本發(fā)明涉及地球輻射能量平衡，尤其涉及一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法及系統(tǒng)。

背景技術：

1、地表短波輻射（downwelling?surface?shortwave?radiation,?dssr）是揭示地球能量平衡和氣候變化機制的關鍵因素，云覆蓋度信息是調(diào)節(jié)地表短波輻射的重要參數(shù)，正確量化云覆蓋度擾動對地表短波輻射的強迫效應，對于揭示輻射參量變化的驅(qū)動機制從而更好地預測地球輻射能量平衡和長期氣候變化有非常重要的意義。已有大量研究利用衛(wèi)星觀測、模型模擬以及再分析資料的參數(shù)總結出云對地表短波輻射的影響程度，與無云條件相比，云層覆蓋導致地球入射的太陽輻射減少了49wm-2，約占總入射太陽輻射量的14%，云覆蓋度偏差導致的dssr差異達10-90wm-2。然而，這些研究只考慮了統(tǒng)計上的相關關系，未深入考慮云特性和地表短波輻射參量之間的輻射傳輸機理。由于云的物理和化學特性非常復雜，這些統(tǒng)計關系得到的輻射通量差異可能是多種云或非云因素相互作用產(chǎn)生的綜合效應，且存在較大的時空敏感性。為了盡可能避免由于不同的輸入?yún)?shù)引起的額外誤差，了解云和輻射過程、并正確量化云覆蓋度對地表入射短波輻射收支的影響，對于提高地表輻射參量的精度，從而更好地預測長期氣候變化有非常重要的意義。

2、實現(xiàn)這一目標的前提是從復雜的擾動因素中單獨分離出云覆蓋度的貢獻?，F(xiàn)有單參量輻射強迫貢獻量化方法計算效率低、且時間、空間差異大，無法準確量化參量變化導致的長期輻射強迫效應。利用有效手段高效分離并量化云覆蓋度變化對dssr的輻射貢獻，對于改進氣候模式中的云參數(shù)化方案、更準確地理解云在地球氣候系統(tǒng)中的作用至關重要。傳統(tǒng)方法通過全球氣候模式和部分輻射擾動算法（prp）實現(xiàn)特定變量擾動（如溫度、水汽、地表反照率和云等）對toa輻射通量貢獻的分離。此類方法通常需要運行超過百年時間尺度的模擬實驗以表達全球氣候模式中的氣候反饋狀態(tài)，計算量巨大，精度不穩(wěn)定。且不同氣候模式對大氣廓線的模擬往往存在較大的偏差，導致不同模型的氣候反饋模擬結果差異極大，影響輻射貢獻量化的準確性。輻射核是一種計算量更小的有效分離單一變量輻射貢獻的方法。但該方法仍然面臨兩方面的不確定性，一是當前研究多利用非云輻射核間接估算云覆蓋度變化對輻射強迫效應的影響，這樣一來很容易混淆云與非云參量的輻射貢獻。二是現(xiàn)有研究僅利用一個日歷年內(nèi)特定區(qū)域的大氣廓線模擬數(shù)據(jù)來構建輻射核，忽略了參量的年際變化和空間變化特性，易導致較大的時空誤差。因此，擬利用高精度云覆蓋度信息和全天空ssr估算方法構建計算效率更高、時空適應性更好的云輻射核，直接量化云覆蓋度變化對長期輻射強迫的影響。

