Atmospheric downwelling longwave radiation at the surface during cloudless and overcast conditions. Measurements and modeling

Abstract

Atmospheric downwelling longwave radiation is an important component of the terrestrial energy budget; since it is strongly related with the greenhouse effect, it remarkably affects the climate. In this study, I evaluate the estimation of the downwelling longwave irradiance at the terrestrial surface for cloudless and overcast conditions using a one-dimensional radiative transfer model (RTM), specifically the Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer (SBDART). The calculations performed by using this model were compared with pyrgeometer measurements at three different European places: Girona (NE of the Iberian Peninsula), Payerne (in the East of Switzerland), and Heselbach (in the Black Forest, Germany). Several studies of sensitivity based on the radiative transfer model have shown that special attention on the input of temperature and water content profiles must be held for cloudless sky conditions; for overcast conditions, similar sensitivity studies have shown that, besides the atmospheric profiles, the cloud base height is very relevant, at least for optically thick clouds. Also, the estimation of DLR in places where radiosoundings are not available is explored, either by using the atmospheric profiles spatially interpolated from the gridded analysis data provided by European Centre of Medium-Range Weather Forecast (ECMWF), or by applying a real radiosounding of a nearby site. Calculations have been compared with measurements at all sites. During cloudless sky conditions, when radiosoundings were available, calculations show differences with measurements of -2.7 ± 3.4 Wm-2 (Payerne). While no in situ radiosoundings are available, differences between modeling and measurements were about 0.3 ± 9.4 Wm-2 (Girona). During overcast sky conditions, when in situ radiosoundings and cloud properties (derived from an algorithm that uses spectral infrared and microwave ground based measurements) were available (Black Forest), calculations show differences with measurements of -0.28 ± 2.52 Wm2. When using atmospheric profiles from the ECMWF and fixed values of liquid water path and droplet effective radius (Girona) calculations show differences with measurements of 4.0 ± 2.5 Wm2. For all analyzed sky conditions, it has been confirmed that estimations from radiative transfer modeling are remarkably better than those obtained by simple parameterizations of atmospheric emissivity.

La radiació infrarroja a l’atmosfera és una component important del balanç energètic del planeta; en estar fortament relacionada amb l’efecte hivernacle influeix de manera remarcable en el clima. En aquest estudi s’avalua la bondat de les estimacions de la irradiància infrarroja incident en superfície (DLR) fetes amb un model unidimensional de transferència radiativa, el Santa Barbara DISORT Atmospheric Radiative Transfer (SBDART), per a condicions de cel serè o bé completament ennuvolat. Els càlculs realitzats amb aquest model han estat comparats amb mesures de pirgeòmetre realitzades en tres emplaçaments a Europa: Girona (NE de la Península Ibèrica), Payerne (a l’est de Suïssa), i Heselbach (a la Selva Negra, Alemanya). Els estudis de sensibilitat fets amb el model de transferència radiativa han mostrat l’especial importància que tenen els perfils atmosfèrics de temperatura i contingut d’aigua en absència de núvols; per cels completament ennuvolats l’estudi de sensibilitat mostra que, a banda dels perfils atmosfèrics esmentats, l’altura de la base dels núvols és molt rellevant. S’ha estimat la DLR per indrets on no es disposava de radiosondatges, substituint-los bé per un radiosondatge proper, o bé per perfils interpolats espacialment en l’anàlisi del model de predicció meteorològica de l’European Centre of Medium-Range Weather Forecast (ECMWF). Els càlculs han estat comparats amb mesures per tots els llocs. Per condicions de cel serè, i quan es disposa de radiosondatge, els càlculs mostren una diferència amb les mesures de -2.7 ± 3.4 Wm-2 (Payerne). Quan no es disposa d’aquests perfils, la diferència entre les modelitzacions i les mesures és de 0.3 ± 9.4 Wm-2 (Girona). Per condicions de cel cobert, quan es disposa del radiosondatge i les propietats dels núvols (derivades a partir d’un algoritme que empra mesures espectrals en infraroig i en la banda de microones en superfície, Selva Negra), els càlculs mostren una diferència amb les mesures de -0.28 ± 2.52 Wm-2. Quan es fan servir els perfils del ECMWF i es fixa el valor de la columna d’aigua líquida i el radi efectiu de les gotes d’aigua (Girona) els càlculs mostren una diferència amb les mesures de 4.0 ± 2.5 Wm-2. També s’ha confirmat per totes les condicions estudiades que les estimacions amb el model de transferència radiativa són notablement millors que les obtingudes amb parametritzacions senzilles de l’emissivitat atmosfèrica.