大气辐射传输建模：AER代码的总结外文翻译资料

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大气辐射传输建模：AER代码的总结

S.A. Clough, M.W. Shephard , E.J. Mlawer, J.S. Delamere, M.J.Iacono,K. Cady-Pereira, S. Boukabara, P.D. Brown

美国大气环境研究室 (AER) Inc., 131 Hartwell大道，列克星敦， MA 02421-3126 , USA

2003年11月12日收到; 于2004年5月21日接受

（翻译：马昕芮）

摘要

美国大气环境研究室 (AER)开发的辐射传输模型被广泛应用于大气科学领域中。本文旨在为AER公开的各种辐射传输模型和相关数据库提供一个连贯的总结。有许多研究团队使用了AER提供的这些模型，其中包括遥感方向的团队（如TES，IASI），数值天气预报方向的团队（如ECMWF，NCEP GFS，WRF，MM5）和气候方向的团队(如 ECHAM5)。本文主要介绍了以下模型的核心特征和最新的更新：逐线积分辐射传输模型（LBLRTM）、行文件创建程序（LNFL）、长波和短波快速辐射传输模型（RRTM_LW和RRTM_SW）、单色辐射传输模型（MonoRTM）、水汽连续吸收模型（MT_CKD）和Kurucz太阳源函数。LBLRTM和相关的谱线参数数据库（例如2001更新的HITRAN 2000）在这些模型中起着核心作用。LBLRTM所采用的物理学已经在封闭实验中被全面分析，该封闭实验涉及了模型输入（例如大气状态），光谱辐射测量和光谱模型输出的评估。然后，使用经验证的LBLRTM模型来开发和评估快速辐射传输模型。

关键词：AER辐射传输模型；逐线积分辐射传输模型（LBLRTM）；LNFL；RRTM；单色辐射传输模型（MonoRTM）； 水汽连续吸收模型（MT_CKD）；Kurucz太阳源函数。

1. 引言

本文的目的是由本杂志编辑委员会提供的辐射传输摘要，该摘要介绍了已经开发并应用于AER大气问题的公开可用的辐射传输模型和数据库（http：//www.rtweb.aer.com）。本文包括以下模型的摘要和最新更新：逐线积分辐射传输模型（LBLRTM）、关联的行文件创建代码（LNFL）、长波和短波快速辐射传输模型RRTM_LW和RRTM_SW、单色辐射传输模型（MonoRTM）、水汽连续吸收模型（MT_CKD）和Kurucz太阳源函数^[1] 。应该指出的是，辐射团队也有其他准确的辐射传输模型。

AER模型目前所展现的准确性是由于两项重要举措而实现的：（1）谱线参数数据库质量的持续改进和（2）威斯康星大学小组 ^[2]使用具有高光度准确度的干涉仪获得的光谱辐射测量。HITRAN数据库为我们模型中使用的谱线参数提供了基础。这个数据库的改进意义重大，也许大气辐射传输最值得注意的例子是近期红外波段水汽线的改进^[3]。从地表（例如大气发射辐射干涉仪（AERI））和中高度干涉仪（例如高分辨率干涉测深仪（HIS））获得的高辐射度和精确度的中等分辨率光谱辐射度测量的作用很重要。这些测量结合精确的大气状态指标，如大气辐射测量项目（ARM）在南大平原（SGP）现场获得的剖面，对模型参数化的发展产生了重要影响，包括水汽吸收连续体与二氧化碳有关的线型和连续体。

最后，目前的模型在空军地球物理实验室（现称空军研究实验室）进行的长时间大气辐射研究项目中具有很高的价值。Frank Kneizys，Eric Shettle，John Selby，Gail Anderson，Bill Gallery，Larry Rothman，Jim Chetwynd和Richard Davies是该项目的重要贡献者，他们的工作对当前模型产生了强烈影响。

1. AER辐射传输模型和更新

2.1.LBLRTM (v8.1)

