Optical properties of cloudy atmospheres through Radiative Transfer and Remote Sensing: From 1D to 3D approach

Autor: Peris Ferrús, Caterina
Přispěvatelé: Utrillas Esteban, María Pilar, Gómez Amo, José Luis, Departament de Física de la Terra i Termodinàmica
Rok vydání: 2021
Předmět:
Zdroj: RODERIC. Repositorio Institucional de la Universitat de Valéncia
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RODERIC: Repositorio Institucional de la Universitat de Valéncia
Universitat de València
Popis: Las nubes producen grandes cambios en el balance radiativo terrestre. Sin embargo, sigue habiendo incógnitas en aspectos clave concernientes a ellas, tales como sus propiedades físicas, radiativas y estructura interna. Con ello, el conocimiento acerca de su influencia en el sistema climático permanece incompleto. El efecto de las nubes es clave para el calentamiento global, y las incertidumbres acerca de sus propiedades deben ser resueltas en aras de llevar a cabo predicciones correctas del futuro cambio climático. Con todo ello, las observaciones continuas y sistemáticas de dichas propiedades es crucial. En este trabajo nos servimos de la teledetección desde suelo mediante una cámara de nubes, así como de un modelo de transferencia radiativa para inferir el espesor óptico de las nubes en todo cielo mediante un método de inversión. Los estudios de cierre radiativo de este tipo tradicionalmente se han llevado a cabo mediante una concepción plano-paralela del medio y la aplicación de la Aproximación del Píxel Independiente (IPA). Sin embargo, esta aproximación, aunque adecuada para condiciones de cielo completamente cubierto no lo es tanto para situaciones de nubes rotas, debido a que la IPA y el esquema plano-paralelo en sí no tienen en cuenta el transporte radiativo lateral, englobado en lo que se denomina en la literatura 'efectos radiativos 3D'. Esta negligencia produce errores demostrables a la larga en la adquisición de las propiedades radiativas de la atmósfera, y en particular de las nubes. Los efectos radiativos 3D están totalmente comprendidos en modelos de transferencia radiativa 3D Monte Carlo tales como MYSTIC (the Monte Carlo Code for the physically correct tracing of photons in cloudy atmospheres'). Sin embargo, la integración del método de transferencia radiativa Monte Carlo como tal en un estudio de cierre para la obtención de propiedades de los agentes atmosféricos no es banal, dada la complejidad de una atmósfera real y sus procesos radiativos, la falta de información de entrada al modelo en las tres dimensiones y el coste computacional, entre otras limitaciones. Sin embargo, es interesante aplicar las ventajas que ofrece este nuevo tratamiento de una atmósfera más realista y la transferencia radiativa 3D para mejorar los resultados obtenidos mediante la tradicional aproximación unidimensional plano-paralela, así como testear dichos resultados y parametrizar soluciones en la medida de lo posible. Con ello, en este trabajo vamos un paso más allá de la simple aplicación de la Aproximación del Píxel Independiente a los píxeles de la cámara de nubes, y obtenemos una parametrización de los efectos 3D no tenidos en cuenta en la aproximación 1D, mediante la aplicación del método de inversión tradicional a los campos de radiancias obtenidos en un estudio sintético con campos de nubes tridimensionales de espesor óptico conocido y MYSTIC. El estudio sintético considera diversos campos de nubes con distintas coberturas nubosas y varias posiciones solares para analizar la influencia de la geometría solar y nubosa en los efectos 3D. Con ello obtenemos que la IPA proporciona buenos resultados en campos de nubes cubiertos de alto espesor óptico, pero que tiende a subestimar el espesor óptico en campos de nubes rotos y en particular en los bordes de las nubes en los que se dan múltiples reflexiones de la radiación. Las parametrizaciones se obtienen en función de las dos variables del estudio, la cobertura nubosa y el ángulo cenital solar, con lo que pueden aplicarse en análisis de campos de nubes reales interpolando a los valores de estas dos variables. Clouds produce large changes in the Earth's radiative balance. However, there remain unknowns in key aspects concerning them, such as their physical and radiative properties and internal structure. With this, the knowledge about its influence on the climate system remains incomplete. The effect of clouds is key to global warming, and uncertainties about their properties must be resolved in order to make correct predictions of future climate change. With it, continuous and systematic observations of these properties is crucial. In this work we use ground-based remote sensing using a sky camera and a radiative transfer model to infer the optical thickness of the clouds in all sky using an inversion method. Radiative closure studies of this type have traditionally been carried out by means of a plane-parallel conception of the medium and the application of the Independent Pixel Approximation (IPA). However, this approach, although suitable for overcast sky conditions, is not so suitable for broken cloud situations, because the IPA and the plane-parallel scheme itself do not take into account the lateral radiative transport, encompassed in what it is called in the literature '3D radiative effects'. This negligence produces demonstrable errors in the long run in the acquisition of the radiative properties of the atmosphere, and in particular of the clouds. 3D radiative effects are fully encompassed in 3D Monte Carlo radiative transfer models such as MYSTIC (the Monte Carlo Code for the physically correct tracing of photons in cloudy atmospheres'). However, the integration of the Monte Carlo radiative transfer method as such in a closure study to obtain the properties of atmospheric agents is not trivial, given the complexity of a real atmosphere and its radiative processes, the lack of input information to the model in the three dimensions and the computational cost, among other limitations. Anyhow, it is interesting to apply the advantages offered by this new treatment of a more realistic atmosphere and 3D radiative transfer to improve the results obtained through the traditional plane-parallel unidimensional approach, as well as test these results and parameterize solutions as possible. With this, in this work we go a step beyond the simple application of the Independent Pixel Approximation to the pixels of the sky camera, and we obtain a parameterization of the 3D effects neglected in the 1D approximation, by applying the traditional inversion method to the radiance fields obtained in a synthetic study with 3D cloud fields of known optical thickness and MYSTIC. The synthetic study considers various cloud fields with different cloud covers and various solar positions to analyze the influence of solar and cloud geometry on 3D effects. We obtain that the IPA provides good results in overcast cloud fields of high optical thickness, but that it tends to underestimate the optical thickness in broken cloud fields and in particular in the edges of the clouds in which there are multiple reflections of the radiation. The parameterizations are obtained based on the two variables of the study, the cloud cover and the solar zenith angle, with which they can be applied in the analysis of real cloud fields by interpolating to the values ​​of these two variables.
Databáze: OpenAIRE
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