水（PRECT，圖1f）在低緯度地區(qū)均被高估，而在中緯度地區(qū)則被輕微低估。赤道地區(qū)降水的高估被稱之為雙赤道輻合帶（ITCZ）偏差（Bacmeister，et al，2014；周天軍等，2020），從總降水的緯向平均分布（圖1f）也可以看到，隨著分辨率的提高這種偏差會(huì)進(jìn)一步增大，而北半球中緯度地區(qū)的總降水與觀測(cè)更接近。總降水在模式中為大尺度降水（PRECL）和對(duì)流降水（PRECC）的總和，其變化主要是由大尺度降水的增加導(dǎo)致的（附圖2）。從30°S—30°N 區(qū)域平均的云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率（圖2a）和雨水收集率（圖2b）的垂直廓線可以發(fā)現(xiàn)，提高模式分辨率使得云水向雨水轉(zhuǎn)化率和雨水收集率增大，導(dǎo)致更多的云水轉(zhuǎn)變?yōu)橛晁?，降水增加（附圖3）。同時(shí)，降水增強(qiáng)會(huì)加強(qiáng)濕清除過(guò)程，導(dǎo)致該地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度降低（圖1a）。由于模式是在相同的海面溫度和海冰濃度的情況下運(yùn)行的，它們控制著海面上水分的蒸發(fā)過(guò)程，會(huì)左右降水過(guò)程，使之與水蒸發(fā)量之間趨向平衡，從而影響降水量（Michibata，et al，2015；Xie，et al，2017，2018）。

圖2 30°S—30°N 區(qū)域平均的云微物理過(guò)程和診斷量的垂直廓線 （a.云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率， b.雨水收集率（單位：10?9 kg/（kg·s）），c.相對(duì)濕度（單位：%））Fig.2 Cloud microphysical processes and vertical profiles of some diagnostics in the 30°S—30°N region （a.average cloudwater auto-conversion rate，b.rainwater accretion rate （unit：10?9 kg/（kg·s），c.relative humidity （unit：%） ）

對(duì)于輻射強(qiáng)迫，與觀測(cè)值相比模擬的云短波輻射強(qiáng)迫（SWCF）在低緯度地區(qū)均被高估，這與Xie等（2017）的結(jié)果類似，而長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫（LWCF）在各緯度帶均表現(xiàn)不同程度的低估（圖1g、h）。不同分辨率下模擬的兩類輻射強(qiáng)迫差異顯著，特別是在低緯度地區(qū)，0.5°分辨率模擬的云短波輻射強(qiáng)迫與觀測(cè)更接近。

為了更好地檢驗(yàn)?zāi)Ｊ浇Y(jié)果，將全球劃分為4 個(gè)緯度帶，分別是60°—30°S（SML）、30°S —EQ（SLL）、EQ—30°N（NLL）、30°—60°N（NML），序 號(hào) 為2—5，序號(hào)1 代表全球平均。圖3 為各物理量與觀測(cè)對(duì)比的泰勒?qǐng)D。

如圖3a 所示，總云量與觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.00—1.50，相關(guān)系數(shù)為0.70—0.96，0.5°分辨率模擬的結(jié)果與其他兩種分辨率相比相關(guān)系數(shù)略高，與（1，0）點(diǎn)更接近，這說(shuō)明高分辨率對(duì)于總云量的模擬有一定的改進(jìn)。在圖3b 中，北半球中緯度帶云水路徑與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)較大，為0.70—0.80，其余緯度帶很小，小于0.30。其中，北半球低緯度帶模擬的云水路徑與觀測(cè)差異較大，在泰勒?qǐng)D所示范圍外。圖3c 顯示，除南半球中緯度帶，其余緯度帶模擬云頂?shù)脑频斡行О霃脚c觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為負(fù)，在泰勒?qǐng)D范圍之外，這說(shuō)明模式對(duì)于有效半徑的模擬較差，并且提高分辨率對(duì)云頂有效半徑的模擬無(wú)顯著改善，還需要改進(jìn)模式的其他方面以提高對(duì)云滴有效半徑的模擬。在圖3d 中，總降水與觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75—1.25，相關(guān)系數(shù)在0.85—0.98，模式分辨率提高主要改善北半球中緯度帶的總降水，其他緯度帶沒(méi)有改進(jìn)。從圖3f 中可以看到，云短波輻射強(qiáng)迫與觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.60—0.99，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75—1.50。各緯度帶上0.5°分辨率模擬的云短波輻射強(qiáng)迫具有更高的相關(guān)系數(shù)和更低的均方根誤差，這說(shuō)明提高分辨率可以改進(jìn)云短波輻射強(qiáng)迫的模擬效果。圖3e 中顯示，云的長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫與觀測(cè)值的各緯度帶標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.75—1.25，相關(guān)系數(shù)為0.9—0.99，說(shuō)明模式對(duì)于長(zhǎng)波輻射的模擬效果較好，但提高分辨率并未顯著改善長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的模擬。