LBLRTM ^[4]是从快速大气信息程序（FASCODE）^[4,5]中导出的准确高效的逐线积分辐射传输模型。LBLRTM已经应用并将继续广泛验证从紫外到亚毫米的大气辐射光谱（例如[6]）。它在ARM中扮演着关键角色，用于从太空中检索大气成分的NASA对流层发射光谱仪（TES）^[7]是基于LBLRTM的。

以下总结了LBLRTM_v8.1的重要属性：Voigt线型用于所有大气，并且基于近似函数的线性组合的算法;：LBLRTM结合了水汽连续吸收模型MT_CKD，其中包括水汽的自加宽和外加宽，以及由于瑞利散射引起的二氧化碳，氧气，氮气，臭氧和消光的连续性；HITRAN线数据库^[8]上的所有参数都被使用，包括压力位移系数，半宽度温度依赖性和水汽自加宽系数；总配分函数（TIPS）程序的新版本用于线强度的温度依赖性^[9,10]；二氧化碳管线耦合的影响被处理为二阶（参见第2.2节）；与HITRAN数据库相关的温度相关的截面数据可能被用于处理重分子（例如，卤化碳）的吸收；如Clough等人所讨论的实现用于处理垂直不均匀层内的普朗克函数变化的算法[5]，包括快速傅里叶变换(FFT)仪器功能^[11]。

这些属性提供的光谱辐射计算精度与其验证的测量结果一致，并且计算时间极大地便于将逐线积分方法应用于当前的辐射传输应用。 LBLRTM的算法精度约为0.5％，与计算过程相关的误差比线参数的误差小五倍，因此一般情况下的极限误差可归因于谱线参数和线型。

由于LBLRTM有许多重要的更新和改进，我们正在概述最近版本中的重要变化：新的水汽连续吸收模型MT_CKD_1.0（0-20, 000 ）已经应用（请参阅到第2.5节）；MT_CKD_1.0中也包含对和连续性做出的重要更改（参见第2.5节）；LBLRTM增加了在高度或压力网格上输入大气廓线的灵活性；LBLRTM能够计算未处于局部热力学平衡（非LTE选项）的大气层的数量；增加了朗伯表面下视场景的辐射传输能力；为了便于计算，更新了包括气溶胶和云模型LBLRTM和LOWTRAN7之间的接口；LBLRTM的可移植性已得到扩展，尤其是为了提高与LINUX，IBM（AIX）和Apple（OS X）系统的兼容性。包括用于为多个平台创建单精度和双精度可执行文件的生成文件（表1）。

LBLRTM线参数输入是通过在谱线文件数据库上运行LNFL程序（见第2.2节）获得谱线。该模型利用温度相关的水汽截面：通过将截面光谱与适当的洛伦兹函数进行卷积来处理压力相关性，从而有效地将宽度增加到适当的值.。LBLRTM还利用了Kurucz ^[1]太阳源函数。

通过AER辐射传输工作组网站，研究人员也可以使用一个名为RADSUM的单独程序，根据用户指定的光谱间隔通过LBLRTM辐射率来计算通量和加热速率。

表1 目前的LBLRTM平台

LBLRTM以前在DEC alpha，Cray，MS-DOS和HP平台上运行。

2.2.LNFL (v1.14)

利用LNFL从HITRAN线参数和类似的线数据库中获取二进制线参数文件。LNFL还将线耦合/混合参数添加到用作LBLRTM输入的线参数数据库中。LNFL v1.14包含区域（600-800 ）中的 Q分支的线路耦合参数，这些参数已更新为与HITRAN 2000线路参数一致，包括Hoke等一阶和二阶耦合参数。Strow等^[13]在1932年将2076、2093、2193Q分支处的二氧化碳的一阶线耦合参数也包括在内。LNFL和LBLRTM目前通过分子号38处理与分子种类相关的同位素变体，与HITRAN数据库一致。