3、目前，用于分離單個影響因素變化對輻射貢獻的方法主要有三種，一種是數(shù)據(jù)模擬的方法，例如利用輻射傳輸模型模擬輻射參量在大氣和地表中的傳輸過程，通過輸入額外的大氣信息對云特性引起的輻射強迫進行量化；或者將衛(wèi)星模擬器模擬的云特性轉換為一系列衛(wèi)星觀測系統(tǒng)獲得的合成觀測，用于分離模型中云偏差對地表輻射參量收支的影響。第二種常用的分離方法是部分擾動算法，最初由wetherald和manabe提出，利用全球氣候模式變化實驗和擾動實驗的差值分離由特定變量導致的toa輻射通量變化。該方法的優(yōu)點是可以直接計算各類氣候反饋。當前基于輻射核的方法在評估氣候反饋中得到了廣泛的應用，它通過將單個變量的變化值限定為一個微小的擾動，來構造一個輻射核，并將輻射核作為一個常量因子用以計算該變量在不同時間和區(qū)域內(nèi)對輻射通量的擾動效應。它比部分擾動算法所需要的總體計算量要小的多，而且可以有效減小不同影響因子之間的相關性誤差。

4、為了直接分離云覆蓋度的輻射貢獻，thorsen?等人將部分輻射擾動類似的計算應用于觀測數(shù)據(jù)集，提出了一種基于觀測數(shù)據(jù)的部分擾動方法ceres-prp，并以此計算輻射核。該方法可自由組合擾動變量以實現(xiàn)通量擾動的計算，已成功應用于?ceres-ebaf地表輻射參量和地球能量收支的長時序變化研究。

5、可以看出，數(shù)據(jù)模擬和部分擾動方法需要進行大量的模型模擬和訓練，對計算資源的要求高，運算效率低。現(xiàn)有的輻射核方法雖然所需的總體計算量減小很多，但其初始運算仍然需要運行大規(guī)模的全球氣候模型，非常耗時?，F(xiàn)有的輻射核方法常利用短時間內(nèi)如一個日歷年內(nèi)的控制運算來計算核，忽略了參量的時空變率，易導致較大的時間和區(qū)域誤差?，F(xiàn)有云輻射核通常需要在整個大氣剖面中單獨計算每一層的輻射核再相加，忽視了云的垂直非線性效應，導致最終的輻射核估算存在較大誤差。而更多研究則借助其他非云參量——如溫度、水汽、地表反照率等——建立非云輻射核間接估算云輻射強迫。這種方法易將非云參量導致的輻射不確定性混淆為云的輻射強迫效應，從而增大了云的輻射貢獻量。此外，當前大部分輻射核聚焦在toa的輻射預算上，對地表輻射預算及與之相關的輻射強迫貢獻的關注不足。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法及系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有技術中無法高效分離地表短波云輻射強迫效應的缺陷。

2、第一方面，本發(fā)明提供一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，包括：

3、獲取大氣層頂入射太陽輻射、晴空和全天空條件下大氣層頂出射短波輻射和晴空條件下地表短波輻射參量；

4、基于平面平行假設原理，構建云覆蓋度與所述大氣層頂入射太陽輻射、所述晴空和全天空條件下大氣層頂出射短波輻射和所述晴空條件下地表短波輻射參量的相關輻射傳輸方程；

5、根據(jù)所述相關輻射傳輸方程，在有限差分框架下計算整層云覆蓋度的長時序逐格網(wǎng)云輻射核；

6、確定云覆蓋度信息，將所述長時序逐格網(wǎng)云輻射核乘以所述云覆蓋度信息，得到云覆蓋度引起的地表短波輻射效應。

7、根據(jù)本發(fā)明提供的一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，獲取地表無貢獻時的地表下行輻射通量，以及大氣和亮地表之間的多次反射效應；

8、由地表無貢獻時的地表下行輻射通量與大氣和亮地表之間的多次反射效應求和，得到地表下行輻射通量。

9、根據(jù)本發(fā)明提供的一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，由云覆蓋度與地表反照率為0時云天條件下的地表下行輻射通量，以及晴天條件下的地表下行輻射通量進行加權計算，得到所述地表無貢獻時的地表下行輻射通量；

10、其中，所述地表反照率為0時云天條件下的地表下行輻射通量由所述晴天條件下的地表下行輻射通量和有效云反照率得到。

11、根據(jù)本發(fā)明提供的一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，所述大氣和亮地表之間的多次反射效應由所述地表無貢獻時的地表下行輻射通量、地表反照率、云反照率、云覆蓋度和云條件下大氣對漫射輻射的透射率得到。

