Tesis sobre el tema "Surface cloud radiative effect"

Les nuages jouent un rôle important dans la régulation du bilan énergétique à la surface de la Terre. Par exemple, ils absorbent le rayonnement tellurique émis par la surface de la Terre et le réémettent vers la surface, réchauffant ainsi cette dernière. Ce réchauffement peut être quantifié au travers de l’effet radiatif des nuages (Cloud Radiative Effect (CRE)) infrarouge (LongWave (LW)) à la surface. Cependant, il n’est pas bien connu en tout point du globe et sa variabilité instantané et interdécennale est mal connue. En effet, il dépend fortement de la distribution verticale des nuages qui n’est pas bien restitué à l’échelle globale. Dans cette thèse, nous proposons de restituer le CRE LW à la surface sur 13 ans (2008 − 2020) sur tout le globe en utilisant les observations du lidar Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO). A partir de calculs de transfert radiatif 1D, nous établissons des paramétrisations linéaires entre le CRE LW à la surface et des propriétés nuageuses dont l’altitude des nuages. En combinant les paramétrisations avec les observations nuages, nous restituons le CRE LW à la surface, à l’échelle mensuelle (2° × 2°) et instantané à la pleine résolution horizontale de CALIPSO (90 m/330 m). Nous avons trouvé que les nuages réchauffent la surface de 27.0 W/m2 sur la période 2008−2020 à l’échelle globale. Le CRE LW à la surface est particulièrement important dans les régions polaires, où les nuages peuvent avoir un effet sur la fonte des glaces. En colocalisant instantanément le CRE LW à la surface et les observations de la banquise dans les régions où la concentration de la banquise Arctique varie, nous avons montré que les grandes valeurs du CRE LW à la surface (> 80 W/m2 ) sont beaucoup plus fréquentes au-dessus des océans ouverts que de la banquise en fin d’automne. Nos résultats suggèrent que les nuages peuvent retarder la reconstruction de la banquise plus tard dans la saison
Clouds play an important role in regulating Earth’s energy budget at the surface. For example, clouds absorb thermal radiation emitted by Earth’s surface and reemit it toward the surface and warming the surface. This can be quantified through surface LongWave (LW) Cloud Radiative Effect (CRE). However, surface LW CRE on a global scale is not well retrieved and its instantaneous and interdecadal variability is poorly known. Indeed, it depends highly on vertical cloud distribution, which is poorly documented globally. In this thesis, we propose to retrieve the surface LW CRE over 13 years (2008 − 2020) at a global scale using Cloud–Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations (CALIPSO) spaceborne lidar observations. From 1D radiative transfer computations, we establish linear parametrizations between surface LW CRE and cloud properties including cloud altitude. Combining the parametrizations with the cloud observations, we derive two datasets of surface LW CRE, at monthly–2° × 2° gridded scale and instantaneously at full CALIPSO horizontal resolution (90 m cross-track; 330 m along orbit-track). We found that clouds warm the surface by 27.0 W/m2 over the 2008 − 2020 time period at a global scale. Surface LW CRE is particularly important in polar regions such that clouds may have an effect on ice melting. By instantaneously co-locating surface cloud warming and sea ice observations in regions where sea ice varies, we showed that large surface cloud warming values (> 80 W/m2 ) are much more frequent over open water than over sea ice during late Fall. Our results suggest that clouds may delay sea ice freeze-up later into the Fall

