雲の散乱が熱放射移動と全球長波放射に与える影響

Cloud scattering impact on thermal radiative transfer and global longwave radiation.

• Zhonghai Jin
• Yuanchong Zhang
• Anthony Del Genio
• Gavin Schmidt
• Maxwell Kelley

抄録

長波(LW)雲の散乱の潜在的な重要性は認識されているが、熱放射に対するこの影響の実際の推定値は研究によって大きく異なっている。一般的な循環モデル(GCM)では、一般的に長波の多重散乱は無視されているか、単純化されている。本研究では、厳密な輻射移動アルゴリズムを用いて、雲幅方向の多重散乱を明示的に考慮し、GCMを適用して雲幅方向の散乱が熱放射束に与える影響を定量化した。その結果、地表面の下向き熱放射に対する雲の散乱効果は、赤外大気窓スペクトル(800-1250cm)に集中していることがわかった。出射長波放射(OLR)に対する雲の散乱効果は、低い雲の上では大気窓領域にも存在するが、高い雲の上では主に遠赤外スペクトル(300-600 cm)に集中している。光学深度が小さいか中程度(<10)の雲では、熱流束に対する散乱効果は雲に依存して大きく変化し、光学深度3程度で最大となる。 不透明な雲では散乱効果は漸近し、より小さく、重要度は低い。2ストリーム放射伝達方式では、計算されたLWフラックスのRMS誤差は3.5%〜4.0%程度で、10%以上の誤差が生じる可能性がある。この2ストリーム近似のアルゴリズム誤差は、LWの無散乱誤差を容易に超える可能性があり、したがって、時間のかかる多重散乱の計算を2ストリーム放射伝達方式に含めることは価値がない。しかし、ストリーム数が増加するにつれて計算誤差は急速に減少し、4ストリームスキームを用いた流速フラックスのRMS誤差は0.3%以下であり、これはほとんどの気候研究に十分な精度である。我々は、4ストリーム離散座標アルゴリズムをGISS GCMに実装し、20年間のGCMを、それぞれLW散乱効果の有無にかかわらず実行した。雲のLW散乱を含む場合、全球の年間平均OLRは2.7W/m減少し、下向き地表面フラックスは1.6W/m、大気吸収量は1.8W/m増加することがわかった。ISCCP雲の1年分を用い、オフラインでスタンドアロン放射収支計算を行った結果、全球年平均OLRの非散乱誤差はそれぞれ3.6W/m, -1.1W/m, -2.5W/mであった。OLRに対する2.7W/mの全球散乱の影響は、典型的な全球OLR値240W/mと比較すると小さいが、雲のLW放射強制力(30W/m)と純雲強制力(-14W/m)と比較すると有意である。全体として、散乱を無視した場合の熱流束への影響は、COを2倍にすることによる晴天放射効果の報告に匹敵するものである。

The potential importance of longwave (LW) cloud scattering has been recognized but the actual estimate of this effect on thermal radiation varies greatly among different studies. General circulation models (GCMs) generally neglect or simplify the multiple scattering in the LW. In this study, we use a rigorous radiative transfer algorithm to explicitly consider LW multiple-scattering and apply the GCM to quantify the impact of cloud LW scattering on thermal radiation fluxes. Our study shows that the cloud scattering effect on downward thermal radiation at the surface is concentrated in the infrared atmospheric window spectrum (800-1250 cm). The scattering effect on the outgoing longwave radiation (OLR) is also present in the window region over low clouds but it is mainly in the far-infrared spectrum (300-600 cm) over high clouds. For clouds with small to moderate optical depth ( < 10), the scattering effect on thermal fluxes shows large variation with the cloud and has a maximum at an optical depth of ~3. For opaque clouds, the scattering effect approaches an asymptote and is smaller and less important. The 2-stream radiative transfer scheme could have an error over 10% with an RMS error around 3.5%-4.0% in the calculated LW flux. This algorithm error of the 2-stream approximation could readily exceed the no-scattering error in the LW, and thus it is worthless to include the time-consuming computation of multiple scattering in a 2-stream radiative transfer scheme. However, the calculation error rapidly decreases as stream number increases and the RMS error in LW flux using the 4-stream scheme is under 0.3%, an accuracy sufficient for most climate studies. We implement the 4-stream discrete-ordinate algorithm in the GISS GCM and run the GCM for 20 years with and without the LW scattering effect, respectively. When cloud LW scattering is included, we find that the global annual mean OLR is reduced by 2.7 W/m, and the downward surface flux and the net atmospheric absorption are increased by 1.6 W/m and 1.8 W/m, respectively. Using one year of ISCCP clouds and running the standalone radiative transfer offline, the global annual mean non-scattering errors in OLR, surface LW downward flux and net atmospheric absorption are 3.6W/m, -1.1 W/m, and -2.5 W/m, respectively. The global scattering impact of 2.7 W/m on the OLR is small when compared to the typical global OLR value of 240W/m, but it is significant when compared to cloud LW radiative forcing (30W/m) and net cloud forcing (-14W/m). Overall, the effect of neglecting scattering on the thermal fluxes is comparable to the reported clear sky radiative effect of doubling CO.