原文作者：S. Bony
內容來源：AGU
翻譯整理：小何何
編輯排版：臨近空間的奧秘編輯組
熱帶平均輻射平衡的異常決定了熱帶氣候的時間變化。事實證明，低層大氣的穩定性會影響這種平衡，因為增強的穩定性有利於低層雲的形成以及太陽輻射向太空的反射。建模研究表明，深對流的空間分布，尤其是深雲的聚集程度，也可能影響溼度和雲的覆蓋範圍，進而影響地球系統的輻射平衡。但是，從未在熱帶地區觀測到雲團簇，溼度和輻射收支之間的關係。通過分析長時間的衛星觀測序列，作者發現，低氣壓穩定性和對流聚集的月度變化都與熱帶輻射冷卻的變化密切相關，並且它們對輻射預算調製的貢獻是互補的，並且同樣重要。因此，這些觀測結果證實了建模推論，並強調指出，要預測氣候的未來，有必要確定深對流的穩定性和聚集如何隨著變暖而變化。
這項研究分析了熱帶輻射預算每月觀測到的反季節化和去趨勢化的變化，並提出低對流層穩定性和深對流空間組織的變化都強烈地影響了這種變化。衛星觀測表明，平均而言，熱帶帶上深對流的聚集程度越大，對流層的自由度就越高，深對流雲的覆蓋範圍就越小，向空間的熱量散發也就越大。因此，深對流增強的聚集與熱帶的輻射冷卻有關。熱帶-平均低層-對流層穩定性的增加也與熱帶的輻射降溫相吻合，這主要是因為它與更多的海洋低雲和太陽輻射反射增強有關，儘管對流層乾燥也有助於冷卻。對流聚合和低層對流層穩定性對輻射預算調製的貢獻是互補的，在很大程度上彼此獨立，並且同樣強大。它們合起來佔熱帶輻射預算方差的60％以上。因此，衛星觀測結果與模擬研究的結果一致，即深對流的空間組織在很大程度上影響了地球的輻射平衡。這強調了理解控制對流組織和低層對流層穩定性變化的因素的重要性，並強調了在氣候變暖時監測其變化的必要性。
我們如何理解調節熱帶輻射預算的因素？長期以來，這種理解被認為是解釋過去一百萬年熱帶溫度長期穩定性的一種途徑，並估計了氣候系統對當前和未來溫室氣體增加的敏感性。觀測和氣候模型表明，對流層低層穩定性的變化極大地影響了地球的輻射預算。增強的穩定性與加強海洋邊界層頂部的反演有關，這減少了整個反演過程中的混合，並有助於將水分保持在較低水平。這有利於低層雲的形成，從而有利於通過增強太陽輻射反射來冷卻氣候。
最近，建模研究假設深對流的空間組織變化也可能影響地球的輻射平衡：理想化的實驗表明，當隨機組織的對流自發地組織成乾燥溼潤的區域時，平均而言，大氣變得更乾燥，更清晰並且更有效地向空間散發熱量。衛星觀測結果的分析證實，對於給定大尺度環流和地表溫度的區域，對流聚集增強與溼度降低，高層雲量減少，長波輻射（OLR）增加和行星反照率降低有關。但是，這些關係可能會受到海表溫度（SSTs）和大規模大氣環流變化的影響。關於對流聚集變化的輻射影響與其他公認的控制因素相比較，是否仍具有顯著影響，這仍然是一個懸而未決的問題。
在這項研究中，作者通過分析每月時間尺度上的熱帶（30°S到30°N）上觀測到的對流組織，對流層穩定性和大氣頂（TOA）輻射預算變化來解決這些問題。首先，文章描述了熱帶深對流空間組織的變化，並表明對流組織異常與對流層溼度和TOA輻射異常密切相關。然後，證明對流組織和低層對流層穩定性通過互補影響都表現出與淨輻射的強反相關性。對流組織和穩定性對熱帶平均輻射預算的相對影響通過輻射計算得到進一步量化和分析，並討論了這些結果對氣候變化的影響。
為了表徵整個熱帶深對流的空間組織，文章使用了來自對地靜止衛星的3小時，相互校準和網格化的紅外亮度溫度數據Tb，該數據集被稱為GridSat-B1數據集。Tb數據映射在0.07°的等角網格上。每顆衛星的GridSat紅外校準不確定度均小於0.5 K，每十年的時間不確定度均小於0.1K。文章使用1990年1月至2017年12月期間30°S至30°N緯度帶上的數據。首先，作者檢測到深對流覆蓋的熱帶地區；然後，描述了整個熱帶（30°S至30°N）內最深對流實體的空間組織。