Based on airborne spectral imaging observations, three-dimensional (3-D) radiative effects between Arctic boundary layer clouds and highly variable Arctic surfaces have been identified and quantified. A method is presented to discriminate sea ice and open water in cloudy conditions based on airborne upward radiance measurements in the visible spectral range. This separation simultaneously reveals that the transition of radiance between open water and sea ice is not instantaneous in cloudy conditions but horizontally smoothed. In general, clouds reduce the nadir radiance above bright surfaces in the vicinity of open water, while the nadir radiance above open sea is enhanced compared to situations with clouds located above sea ice surfaces. With the help of the observations and 3-D radiative transfer simulations, this effect was quantified. This affected distance deltaL was found to depend on both cloud and sea ice properties. For a low level cloud at 0-200 m altitude, as observed during the Arctic field campaign Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI) in 2012, an increase of the cloud optical thickness from tau = 1 to tau = 10 leads to a decrease of deltaL from 600 to 250 m. An increase in cloud base altitude or cloud geometrical thickness results in an increase of deltaL. Furthermore, the impact of these 3-D-radiative effects on a retrieval of cloud optical properties was investigated. The enhanced brightness of a dark pixel next to an ice edge results in uncertainties of up to 90 % in retrievals of tau and up to 30 % in retrievals of the effective radius reff. With the help of detlaL quantified here, an estimate of the distance to the ice edge is given where the retrieval uncertainties due to 3D-effects are negligible.
Mit Hilfe flugzeuggetragener abbildender spektraler Beobachtungen wurden 3-D Strahlungseffekte zwischen arktischen Grenzschichtwolken sowie der hochvariablen arktischen Bodenoberfläche identifiziert und quantifiziert. Eine Methode zur Differenzierung von Meereis und offener Wasserflächen, auf Grundlage flugzeuggetragener Messungen der aufwärtsgerichteten Strahldichte im sichtbaren Spektralbereich, während bewölkter Bedingungen wird vorgestellt. Diese Differenzierung zeigt gleichzeitig auf, dass die Strahldichtereduzierung beim Übergang vom Meereis zu den offenen Wasserflächen nicht unmittelbar erfolgt, sondern horizontal geglättet ist. Allgemein verringern Wolken in der Umgebung von Eiskanten die Nadir-Strahldichte über den hellen Eisflächen und erhöhen sie über dunklen Meeresoberflächen. Mit Hilfe von 3-D Strahlungstransferrechnungen wurde dieser Effekt quantifiziert. Die Reichweite dieses Effektes wird sowohl von den Wolken- als auch den Oberflächeneigenschaften beeinflusst. Für eine flache Wolke zwischen 0 und 200 m, so wie sie während der arktischen Feldkampagne Vertical Distribution of Ice in Arctic Clouds (VERDI), 2012 beobachtet werden konnte, führt eine Erhöhung der wolkenoptischen Dicke von tau = 1 zu tau = 10 zu einer Verringerung in deltaL von 600 zu 250 m. Zudem führt eine Erhöhung der Wolkenhöhe und ihrer geometrischen Dicke zu einer Zunahme von deltaL. Anschließend wurde der Einfluss dieser 3-D Strahlungseffekte auf die Ableitungsergebnisse von tau untersucht. Die Aufhellung eines dunkleren Pixels neben der Eiskante führt zu Unsicherheiten von bis zu 90 % bei der Ableitung von . Beim effektiven Radius zu bis zu 30 %. DeltaL ist ein Maß mit Hilfe dessen die Entfernung zur Eiskante bestimmt werden kann, ab welcher die Unsicherheiten bezüglich der 3-D Effekte vernachlässigt werden können.

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.

Surface based measurements systems play a key role in defining the ground truth for climate modeling and satellite product validation. The Italian-French station of Concordia is operative year round since 2005 at Dome C (75°S, 123°E, 3230 m) on the East Antarctic Plateau. A Baseline Surface Radiation Network (BSRN) site was deployed and became operational since January 2006 to measure downwelling components of the radiation budget, and successively was expanded in April 2007 to measure upwelling radiation. Hence, almost a decade of measurement is now available and suitable to define a statistically significant climatology for the radiation budget of Concordia including eventual trends, by specifically assessing the effects of clouds and water vapor on SW and LW net radiation. A well known and robust clear sky-id algorithm (Long and Ackerman, 2000) has been operationally applied on downwelling SW components to identify cloud free events and to fit a parametric equation to determine clear-sky reference along the Antarctic daylight periods (September to April). A new model for surface broadband albedo has been developed in order to better describe the features the area. Then, a novel clear-sky LW parametrization, based on a-priori assumption about inversion layer structure, combined with daily and annual oscillations of the surface temperature, have been adopted and validated. The longwave based method is successively exploited to extend cloud radiative forcing studies to nighttime period (winter). Results indicated inter-annual and intra-annual warming behaviour, i.e. 13.70 W/m2 on the average, specifically approaching neutral effect in summer, when SW CRF compensates LW CRF, and warming along the rest of the year due prevalentely to CRF induced on the LW component.

Nesta tese investigou-se o papel desempenhado pelas nuvens no balanço radiativo local observado à superfície da Terra. Para tal foram determinados os forçamentos radiativos de pequeno comprimento de onda, de grande comprimento de onda e referentes à banda espectral total devido às nuvens. Recorrendo a imagens de satélite, determinou-se os forçamentos radiativos devido às nuvens, no topo da atmosfera. Foram consideradas as situações de cobertura total de nuvens, ou seja, correspondendo à nebulosidade máxima, N=8. O estudo foi feito de modo a poder contemplar situações distintas de cobertura de nuvens, correspondentes a diferentes tipos de nuvens para a região de Évora. A partir das medidas dos fluxos de radiação solar e da radiação infravermelha observados, desde há vários anos no Centro Geofísico de Évora, com radiómetro de banda larga foi possível determinar, quer o balanço da radiação (solar global, infravermelha ou total, isto é, a soma das duas) como o forçamento radiativo global local à superfície devido à presença de nuvens que cobrem totalmente o céu, sobre o local de observação (Évora). A partir do conhecimento dos forçamentos radiativos devido às nuvens simultaneamente no topo de atmosfera e à superfície foi possível determinar o forçamento radiativo na atmosfera devido às nuvens. O conhecimento do forçamento radiativo na atmosfera devido às nuvens e a sua evolução ao longo de um certo período de tempo permitir-nos-ão ter informação sobre a evolução da energia que é absorvida ou retirada da atmosfera ao longo desse intervalo de tempo. /*** Abstract - The present thesis consists of the role played by clouds in the local radiative balance observed at Earth surface. They had been determined both the radiative forcing of short and long wave related to the total spectral band provoked by clouds. The clouds radiative forcing in the top of atmosphere was determined by satellite images. The situation of total cloud covering had been corresponding to the maximum cloudiness N=8. The study was made in order to be able to contemplate distinct situations of clouds covering corresponding differents clouds types in Évora region. From the measures of solar radiation and infrared radiation fluxes observed for many years in the Geophysical Centre of Évora , with radiometer of broadband was possible to determine the radiation balance (solar global , infrared or total) as the local global radiative forcing at surface due to cloud presence that covers total sky in Évora region. lt was possible to determine the cloud radiative forcing in the atmosphere by the knowledge simultaneously of the clouds radiative in the top of atmosphere and at the surface. The knowledge of clouds radiative forcing in the atmosphere and its evolution throughout a certain period of time will allow us to have information on the evolution of the energy that absorbed or removed form the atmosphere during this interval of time.