12、根據(jù)本發(fā)明提供的一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，所述云反照率由有效云反照率除以所述云覆蓋度得到；

13、所述有效云反照率為大氣層頂入射太陽輻射和地表吸收率的函數(shù)；所述地表吸收率由觀測的大氣層頂短波輻射值、晴空地表短波輻射和云覆蓋度之間的相關關系得到。

14、根據(jù)本發(fā)明提供的一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法，以云覆蓋度為輻射參量唯一影響因素，根據(jù)有限差分原則，計算得到云覆蓋度變量對輻射通量的影響值；

15、由云覆蓋度變量與云覆蓋度變量初始氣候平均值之差得到云覆蓋度擾動變量；

16、所述云覆蓋度變量對輻射通量的通用影響值包括全天空地表入射短波輻射參量、云覆蓋度擾動變量、除云覆蓋度變量初始氣候平均值之外的其余輻射相關變量以及前向有限差分截斷誤差；

17、計算所述云覆蓋度變量對輻射通量的通用影響值與月平均值有關的通量擾動，得到云覆蓋度變量對輻射通量的月平均影響值；

18、分別以所述云覆蓋度變量對輻射通量的月平均影響值的前向有限差分值和后向有限差分值進行平均，得到云覆蓋度變量對輻射通量的月平均影響值的中心差分值；

19、根據(jù)預設云覆蓋度，對云覆蓋度變量對輻射通量的月平均影響值的中心差分值進行歸一化，得到整層云覆蓋度的長時序逐格網(wǎng)輻射核。

20、第二方面，本發(fā)明還提供一種長時序地表短波云輻射強迫效應估算系統(tǒng)，包括：

21、獲取模塊，用于獲取大氣層頂入射短波輻射、晴空和全天空條件下大氣層頂入射短波輻射及晴空條件下地表短波輻射參量；

22、構建模塊，用于基于平面平行假設原理，構建云覆蓋度與所述大氣層頂入射短波輻射、所述晴空和全天空條件下大氣層頂入射短波輻射及所述晴空條件下地表短波輻射參量的相關輻射傳輸方程；

23、計算模塊，用于根據(jù)所述相關輻射傳輸方程，在有限差分框架下計算整層云覆蓋度的長時序逐格網(wǎng)輻射核；

24、估算模塊，用于確定云覆蓋度信息，將所述長時序逐格網(wǎng)云輻射核乘以所述云覆蓋度信息，得到云覆蓋度引起的地表短波輻射效應。

25、第三方面，本發(fā)明還提供一種電子設備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)如上述任一種所述長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法。

26、第四方面，本發(fā)明還提供一種非暫態(tài)計算機可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機程序，該計算機程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)如上述任一種所述長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法。

27、本發(fā)明提供的長時序地表短波云輻射強迫效應估算方法及系統(tǒng)，通過利用整層云覆蓋度的輻射傳輸方程結合有限差分方法計算整層云覆蓋度的長時序逐格網(wǎng)輻射核，并利用高精度的云覆蓋度信息得到相應的地表短波云輻射效應，能直接利用衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)作為輸入，不需要運行大規(guī)模的氣候模型，極大的提高了運算的速度，相比于傳統(tǒng)的直接估算toa云輻射效應的研究，本發(fā)明利用toa輻射參量和地表輻射參量之間的相關性，直接估算了地表短波輻射的云輻射強迫效應，有效彌補了地表云輻射強迫效應研究的不足。此外，與現(xiàn)有云輻射核估算方法不同，本發(fā)明沒有將云層進行逐層分解，而是直接計算整層云的輻射核，有效避免了分層算法中未充分考慮非線性效應導致的估算偏差，而是利用長時序參量數(shù)據(jù)構建逐格網(wǎng)的輻射核，有效減少了參量時空變率導致的估算誤差，最終得到了較高精度的地表短波云輻射效應。