Cloud-aerosol transition zone radiative effects from modeling and observational perspectives

Abstract

Aerosols and clouds, as two particular cases of a single phenomenon (i.e., a suspension of particles in the air), are important components in the climate system. They play a crucial role in determination of Earth’s energy budget, as they strongly affect the balance between the incoming shortwave solar radiation absorbed by Earth’s atmosphere and surface, and the thermal longwave radiation emitted from the Earth. Although aerosols and clouds interact and affect each other's properties, their radiative properties and effects are usually treated separately in climate, meteorological, and weather forecasting studies and models. Thus, a discrimination between the cloudy and noncloudy skies is often required in such contexts. Traditionally, the algorithms used for performing this discrimination assume that the state of the sky is either cloudy or noncloudy (but containing a certain aerosol load), leaving no space for an intermediate phase. However, the change in the state of sky from cloudy to cloudless (or vice versa) occurs gradually, and it comprises an additional phase called “transition zone” (or “twilight zone”), which may represent a variety of atmospheric processes: hydration/dehydration of aerosols, cloud fragments shearing off from the adjacent clouds, decaying and incipient clouds, etc. As a result of this simplified assumption about the state of sky, the area corresponding to the transition zone is often labeled as an area containing optically thin layers of cloud or aerosol. However, the microphysical and radiative characteristics of the transition zone are expected to lay on the border between those corresponding to a cloud and those corresponding to an atmospheric aerosol. In other words, radiative and optical properties corresponding to clear (noncloudy) or cloudy skies are misleadingly used to characterize such transition zone conditions.

In the present thesis we contribute to the knowledge available about the transition zone from an energy balance perspective

Els aerosols i els núvols, com a dos casos particulars d’un mateix fenomen (és a dir, una suspensió de partícules a l’aire), són components importants del sistema climàtic. Tenen un paper crucial en la determinació del balanç energètic de la Terra, ja que afecten fortament l’equilibri entre la radiació solar, d’ona curta, que absorbeixen l’atmosfera i la superfície de la Terra i la radiació tèrmica, d’ona llarga, emesa des de la Terra. Tot i que els aerosols i els núvols interactuen entre ells, modificant uns les característiques dels altres, les seves propietats i efectes radiatius se solen tractar per separat en estudis i models climàtics, meteorològics i de predicció del temps. Per tant, sovint es requereix una discriminació entre el cel serè i el cel ennuvolat. Tradicionalment, els algoritmes utilitzats per realitzar aquesta discriminació suposen que l’estat del cel és o bé ennuvolat o bé serè (sense núvols però que conté una certa càrrega d’aerosol), sense deixar espai per a una fase intermèdia. No obstant això, el canvi de l'estat del cel d’ennuvolat a serè (o viceversa) es produeix gradualment i comprèn una fase addicional anomenada "zona de transició" (o "twilight zone"), que pot representar una varietat de processos atmosfèrics: hidratació / deshidratació d’aerosols, fragments de núvols que sorgeixen dels núvols adjacents, núvols incipients o a punt de desaparèixer, etc. Com a resultat d’aquest supòsit simplificat sobre l’estat del cel, l’àrea corresponent a la zona de transició sovint s’etiqueta com una àrea que conté capes òpticament primes de núvol o aerosol, tot i que s’espera que les característiques microfísiques i radiatives de la zona de transició es trobin al límit entre les que corresponen a un núvol i les que corresponen a un aerosol atmosfèric. En altres paraules, les propietats òptiques i radiatives corresponents a cel serè (no nuvolós) o ennuvolat s’utilitzen de manera no del tot adequada per caracteritzar les condicions de zones de transició.

En la present tesi contribuïm al coneixement disponible sobre la zona de transició des d’una perspectiva de balanç energètic