圖3 PD 試驗(yàn)與觀測(cè)資料的泰勒?qǐng)D（a.總云量 ，b.云水路徑，c.云頂?shù)脑频斡行О霃?，d.總降水，e.云短波輻射強(qiáng)迫，f.云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫 ）Fig.3 Taylor diagram of PD experiment results and observations （a.total cloud cover ，b.cloud water liquid path， c.cloud droplets effective radius at cloud top，d.total precipitation，e.cloud shortwave radiative forcing，f.cloud longwave radiative forcing）

上述結(jié)果表明模式對(duì)總云量、降水、云短波和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的模擬效果較好，而對(duì)云水路徑與云頂?shù)脑频斡行О霃降哪M能力較差。提高分辨率可以顯著改善模式對(duì)總云量、云短波輻射強(qiáng)迫和北半球中緯度地區(qū)總降水的模擬效果。

4 不同分辨率下氣溶膠的氣候效應(yīng)

4.1 氣溶膠光學(xué)厚度、云滴數(shù)濃度、云頂?shù)脑频斡行О霃?、云水路徑的變?/h3>

續(xù)圖 3Fig.3 Continued

圖4 是在3 種不同分辨率下，人為氣溶膠增加對(duì)氣溶膠光學(xué)厚度、云滴數(shù)濃度、云頂?shù)脑频斡行О霃?、云水路徑的影響。氣溶膠光學(xué)厚度的增加（ΔAOD）主要發(fā)生在北半球地區(qū)，最大值出現(xiàn)在40°N 附近（圖4a）。比較不同分辨率的結(jié)果可以看到，2°分辨率的模擬結(jié)果在30°—60°N 區(qū)域最小，而在EQ—20°S 區(qū)域最大，這說(shuō)明提高分辨率導(dǎo)致不同地區(qū)的氣溶膠光學(xué)厚度變化不一致。圖4b為垂直積分的云滴數(shù)濃度的變化（ΔCDCN），云滴數(shù)濃度變化的分布與氣溶膠光學(xué)厚度變化相似（圖4a），但最大值出現(xiàn)在30°N 附近，3 種分辨率下的緯向平均分布一致，數(shù)值均相近，這說(shuō)明云滴數(shù)濃度的變化對(duì)模式水平分辨率的改變不敏感。

氣溶膠的第一間接效應(yīng)認(rèn)為，氣溶膠作為云凝結(jié)核會(huì)使得云滴數(shù)濃度上升，在液態(tài)水含量一定的情況下云滴的有效半徑變小。從云頂?shù)脑频斡行О霃降淖兓éE）可以發(fā)現(xiàn)（圖4c），在不同分辨率下，氣溶膠增加使云頂?shù)脑频斡行О霃骄@著減小，在30°N 附近有最小值，這與氣溶膠的第一間接效應(yīng)一致（Xie，et al，2017），但除極地外，緯向平均趨勢(shì)基本重合，數(shù)值差異也很小，這說(shuō)明云滴有效半徑的變化對(duì)模式水平分辨率的改變也不敏感。

