Original paper
Parameterization of solar radiation from model and observations
Lengfeld, Katharina; Macke, Andreas; Feister, Uwe Güldner
Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 1 (2010), p. 25 - 33
published: Feb 1, 2010
DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0423
Open Access (paper may be downloaded free of charge)
Abstract
The influence of the external and internal structure of clouds on the incoming solar radiation cannot yet be included in parameterizations used in numerical models. Based on numerical simulations, Schewski and Macke (2003) (Schewski-parameterization) have shown that a robust link exists between the domain averaged cloud and the domain averaged solar broadband radiation fluxes, despite the 3d nature of the cloud fields involved. The present work revisits this approach with observed cloud (cloud cover and liquid water path) and radiation (downwelling shortwave radiative flux) properties obtained from the Richard Assmann Observatory (RAO) of the German Weather Service in Lindenberg. Applying the original (model based) cloud-radiation parameterization by Schewski and Macke (2001) to observed domain averaged cloud fields yields an overall good correlation between observed and parameterized downwelling solar radiation fluxes. However, the parameterized fluxes strongly underestimate the observations. The Schewski parameterization has been modified by removing the bias and re-adjusting the parameterization coefficients to match the observed cloud and radiation correlation. Furthermore, the empirical parameterization by Zillman (1972) has been implemented for describing the clear conditions. Applying the new parameterization to an independent data set provides significant improvements. However, the accuracy remains in the order of previously used one- or two-parameter empirical cloud-radiation parameterizations. We conclude that cloud cover and liquid water path, i.e. those data that are available from large scale climate models, cannot be regarded as sufficient to describe the cloud radiative effect at the surface.
Kurzfassung
Der Einfluss der internen Struktur von Wolken auf die einfallende solare Strahlung kann bisher nicht in Parametrisierungen erfasst werden, die in numerischen Modellen verwendet werden. Basierend auf numerischen Simulationen haben Schewski and Macke (2003) (Schewski-Parameterisierung) gezeigt, dass trotz der Vernachlässigung der dreidimensionalen Struktur der Wolkenfelder eine starke Verbindung zwischen den gebietsgemittelten Wolken und den gebietsgemittelten solaren breitbandigen Strahlungsflüssen besteht. Diese Arbeit verfolgt diesen Ansatz mit beobachteten Wolken- (Bedeckungsgrad und Flüssigwasserpfad) und Strahlungseigenschaften (nach unten gerichteter kurzwelliger Strahlungsfluss), die vom Richard-Aßmann-Observatorium (RAO) des Deutschen Wetterdienstes Lindenberg gemessen wurden. Die Anwendung der ursprünglichen (auf Modellen basierenden) Wolken-Strahlungsparametrisierung von Schewski and Macke (2001) auf gebietsgemittelte Wolkenfelder liefert insgesamt eine gute Korrelation zwischen beobachtetem und parametrisiertem nach unten gerichtetem Strahlungsfluss. Allerdings unterschätzen die parametrisierten Flüsse die Beobachtungen deutlich. Die Schewski-Parameterisierung wurde modifiziert, indem der systematische Fehler beseitigt wurde und die Koeffizienten der Parametrisierung an die Beobachtungen angepasst wurden, so dass die Korrelationen zwischen Beobachtung und Parametrisierung möglichst hoch ist. Darüber hinaus wurde die empirische Parametrisierung von Zillman (1972) eingesetzt um den wolkenfreien Fall zu beschreiben. Die Anwendung der neuen Parametrisierungen auf einen unabhängigen Datensatz brachte signifikanten Verbesserungen. Die Genauigkeit bleibt in der Größenordnung von früher benutzten empirischen Parametrisierungen mit ein oder zwei Parametern. Wir folgern daraus, dass Bedeckungsgrad und Flüssigwasserpfad, d.h. die Daten, die in großskaligen Klimamodellen zur Verfügung stehen, nicht ausreichen um den Wolken-Strahlungseffekt am Boden zu beschreiben.