不同云种类地表云短波辐射效应的主控因子及其不确定性研究——以美国南部大平原地区中心观测站为例

摘要

地表的云短波辐射效应(shortwave cloud radiative effect,F_CRE)在气候变化中扮演关键角色，但在不同的云种类下具有很大的不确定性且其主控因子不明。本文利用美国南部大平原中心站14年15 min分辨率的云种类和同期地表短波辐照度等观测资料，分析了8种云（淡积云Cu、层云St、高积云Ac、高层云As、卷层云Cs、卷云Ci、浓积云Co、深对流云Dc）的F_CRE特征及其影响因素，引入云相对辐射效应(relative F_CRE,F_RCRE)参量，结合XGBoost及SHAP模型揭示了不同云种类下两种云辐射效应指标的差异及主控因子，并评估了二者的不确定性。结果表明：1)虽然8种云的F_CRE强度总体上与云量、云反照率呈正相关关系，与天顶角呈反相关关系，但其细节却显示不同云种类的云参量与F_CRE存在复杂的非线性关系。2)在95%置信区间内，云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci的F_CRE波幅为-350～206 W·m^-2,云量和反照率双高的Co和Dc为-1 172～289 W·m^-2,其他具有中等云属性的St、Cs和As为-926～371 W·m^-2,这表明不同云种类的F_CRE不确定性很大。F_CRE受云参量、辐射参量和天顶角的影响，其主控因子达5～6个，且因子不一是其不确定性大的重要原因。3)引入的F_RCRE本质上同F_CRE所反映的云辐射特征一致，但其主控因子仅稳定剩下云量、云反照率和直接辐照度3个，分离了天顶角对它的影响。8种云的F_RCRE较F_CRE的不确定性降低了2.6%～66.0%,平均下降了10.7%,其中强对流性云Co和Dc下降最为显著。4)对于云量和云反照率双高的Co和Dc,云反照率对F_RCRE的调制作用更为显著，反之，云量和云反照率双低的Cu、Ac和Ci,云量的调制作用更加显著。该研究为深入理解云-辐射相互作用、降低气候模拟中云辐射效应的不确定性提供了新的思路。

关键词

短波云辐射效应 / 云种类 / 主控因子 / 不确定性分析 / 可解释性机器学习模型