除了云微物理特性受到人為氣溶膠的影響外，云宏觀物理特性（如云水路徑）也隨氣溶膠濃度的升高而變化（Grandey，et al，2018）。 在3 種不同分辨率下，氣溶膠濃度升高使得云水路徑在各緯度帶上均以升高為主（圖4d），特別是在北半球地區(qū)，這主要是因?yàn)樵频纬叨鹊臏p小降低了云水向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率。對(duì)比不同分辨率的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，云水路徑的變化（ΔLWP） 緯向分布基本相同，但數(shù)值上有一定差異。0.5°分辨率模擬的云水路徑變化在北半球中低緯度地區(qū)比其他兩種分辨率的結(jié)果大。

圖4 氣溶膠和云變量的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值 （a.氣溶膠光學(xué)厚度，b.垂直積分的云滴數(shù)濃度 （單位：1010 cm?2），c.云頂?shù)脑频斡行О霃?（單位：μm），d.云水路徑 （單位：g/m2））Fig.4 Differences in aerosols and cloud variables between the PD and PI experiment results （a.aerosols optical depth，b.vertically integrated cloud droplet concentration （unit：1010 cm?2），c.cloud droplets effective radius at cloud top （unit：μm），d.cloud water liquid path （unit：g/m2））

4.2 降水和溫度的變化

氣溶膠的第二間接效應(yīng)認(rèn)為，云滴數(shù)濃度的升高會(huì)降低云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程的效率，進(jìn)而影響云壽命，并改變降水分布。從總降水量變化（ΔPRECT，圖5a）可以看到，在不同分辨率下人為氣溶膠增加引起的總降水變化在各緯度帶上表現(xiàn)均不相同。赤道地區(qū)，3 種分辨率模擬的總降水量都顯著減少，并且減少最多，極大值為0.20 mm/d；除此之外，3 種分辨率的模擬結(jié)果無(wú)相對(duì)一致的變化，這說(shuō)明降水的變化對(duì)模式水平分辨率的改變很敏感。進(jìn)一步分析對(duì)流降水和大尺度降水的變化（ΔPRECC、ΔPRECL）可以發(fā)現(xiàn)（圖5b、c），在低緯度地區(qū)，1°和2°分辨率下對(duì)流降水的變化在總降水變化中起主要作用，0.5°分辨率下對(duì)流降水和大尺度降水的變化共同決定總降水的變化。

不同分辨率下的地面氣溫變化（ΔTS）在南、北半球高緯度地區(qū)差異明顯（圖5d），其中0.5°與2°分辨率的結(jié)果均為降溫。0.5°分辨率下地表溫度在北半球中緯度地區(qū)降低較顯著；2°分辨率下在極地降溫幅度較大，最大值達(dá)到0.65 K；1°分辨率的結(jié)果在南、北兩極表現(xiàn)為小幅度升溫。在60°S—30°N，3 種分辨率的地面溫度均降低，且地面溫度變化的差異不明顯。

圖5 降水 （單位：mm/d） 與地面溫度 （單位：K） 的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值 （a.總降水， b.對(duì)流降水， c.大尺度降水，d.地面氣溫）Fig.5 Differences in precipitation （unit：mm/d） and surface temperature （unit：K） between the PD and PI experiment results（a.total precipitation，b.convective precipitation，c.large-scale precipitation，d.surface temperature）

4.3 云量的變化

從云量的變化（圖6）可以看到，在3 種不同分辨率下氣溶膠增加使得低云量在30°N 以北地區(qū)以增加為主，以南地區(qū)改變很小，變化幅度在0.6%以內(nèi)（圖6a）。對(duì)比不同分辨率的試驗(yàn)結(jié)果，2°分辨率模擬的低云量在北半球高緯度地區(qū)增加幅度最大，0.5°分辨率最小，而1°分辨率模擬的低云量變化在北半球中緯度地區(qū)最小。中云量的變化（ΔCLDMED）比較復(fù)雜，不同分辨率的模擬結(jié)果表現(xiàn)各不相同（圖6b）。由于模式對(duì)中云量、高云量和總云量具有較好地模擬能力，并且高分辨率下模擬的云量與觀測(cè)資料的相關(guān)系數(shù)更高，因此，著重分析0.5°分辨率下的變化。0.5°分辨率下中云量在北半球地區(qū)變化顯著，60°N 以南以增加為主，以北以減少為主；而在南半球，除南極地區(qū)增加明顯外，其余地區(qū)變化幅度小于0.1%。從高云量的變化（ΔCLDHGH，圖6c）可以發(fā)現(xiàn)，不同分辨率下高云量在全球低緯度地區(qū)以增加為主，在中高緯度地區(qū)以減少為主。0.5°分辨率下高云量變化的極大值在20°N 附近，大小為1.63%。氣溶膠增加使得總云量在不同分辨率下均以增加為主（圖6d），北半球的增加大于南半球。0.5°分辨率模擬的總云量在北半球中低緯度地區(qū)增加最大，而在北半球高緯度地區(qū)增加最小。

