Radiative transfer code development: Applications to the estimation of the radiative impact of aerosols

Abstract

The aim of this PhD research is to contribute to a better estimation of the radiation budget of the Earth and the atmosphere by delving into the further understanding of physical phenomena of the atmosphere. The studied phenomena are the atmospheric radiative transfer and aerosols. The radiative transfer code MOMO (Matrix Operator Model) has been extended from shortwave [0.2 – 4 μm] to the full spectral range [0.2 – 100 μm] in order to obtain a versatile radiative transfer code that can be used for different radiative transfer studies (e.g. inversion of remote sensing measurements, optimization and calibration of measurement instruments and methods, estimation of radiative transfer fluxes, estimation of radiative forcings and heating rates), with different exigencies of precision and rapidity and over the full spectral range. The extension of MOMO to the full range consisted of the integration of the emission of thermal infrared radiation by gases, aerosols and clouds into the matrix operator algorithm of the code. The extension of MOMO also required the development of a spectroscopy module for the modeling of the water vapor continuum of absorption in the thermal infrared. In MOMO, the gas transmission for spectral bands is modeled by means of a k-distribution method. This k-distribution algorithm has also been extended to the thermal infrared and now includes the gas emission of radiation. In a second step, MOMO has been applied in a study on the contribution of aerosols to the radiation budget. This application has been carried out in 3 steps: 1) The characterization of the aerosols by means of observations on a regional scale (measurement campaign or spaceborne measurements). 2) The development of a radiative transfer scheme with radiative transfer code MOMO in its full range version. 3) The estimation of the radiative fluxes and of instant aerosol radiative forcings and heating-rates. The results of this work demonstrate the importance of the instrumental synergy of in-situ measurements and lidar remote sensing for the characterization of aerosol microscopic properties (refractive index and size distribution). The latter method was applied to aerosols in the Mediterranean basin within the measurement campaign TRAQA. The results have revealed the differences between pollution aerosols and desert dust aerosols regarding their microscopic and radiative properties. Further case studies have shown that the presence of clouds below the aerosols has a decisive influence on the sign and on the order of magnitude of aerosol direct radiative forcing.

Das Ziel dieser Doktorarbeit ist das Verständnis von physikalischen atmosphärischen Phänomenen zu vertiefen, um eine bessere Abschätzung der Strahlungsbilanz zu erhalten. Die Phänomene, die untersucht wurden sind der Strahlungstransport in der Atmosphäre und die Aerosole. Das Strahlungstransportprogramm MOMO (Matrix-Operator Method) wurde vom kurzwelligen Spektralbereich [0.2 – 4 μm] zum gesamten Spektralbereich [0.2 – 100 μm] erweitert. Dadurch erhielten wir ein Programm, das für Strahlungstransportsimulierungen unterschiedlicher Art und ohne spektrale Einschränkung verwendet werden kann. Die Erweiterung des Spektralbereiches MOMOs besteht in der Implementierung der Strahlungsemission von Gasen, Aerosolen und Wolken in den Matrix-Operator Algorithmus des Programms. Für die Erweiterung des Programms zum langwelligen Spektralbereich wurde auch ein spektroskopisches Modul entwickelt, um das Absorptionskontinuum von Wasserdampf im thermischen infraroten Spektralbereich zu modellieren. Innerhalb von MOMO wird die Transmission von Gasen für breite Spektralbände anhand einer sogenannten „k-Verteilung Methode“ modelliert. Des Weiteren wurde der k-Verteilungsalgorithmus MOMOs zum thermischen Infrarot erweitert, um die Strahlungsemission von Gasen zu berücksichtigen. In dieser Arbeit wurde MOMO verwendet, um den Beitrag der Aerosole zur Strahlungsbilanz abzuschätzen. Die Studie wurde in 3 Schritten durchgeführt: 1) Die Charakterisierung der Aerosole anhand von Beobachtungen auf der regionalen Skala (aus Messkampagnen oder Satellitendaten). 2) Die Entwicklung eines Schemas zur Strahlungssimulation mit der neuen Version MOMOs als Kern. 3) Die Abschätzung der Strahlungsflüsse und des Strahlungsantriebes und der Heizrate der Aerosole. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen wie effizient die Synergie von in-situ Messungen und LIDAR-Messungen für die Charakterisierung der mikroskopischen Eigenschaften der Aerosole ist. Diese Methode wurde innerhalb der Messkampagne TRAQA (Aerosole in der Region des Mittelmeeres) zur Datenauswertung verwendet. Die Ergebnisse zeigen große Unterschiede zwischen Verschmutzungsaerosolen und Wüstenaerosolen bezüglich ihrer mikroskopischen Eigenschaften und Strahlungseigenschaften. Weitere Fallstudien in dieser Arbeit haben gezeigt, dass Wolken unter Aerosolschichten einen entscheidenden Einfluss auf sowohl das Vorzeichen als auch den Betrag des Strahlungsantriebes der Aerosole haben.