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青藏高原的天空清澈无瑕，辽阔深邃，但凡去过青藏高原的人都会对这样的蓝天印象深刻。如果细致观察会发现，青藏高原有一种独特的云，它形似爆裂的爆米花，我们称它为“爆米花”云（如图1）。这种云尺度小，它们的形成与青藏高原旺盛的对流活动有关。
图1 青藏高原夏季的“爆米花”云
这些小尺度云的存在会改变地表辐射的能量平衡，但其对高原不同尺度水循环过程的影响机理仍不清楚。已有研究从局地陆气相互作用（减少蒸散发）的角度阐明了小尺度云减少青藏高原降水的物理过程（Zhao et al., 2023）。同时，夏季青藏高原地表加热导致大气低层存在一个低压中心和气旋式环流，将季风水汽从青藏高原东边界和南边界输送到其内部。那么，小尺度云引起的地表加热的变化是否足以影响大尺度环流和水汽辐合，从而影响青藏高原夏季降水呢？
针对这一问题，清华大学地球系统科学系（以下简称地学系）阳坤教授团队利用包含统计云量和次网格凝结方案（Gaussian Probability Density Function, GPDF）的WRF模式，分别在约11 km和5 km分辨率下模拟了2018年夏季的青藏高原气候，发现该方案在两种分辨率下均可显著降低夏季的湿偏差。其中，5 km分辨率结合GPDF方案的模拟与站点观测的累积降水量最为接近（图2a）；与WRF中默认使用的Xu-Randall云量方案（CTRL方案）相比，该方案增加了模拟的500 hPa的云水含量和300 hPa的云冰含量（图2b-c），有效弥补了模式中小尺度云表达不足的问题，显著缓解了模式对青藏高原多数地区短波辐射的高估（图2d）。
图2 青藏高原2018年7-8月平均的（a）WRF模拟和站点观测（OBS）平均的累积降水量（单位：mm），（b）500 hPa云水混合比差异（单位：10-6 kg/kg），（c）300 hPa云冰混合比差异（单位：10-6 kg/kg），（d）地表下行短波辐射差异（单位：W/m2）（5 km格距时GPDF方案减CTRL方案）。（b-d）中的阴影区域表示通过了显著性检验（p=0.1）。
上述对比模拟表明，小尺度云起到了显著减少地表太阳辐射的作用（图2d），从而削弱了陆气交换强度，减弱了地表蒸散发和感热通量（图3a）。这一方面直接减少了地面对大气水汽的局地补给，另一方面抑制了青藏高原的“热泵”效应，导致500 hPa位势高度增加，围绕高原的季风环流被削弱（图3b），从而抑制远程水汽向青藏高原输送（图3c）。
图3 青藏高原2018年7-8月平均的（a）地表感热通量差异（单位：W/m2），（b）500 hPa的水汽通量差异（单位：g/s∙hPa∙cm）和位势高度差异（单位：gpm），（c）水汽通量辐合差异（单位：mm/h）（5 km格距时GPDF方案减CTRL方案）。（a, c）中的阴影区域表示通过了显著性检验（p=0.1）。
由此可见，小尺度云的存在既可以通过削弱局地蒸散发来减少降水，也可以通过减弱季风水汽输送来减少降水。为探究主导降水减少的过程，研究组利用大气中的水汽平衡方程分解了局地和远程的水汽贡献，发现蒸散发的减少主要发生在当地时间的10:00-16:00（图4a），而水汽通量辐合的减少则在全天均能发生，且后者对减少降水起主导作用，其贡献约占70%（图4b）。
图4 青藏高原2018年7-8月5 km格距时两个方案模拟的平均（a）蒸散发（单位：mm/h）和（b）水汽通量辐合（单位：mm/h）的日变化。
本研究强调了青藏高原夏季云辐射反馈对水汽辐合和降水的重要影响，为后续青藏高原气候模式的开发提供了独特视角。相关研究以“Cloud radiative feedback to the large-scale atmospheric circulation greatly reduces monsoon-season wet bias over the Tibetan Plateau in climate modeling”为题发表于Geophysical Research Letters期刊。清华大学地学系阳坤团队博士生刘嘉睿为论文第一作者。研究得到了国家自然科学基金项目(41988101, 42201021)和中国科学院计算机网络信息中心CASEarth Cloud地球大数据云服务基础设施平台的支持。
论文信息：
Liu, Jiarui et al. (2024). Cloud radiative feedback to the large-scale atmospheric circulation greatly reduces monsoon-season wet bias over the Tibetan Plateau in climate modeling. Geophysical Research Letters, 51, e2024GL109180. https://doi.org/10.1029/2024GL109180
参考文献：
Zhao, D., Lin, Y., Dong, W., Qin, Y., Chu, W., Yang, K., et al. (2023). Alleviated WRF summer wet bias over the Tibetan Plateau using a new cloud macrophysics scheme. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 15(10), e2023MS003616. https://doi.org/10.1029/2023MS003616
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供稿：刘嘉睿、阳坤
编辑：王佳音
图文排版：佘王康
审核：张强