2.3. RRTM

准确和快速的辐射传输模型RRTM计算短波通量、长波通量和冷却速率，应用于大气辐射传输的一般研究，并应用于大气环流模型^[14-16]。 RRTM使用的相关k方法的计算效率已被选定，其准确度与逐线积分辐射传输模型一致，及其对多次散射计算具有直接适应性。从LBLRTM（包括CKD_2.4连续模型和HITRAN数据库）获得用于构建相关k-分布的吸收系数。吸收系数的准确性已经通过许多高分辨率的测量验证了，特别是作为ARM程序^[6,15]的一部分进行的验证。

RRTM在长波（下文中称为RRTM_LW）中分成十六个连续波段，从10到3250 和短波中的十四个波段（以下称为RRTM_SW），波段为820-50,000根据活性气体物质的主要吸收特征选择光谱带。除了晴天辐射传输外，RRTM还可提供水云^[17]和冰云^[18,19]的辐射效应的参数化。

RRTM软件已针对LBLRTM和测量进行了广泛验证。在此类验证的基础上，RRTM_LW（也公开可用）的加速版本已成为欧洲中期天气预报中心（ECMWF）^[20]、全国环境预测中心（NCEP）和全球预报系统（GFS）的长波业务代码实施。它还在国家大气研究中心（NCAR）地区气候模型^[16,21]和最近的NCAR地区大气模型（CAM）中进行测试。RRTM_LW已在许多其他动力学模型中应用，包括PSU / NCAR中尺度模式（MM5）、（NCEP / NCAR）天气研究和预报（WRF）模型和北极区域气候系统模型（ARCSyM）^[22]，并为球面谐波离散纵坐标法SHDOM提供了k分布^[23]。此外，RRTM_SW的准确性使其成为其他短波快速辐射传输模型发展的参考模型。RRTM_SW的一个重要特征是它在晴空条件下比当前大多数短波代码在晴天模式中产生更大的吸收。

2.3.1. RRTM_LW (v3.0)

RRTM_LW计算长波频谱范围内的通量和加热速率。模拟的分子吸收物质是水汽、二氧化碳、臭氧、一氧化二氮、甲烷、氧气、氮气和常见的卤化碳。2002年9月，RRTM_LW 3.0版发布。RRTM_LW 3.0已在各种大气条件下针对LBLRTM进行了验证。根据这些验证，RRTM_LW的晴空长波精度已经建立如下：任何高度的净通量为1.0 W （相对于LBLRTM）；对流层和平流层低层总冷却速率误差为0.1 K，平流层高层及其以上为0.3 K。 RRTM_LW v3.0包含了2.3版以前版本的一些实质性更新：基于HITRAN 2000数据库的预发布版的HITRAN96线参数数据库编制的新K分布（水汽除外）^{[3 ]}。在具有与当前丰度显著不同的痕量气体（例如二氧化碳，甲烷）丰度的大气中，在RRTM_LW v3.0中计算的通量和冷却速率中的误差减少；并且减少平流层冷却速率的误差。在RRTM_LW v3.0中，平均最大平流层冷却速率误差（对于代表性的43组大气廓线）为0.27 K，而RRTM_LW v2.3的平均误差为0.53 K。

2.3.2. RRTM_SW (v2.4)

RRTM_SW ^[24]计算短波频谱范围内的通量和加热速率。模拟的消光源包括水汽、二氧化碳、臭氧、甲烷、氧气、气溶胶和瑞利散射。离散纵坐标法辐射传输算法DISORT ^[25]用于执行多次散射的辐射传输计算。对于地表的总通量（直接加漫射），RRTM_SW和多重散射LBLRTM / CHARTS ^[26]在1.5 W范围内一致，对每个RRTM_SW光谱带都具有良好的一致性。

RRTM_SW适合用作提高GCM短波码性能的参考。在GCM环境中使用RRTM_SW的关键特征性能是通过与高分辨率，数据验证模型LBLRTM / CHARTS^[15,26]相比较下ARM测量的可追溯性。只有通过与最高光谱分辨率下的测量建立这样一个连接，才可以确保快速辐射传输模型准确地与相关物理学结合。RR

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