圖6 不同云量的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值 （a.低云量， b.中云量， c.高云量， d.總云量；單位：%）Fig.6 Differences in various types of cloud cover between the PD and PI experiment results （a.low cloud cover，b.medium cloud cover，c.high cloud cover，d.total cloud cover；unit：%）

4.4 云輻射強(qiáng)迫的變化

從云短波和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的變化（ΔSWCF、ΔLWCF）（圖7）可以看出，氣溶膠增加使得云短波輻射強(qiáng)迫在全球均表現(xiàn)為增強(qiáng)，北半球的變化遠(yuǎn)強(qiáng)于南半球。不同分辨率下云短波輻射強(qiáng)迫變化的分布相似，但數(shù)值存在差異，特別是北半球地區(qū)，極大 值 位 于20o— 30oN 范 圍 內(nèi)， 達(dá) 到?3.0 W/m2（圖7a）。長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的變化與短波輻射強(qiáng)迫變化分布類似，也在北半球產(chǎn)生較大的增加（圖7b）。3 種分辨率下，長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫變化的分布相似，但在各緯度帶的數(shù)值差異顯著，1°分辨率模擬產(chǎn)生最大值為1.67 W/m2。

圖7 云輻射強(qiáng)迫的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值 （a.云短波輻射強(qiáng)迫，b.云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫；單位：W/m2）Fig.7 Differences in cloud radiative forcing between the PD and PI experiment results （a.cloud shortwave radiative forcing，b.cloud longwave radiative forcing；unit：W/m2）

4.5 全球分布

從上述分析可以看到，不同分辨率下氣溶膠增加引起的各物理量變化不盡相同，提高分辨率使得降水和云量的變化在各緯度帶的表現(xiàn)差異較大，而云頂?shù)脑频斡行О霃降牟町惡苄?，其余物理量的緯向平均趨?shì)相近，但大小存在一定差異。其中云水路徑、降水、云量等的變化對(duì)分辨率的改變很敏感，因此需進(jìn)一步分析它們?cè)谌虻姆植记闆r。

從總云量變化（ΔCLDTOT）的全球分布（圖8a—c）可以看到，在不同分辨率下的分布差異較大。2°分辨率模擬的總云量顯著增加的地區(qū)主要位于亞洲中部、北極、非洲東部及臨近海域和北美洲的北部，顯著減小的地區(qū)位于非洲南部和南美洲的北部；1°分辨率模擬的結(jié)果在南亞、東南亞地區(qū)增加明顯；而0.5°分辨率模擬的結(jié)果在阿拉伯半島及中國(guó)南海地區(qū)表現(xiàn)出更大的增加。提高分辨率使得人為氣溶膠增加引起的云量增大在北極地區(qū)明顯減少，而亞洲地區(qū)顯著增大，特別是阿拉伯半島、中南半島和中國(guó)南海地區(qū)。降水的變化主要集中在中低緯度，特別是亞洲地區(qū)（圖8d—f）。2°分辨率下，印度半島、中南半島以及中國(guó)東部地區(qū)的降水由于氣溶膠的增加均減少，而提高分辨率后，降水減少的區(qū)域縮小，孟加拉灣和中國(guó)南海地區(qū)的降水顯著增多。對(duì)比兩者變化的全球分布可以發(fā)現(xiàn)，在亞洲地區(qū)云量顯著增加的區(qū)域，降水也明顯增多，此處的降水多為對(duì)流降水（圖4b）。