圖1 （a）深對流組織指數Iorg（ΔIorg）和（b）熱帶平均低對流層穩定性EIS（ΔEIS）的月度反季節化和去趨勢化的時間序列。
先前的研究表明，地球的輻射預算與低層對流層穩定性和估計反演強度（EIS）的變化相關。為了估算這些數量，使用經度和緯度為0.75°的空間解析度進行ERA中期再分析。文章計算了每個海洋區域的EIS，並將熱帶平均EIS計算為所有熱帶海洋（30°S至30°）的空間平均值。
作者使用輻射核技術將TOA輻射通量異常分解為溫度，水蒸氣，地表反照率和雲的變化的貢獻。為此，作者使用了大氣紅外測深儀從2003年到2014年的月平均溫度和水蒸氣剖面的異常數據。在記錄的同一時期，使用雲和地球的輻射能系統能量平衡和填充的輻射通量來計算表面反照率和雲的輻射效應的異常。計算的所有異常與整個時期的平均值相關，並對時間序列進行反季節化和去趨勢化。
為了將非雲變量的變化轉換為輻射響應，作者將每個時間序列的異常乘以從CloudSat / CALIPSO觀測得到的輻射內核。按照常規做法，分別診斷由於溫度均勻變化（普朗克效應）和偏離溫度均勻變化（輻射速率響應）而引起的輻射響應。此外，由於對流聚集與對流層中上層和上層對流層相對溼度的變化有關，因此將水蒸氣的輻射響應分解為固定和變化的相對溼度的貢獻是可行的。根據Soden等人的類似分解，固定的相對溼度輻射響應是通過將水蒸氣的輻射核乘以總溫度變化的普朗克和流逝率分量而得出的。作者將這些術語分別添加到傳統的普朗克輻射率和失效率輻射響應中。通過相對於總水蒸氣和固定的相對溼度輻射響應來計算由於相對溼度變化引起的輻射響應。由於對重疊雲的非線性輻射響應，在這種方法中沒有特定於雲擾動的輻射核。因此，可以使用內核派生的非雲輻射響應，根據針對雲掩蔽而校正的雲輻射效應的變化來診斷雲輻射響應。
圖2 （a）觀測到的熱帶區域上的深對流質心的NNCDF（實線）與理論上預期的相同數量對流質心的隨機分布（虛線）的NNCDF的對比。（b）觀測的和泊松NNCDF之間的關係（c）在熱帶帶上觀測到的深對流質心之間最鄰近距離的概率分布函數。
對GridSat數據集的每3小時圖像的I org指數的計算表明，在整個熱帶地區（30°S至30°N）範圍內，平均而言，1990-2017年期間，深對流高度「聚集」；也就是說，深對流質心彼此之間的距離比對相同數量質心的隨機分布所預測的距離更近（圖2a和2b）。
在整個熱帶，深對流表現出多種組織尺度，從行星尺度到中尺度。正如Iorg是度量這些多尺度綜合空間組織的指數，人們可以懷疑是否其變化是由特定的空間尺度為主。Iorg指數是基於整個熱帶地區最近鄰距離的分布。最近鄰距離的概率分布函數表明，這些距離中的98％小於200 km（圖 2c）。因此，儘管I org在大尺度上描述了深度對流的空間組織特徵，實際上，I org捕獲的深度對流組織的大部分變化是由中尺度引起的，或者更確切地說，是由Orlanski稱為meso-β中尺度引起的。
1990-2017年期間觀測到的深對流的空間組織在一定的時間範圍內變化。對3小時數據的頻譜分析表明，日變化和半年變化是變化的主要方式。當Iorg在一天中取平均值，並減去日均值的平均季節性周期時，那些因日照變化而導致的可變性模式將被消除。日平均和反季節化的I org的時間序列在季節內和年際時間尺度上表現出顯著的變化模式（圖3）。
圖3 1990-2017年期間在30°S到30°N範圍內計算的深對流組織指數Iorg的日均值，反季節化和去趨勢化數據的功率譜。
