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Correlation between domain averaged cloud properties, and solar radiative fluxes for three-dimensional inhomogeneous mixed phase clouds

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Abstract:

The simplified representation of clouds as horizontally homogeneous layers leads to qualitatively well known systematic errors in calculations of the domain averaged solar radiative fluxes. The present work tries to correlate the domain averaged radiative fluxes from three-dimensional (3d) cloud fields with the domain averaged properties of the cloudy atmosphere. The results will help to estimate the applicability of radiative transfer parameterizations in non-cloud-resolving circulation models. Three-dimensional cloud fields have been calculated from the mesoscale atmospheric circulation model GESIMA, and serve as input to a Monte Carlo radiative transfer code. The cloud fields have a pronounced 3d structure in extinction, scattering and absorption properties of the cloud hydrometeors (mixed-phase clouds). It is shown that domain averaged albedo is strongly correlated with cloud cover. The correlation coefficient is improved by adding cloud thickness or the combination of liquid water path and cloud top temperature. Absorption is described best by cloud top temperature together with liquid water path for small and ice water path for large solar zenith angles (SZA). Cloud thickness further improves the correlation with absorption. Total transmission as well as its parts diffuse and direct transmission correlate best with cloud cover and liquid water path, further with cloud top temperature or cloud thickness in case of the diffuse transmission. Nonlinear regressions based on the optimal three cloud parameters yield smallest correlation coefficients of 0.88 for albedo, 0.84 for absorption and 0.92 for total transmission. Only the correlation coefficient for diffuse transmission falls below 0.8 for very large SZAs. Because of this high correlation we conclude that it appears possible to parameterize domain averaged radiative fluxes for 3d cloud fields without information of the internal cloud structure.

Die vereinfachte Annahme horizontal homogener Wolkenschichten führt zu qualitativ gut bekannten systematischen Fehlern in der Berechnung der gebietsgemittelten solaren Strahlungsflüsse. Die vorliegende Arbeit stellt den Zusammenhang zwischen gebietsgemittelten Strahlungsflüssen dreidimensionaler (3d) Wolkenfelder und den ebenso gemittelten Wolkeneigenschaften her. Die Ergebnisse dienen zur Einschätzung der Anwendbarkeit von Parametrisierungen der Strahlungsbilanz in nicht-wolkenauflösenden Zirkulationsmodellen. Mit Hilfe des mesoskaligen atmosphärischen Zirkulationsmodells GESIMA wurden die Eingangsfelder für ein Monte Carlo Strahlungstransportmodell berechnet. Die Wolkenfelder haben eine ausgeprägte 3d Strukur sowohl in der Extinktion als auch in den Streu- und Absorptionseigenschaften der Wolkenhydrometeore (Mischphasenwolken). Es stellt sich heraus, dass die gebietsgemittelte Albedo am stärksten mit dem Bedeckungsgrad, verbessert noch durch Hinzunahme der vertikalen Wolkenausdehnung beziehungsweise der Kombination aus Flüssigwasserpfad und Wolkenoberkantentemperatur, korreliert ist. Die Absorption lässt sich am besten durch die Wolkenoberkantentemperatur zusammen mit dem Flüssigwassergehalt bei kleinen und dem Eiswasserpfad bei großen Sonnenzenitwinkeln wiedergeben, weiter verbessert durch die vertikale Wolkenausdehnung. Sowohl die Gesamttransmission als auch ihre beiden Anteile, die diffuse und die direkte Transmission, korrelieren optimal mit dem Bedeckungsgrad und dem Flüssigwasserpfad und weiterhin mit der Wolkenoberkantentemperatur beziehungsweise der vertikalen Wolkenerstreckung bei der diffusen Transmission. Nichtlineare Regressionen mit drei jeweils optimalen Wolkenparametern ergeben kleinste Korrelationskoeffizienten von 0,88 für die Albedo, 0,84 für die Absorption und 0,92 für die Gesamttransmission. Einzig der Korrelationskoeffizient für die diffuse Transmission sinkt für sehr flache Sonnenstände unter 0,8. Aufgrund dieser hohen Korrelation schließen wir, dass es möglich erscheint, gebietsgemittelte Strahlungsflüsse dreidimensionaler Wolkenfelder ohne Informationen zur internen Wolkenstruktur zu parametrisieren.

Keywords:

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2003/0012-0293

Publication date: December 1, 2003

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