圖8 總云量 （a—c，單位：%）、總降水 （d—f，單位：mm/d） 的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值的全球分布 （a、d.2°分辨率，b、e.1°分辨率， c、f.0.5°分辨率）Fig.8 Global distributions of differences in total cloud cover （a，b，c； unit：%） and total precipitation （d，e，f；unit：mm/d ）between the PD and PI experiment results at three horizontal grid intervals of 2° （a，d），1° （b，e），0.5° （c，f）

從云水路徑變化的全球分布（圖9a—c）可知，云水路徑變化的高值出現(xiàn)在人為氣溶膠排放較多的地區(qū)，如歐洲、東亞和南亞、南美洲北部和非洲部分地區(qū)。提高分辨率使得云水路徑的增加區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，如印度半島、歐洲地區(qū)和西北太平洋地區(qū)，這與云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率減弱的范圍一致（附圖4）。云短波輻射強(qiáng)迫的變化在全球的分布（圖9d—f）可以發(fā)現(xiàn)，云短波輻射強(qiáng)迫增強(qiáng)顯著的地區(qū)有東南亞、北太平洋和南美西海岸，這些地區(qū)位于氣溶膠源區(qū)及其下風(fēng)向區(qū)域（東南亞、東亞和亞馬遜），海洋為云的發(fā)展提供了豐富的水分（Wang，et al，2020）。提高分辨率主要使得云短波輻射強(qiáng)迫在亞洲地區(qū)發(fā)生明顯變化，1°分辨率模擬的結(jié)果在亞洲東南部和東部地區(qū)相比其他兩種分辨率具有更強(qiáng)的云短波輻射強(qiáng)迫響應(yīng)。

圖9 云水路徑 （a、b、c，單位：g/m2） 與云短波輻射強(qiáng)迫 （d、e、f；單位：W/m2） 的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值的全球分布 （a、d.2°分辨率，b、e.1°分辨率，c、f.0.5°分辨率）Fig.9 Global distributions of differences in cloud-water liquid path （a，b，c； unit：g/m2 ） and cloud short-wave radiative forcing （d，e，f； unit：W/m2） between PD and PI experiment results at three horizontal grid intervals of 2° （a，d），1° （b，e），0.5°（c，f）

4.6 全球平均

從3 種分辨率下全球和半球平均的氣溶膠氣候效應(yīng)（表2）可以看到，除了總云量與對(duì)流降水外，其余物理量的氣溶膠氣候效應(yīng)表現(xiàn)較一致，只在數(shù)值上存在一定的差異。對(duì)于ΔCDCN，不同分辨率的結(jié)果均表現(xiàn)為云滴數(shù)濃度升高，2°分辨率具有最大的全球平均值（3.79×1010cm?2），1°分辨率最小（3.64×1010cm?2）。提高分辨率使得云滴數(shù)濃度先降低后升高，尤其是北半球地區(qū)。云頂?shù)脑频斡行О霃降淖兓鶠樨?fù)值，其全球平均值隨分辨率的提高變化微弱，0.5°分辨率下模擬的云滴有效半徑的變化最小，為?0.39 μm。不同分辨率下云水路徑均增大，0.5°分辨率模擬得到最大的云水路徑變化，全球平均值為3.84 g/m2，北半球平均值為5.86 g/m2。地面氣溫均降低，從全球平均值來(lái)看，0.5°分辨率具有最大的降溫幅度，達(dá)到0.08 K。對(duì)于總云量的變化，除1°分辨率的南半球外，其余情況下均增加。北半球總云量的變化隨分辨率的提高而逐漸增加，0.5°相比2°增加了51%。人為氣溶膠的增加抑制了降水的產(chǎn)生，總降水的變化均為負(fù)值，而這種抑制作用隨著分辨率的提高而逐漸減弱，主要是因?yàn)榇蟪叨冉邓蛯?duì)流降水相反的效應(yīng)導(dǎo)致的。對(duì)于大尺度降水，提高分辨率使得氣溶膠對(duì)降水的抑制作用加強(qiáng)，0.5°分辨率下大尺度降水變化的數(shù)值最小，全球平均為?0.021 mm/d；而對(duì)于對(duì)流降水，隨著分辨率的提高氣溶膠的作用由抑制變?yōu)榇龠M(jìn)，降水增多，0.5°分辨率下模擬結(jié)果最大為0.008 mm/d。云短波輻射強(qiáng)迫均表現(xiàn)為增強(qiáng)，北半球遠(yuǎn)強(qiáng)于南半球，隨著分辨率的提高逐漸減少，2°分辨率下云短波輻射強(qiáng)迫增強(qiáng)最顯著，全球平均為?1.75 W/m2，而0.5°分辨率的模擬結(jié)果最弱，為?1.62 W/m2。云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫約為云短波輻射強(qiáng)迫的三分之一，其全球平均值隨分辨率提高改變不明顯，2°分辨率下在全球具有最大的云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫變化，為0.5 W/m2。氣溶膠間接輻射強(qiáng)迫（AIF）定義為云短波輻射強(qiáng)迫與長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫之和（Xie，et al，2017），計(jì)算發(fā)現(xiàn)，0.5°分 辨 率 下 間 接 輻 射 強(qiáng) 迫 最 低 為?1.17 W/m2，2°分辨率的結(jié)果最高，為?1.25 W/m2。