在文章的其餘部分，作者將重點關注在30°S到30°N之間計算的Iorg反季節的反季節化和去趨勢化異常，以及在同一熱帶平均得到的幾種大氣和輻射特性。這些月度異常包括年際變化和一些季節內變化。
對流組織與對流層溼度有何關係？圖 4顯示，從1999-2014年期間微波衛星觀測推斷的熱帶平均對流層中層相對溼度異常與Iorg異常高度相關（R = − 0.63）：作為對流聚集更強的是，對流層中層（300-700 hPa）在熱帶地區平均更乾燥。
幾個因素可以導致這種反相關。雲解析模型表明，較乾燥的大氣層可以抑制深對流的發展，意味著乾燥可能與對流區域的收縮有關，並且取決於乾燥在空間上的表現方式，可能影響深對流的組織對流。自由對流層的乾燥異常也可以幫助引發對流自聚集。反過來，對流的聚集提高了對流系統的降水效率，促進大氣乾燥。雖然很難從觀測資料中解出因果關係，但是在建模研究中，當考慮熱帶地區的每月變化時，對流聚集與大尺度對流層溼度之間的反相關性得到了觀測結果的證實。
圖4 由微波衛星觀測得到的熱帶平均對流層相對溼度（MTH）的月度反季節化和反趨勢化與深對流組織指數Iorg的關係。
通過將對流層中層相對溼度的局部異常回歸到Iorg異常上來研究與聚集變化有關的溼度變化的區域模式（圖5a）：深對流組織的增加與赤道地區和赤道地區大面積的乾燥有關。相反，當Iorg增加時，它與對流活動增強和對流層變溼有關。對流層上層相對溼度數據顯示出相似的結果。
圖5 線性回歸到Iorg（a）對流層中層相對溼度（MTH）和（b）晴空淨輻射NCS。
這項研究表明，對流層低層穩定性和深對流空間組織變化的輻射影響可以在很大程度上解釋熱帶輻射預算的每月變化。儘管對流組織和低層對流層穩定性之間存在適度的相關性，但兩者之間的影響基本相同。觀察還表明它們是互補的，因為它們在輻射預算的不同組成部分上起作用；深對流的聚集主要通過TOA輻射影響晴空輻射和LW CRE來影響TOA輻射，這分別涉及對流層相對溼度和高空雲的變化。
本文討論的所有關係都是在去趨勢時間序列的基礎上建立的。期間2001年至2017年，Iorg呈現弱陽性趨勢，在統計上並不顯著。在另一方面，EIS表現出明顯的正趨勢，與大氣中的高度較大變暖比靠近表面一致。有人可能會認為，EIS的增加會產生熱帶輻射預算的負面趨勢，但實際上觀察到相反的結果。N的積極趨勢由於其晴空成分佔主導地位，這很可能是由於大氣中溫室氣體濃度的增加所致，這增加了晴空太陽輻射的吸收並減少了晴空紅外輻射向太空的排放。實際上，同時考慮Iorg，EIS和CO2大氣濃度可以解釋63％的方差並改善趨勢的再現。
儘管對流組織和EIS未來是否以及如何變化的問題尚未解決，但這項觀察性研究表明，它們在十年或更長時間尺度上的變化可能對地球的輻射平衡，水汽和雲層的反饋至關重要。它強調了測試氣候系統數值模型的能力以重現本研究中分析的觀測關係的重要性。
參考文獻：
Bony S, Semie A, Kramer R J, et al. Observed modulation of the tropical radiation budget by deep convective organization and lower‐tropospheric stability[J]. AGU Advances, 2020, 1(3): e2019AV000155.
原文網址：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2019AV000155
臨近空間科學覆蓋學科廣泛，涉及大氣科學、空間物理、飛行器技術、探測載荷技術、天文觀測、遙感觀測等，"臨近空間的奧秘"公眾號將為您帶來臨近空間科學相關新聞及科普知識。
投稿、轉載請聯繫：
sunjy@aircas.ac.cn