表2 不同分辨率下氣溶膠增加引起的物理量變化的全球、半球平均值Table 2 Global and hemispheric averages of changes in physical quantities caused by the increase in aerosols at different resolutions

5 結(jié)論與討論

在復(fù)雜的氣候模式中，氣溶膠與云的相互作用仍然是預(yù)測(cè)氣候變化不確定性的主要來(lái)源之一。本研究旨在探討模式分辨率對(duì)氣溶膠氣候效應(yīng)模擬結(jié)果的影響，利用CAM5.3 在3 種不同分辨率下進(jìn)行兩類氣溶膠排放情景的模擬試驗(yàn)（PD 與PI），采用多種觀測(cè)資料與PD 試驗(yàn)結(jié)果比較評(píng)估模式的模擬能力，進(jìn)一步利用PD 與PI 試驗(yàn)差值分析不同分辨率之間氣溶膠氣候效應(yīng)的異同。主要得到以下結(jié)論：

（1）模式對(duì)總云量、降水、云短波和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫的模擬效果較好，各緯度帶的相關(guān)系數(shù)在0.6—0.99；對(duì)云水路徑、云頂?shù)脑频斡行О霃侥M效果較差，主要表現(xiàn)為高估云水路徑并低估云頂?shù)脑频斡行О霃?。提高分辨率使得模式?duì)總云量、云短波輻射強(qiáng)迫、北半球中緯度地區(qū)總降水的模擬效果有所改進(jìn)，主要影響云水向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化過(guò)程和雨水收集過(guò)程。

（2）不同分辨率下，氣溶膠增加引起垂直積分的云滴數(shù)濃度和云頂?shù)脑频斡行О霃阶兓木曄蚍植己痛笮【嘟?；氣溶膠光學(xué)厚度、云水路徑、地面溫度、云短波輻射強(qiáng)迫和云長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫變化的緯向分布較相似，但變化幅度存在一定差異；而降水和云量變化的緯向分布與變化幅度均存在較大差異。

（3）在不同分辨率下，氣溶膠引起的云量和降水變化的全球分布差異明顯，區(qū)域尺度上的變化存在很大的不確定性，特別是阿拉伯半島和亞洲的南部及東南部。云短波輻射強(qiáng)迫變化的全球分布差異主要在東亞和南亞地區(qū)。

（4）從全球平均值來(lái)看，不同分辨率下氣溶膠的氣候效應(yīng)都顯示，垂直積分的云滴數(shù)濃度增加、云頂?shù)脑频斡行О霃阶冃　⒃扑窂皆黾?、地面氣溫降低、總云量增加、總降水量減少、云的短波輻射強(qiáng)迫和長(zhǎng)波輻射強(qiáng)迫增強(qiáng)，但數(shù)值上存在差異。其中，云水路徑和云量的增加幅度隨分辨率提高而增大；降水的減少幅度隨分辨率提高而變?nèi)?，主要是因?yàn)榇蟪叨冉邓囊种谱饔弥饾u增加，而對(duì)流降水由抑制轉(zhuǎn)變?yōu)榇龠M(jìn)作用，兩者共同作用導(dǎo)致總降水變?nèi)酢?/p>

（5）總體而言，氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫隨分辨率的提高而減小，0.5o分辨率下氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫的全球平均值相比1°降低了2.5%，相比于2°減少了6.4%。

Ma 等（2015）利用CAM5.1 在固定氣象場(chǎng)下的試驗(yàn)結(jié)果表明，氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫隨著模式分辨率的提高而降低，0.5°相比2°降低了17%，本研究的結(jié)果同樣表明提高分辨率使得氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫降低，但考慮到氣象要素與云的相互作用其降低的百分比僅為6.4%，遠(yuǎn)小于17%。提高分辨率可以部分改善模式對(duì)一些物理量的模擬情況，但即使在0.5°分辨率下，這些物理量仍然與觀測(cè)值存在一定的差距，這表明還需要改進(jìn)模式的其他方面來(lái)提高模擬準(zhǔn)確度。低緯度地區(qū)降水偏差隨分辨率提高而增大，這可能與模式高估對(duì)流有關(guān)，不同的對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)降水會(huì)有一定影響（楊揚(yáng)等，2021），未來(lái)可對(duì)這一方面做進(jìn)一步的探究，以期加深對(duì)氣溶膠與云相互作用的理解與認(rèn)識(shí)，降低模式中氣溶膠與云相互作用的不確定性。氣溶膠增加引起的對(duì)流降水的變化對(duì)模式分辨率的改變很敏感，其變化的方向和幅度均有很大差異，這需要進(jìn)一步探究與此相關(guān)的熱力和動(dòng)力過(guò)程。此外，本研究采用了多種觀測(cè)資料來(lái)評(píng)估模式結(jié)果，由于模型模擬和觀測(cè)之間的采樣和算法存在一定的差異，評(píng)估存在一定的偏差，部分物理量的模擬效果不理想，后續(xù)將通過(guò)結(jié)合云衛(wèi)星觀測(cè)模擬器 （COSP）以相對(duì)一致的方式進(jìn)行模擬與衛(wèi)星觀測(cè)的對(duì)比。試驗(yàn)采用實(shí)況海溫和海冰資料進(jìn)行研究，未反映海溫與氣溶膠氣候效應(yīng)的相互影響，今后研究可以增加考慮海溫的響應(yīng)進(jìn)行更深入探究。

附錄

附圖1 30°S—30°N 云水含量 （單位：mg/m3） 的垂直分布 （a.2°，b.1°，c.0.5° ）Fig.A1 Vertical distribution of cloud water content （unit：mg/m3） in 30°S—30°N latitude zone （a.2°，b.1°，c.0.5° ）

附圖2 對(duì)流降水 （a） 和大尺度降水 （b） 的PD 試驗(yàn)結(jié)果（單位：mm/ d） 以及 （c） 兩者比值的多年平均緯向分布Fig.A2 The multi-year average zonal trends of convective precipitation，large-scale precipitation （unit：mm/ d） and the radio（convective precipitation/large-scale precipitation） in PD experiment results

附圖3 雨水收集率 （a） 和云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率 （b） 的PD 試驗(yàn)結(jié)果的多年平均緯向分布 （單位：10?6 kg/（m2·s））Fig.A3 The multi-year average zonal trends of cloud-water autoconversion rate （b） and rainwater accretion rate （a） in PD experiment results （unit：10?6 kg/（m2·s））

附圖4 三種分辨率下 （a.2°，b.1°，c.0.5° ） 云水自動(dòng)轉(zhuǎn)化率的PD 與PI 試驗(yàn)結(jié)果差值的全球分布 （單位：10?6 kg/（m2·s））Fig.A4 The global distribution of the difference in cloud water autoconversion rate （unit：10?6 kg/（m2·s）） between the PD and PI experiment results at three horizontal grid intervals of 2°（a），1°（b） and 0.5°（c）