The effect of the surface roughness of ice crystals is not routinely accounted for in current cloud retrieval algorithms that are based on pre-computed lookup libraries. In this study, we investigate the effect of ice crystal surface roughness on the retrieval of ice cloud effective particle size, optical thickness and cloud-top temperature. Three particle surface conditions, smooth, moderately rough and deeply rough, are considered in the visible and near-infrared channels (0.65 and 3.75 µm). The discrete ordinates radiative transfer (DISORT) model is used to compute the radiances for a set of optical thicknesses, particle effective sizes, viewing and illumination angles, and cloud temperatures. A parameterization of cloud bi-directional reflectances and effective emittances is then developed from a variety of particle surface conditions. This parameterization is applied in a 3-channel retrieval method for Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data at 0.65, 3.75, and 10.8 µm. Cloud optical properties are derived iteratively for each pixel that contains ice clouds. The impact of ice crystal surface roughness on the cloud parameter retrievals is examined by comparing the results for particles with smooth surfaces and rough surfaces. Retrieval results from two granules of MODIS data indicate that the retrieved cloud optical thickness is significantly reduced if the parameterization for roughened particles is used, as compared with the case of smooth particles. For the retrieval of cloud effective particle size, the inclusion of the effect of surface roughness tends to decrease the retrieved effective particle size if ice crystals are small. The reversed result is noticed for large ice crystals. It is also found that surface roughness has a very minor effect on the retrieval of cloud-top temperatures.

The urban canyon radiation model of Arnfield (1976, 1982) is validated using measurements of long-wave fluxes taken within a scale urban canyon constructed from concrete building blocks. A custom-designed traversing system allowed miniature radiometers to be automatically moved around the perimeter of a canyon cross-section thereby providing for the validation of individual model grid-points. Measured model input consists of surface temperatures obtained using fine wire themocouples, incident long-wave radiation at the canyon top, and emissivity of canyon materials. Tests were conducted to establish the expected accuracy and precision of the input data. Surface temperature data were filtered to remove a noise component. A probable error analysis of all measured model input and validation data is made. Sensitivity tests of the model to variations in input data are presented. Surface temperature is the dominant control under the conditions tested. Model-calculated view-factors are shown to be in error for adjacent corner points and are replaced with view-factors calculated using equations derived from the Nusselt Unit Sphere method (Steyn, pers. comm.) Validation results for a range of canyon height-to-width ratios, meteorological conditions and model parameters are presented. Excellent agreement between modelled and measured fluxes is obtained for points on the canyon floor and top. The agreement for fluxes at points on the canyon walls is generally good but is shown to suffer from errors in sensor orientation relative to the canyon walls. Use of the Unsworth and Monteith (1975) radiance distribution improves model performance statistics for incident and net long-wave radiation. Four different estimates of surface temperature are used as model input in place of the measured values to investigate the differences in the model output. Surface temperature-based estimates are found to be superior to those based upon air temperature. The use of unmodified screen-level air temperatures measured at Vancouver Airport produces the poorest agreement. The temporal and spatial variation of in-canyon temperatures and radiation are presented for three canyon height-to-width ratios. The canyon geometry is shown to significantly reduce the surface cooling on the canyon floor compared to an open site under ideal radiative cooling conditions. Results are compared to previous results from scale models (Oke, 1981) and field studies (Oke and Maxwell, 1975; Hogstrdm et al., 1978). . Atmospheric controls of incident long-wave radiation, wind speed and direction are also shown to affect the observed cooling.
Arts, Faculty of
Geography, Department of
Graduate

Ce travail documente la variabilité spatiale et temporelle du rayonnement solaire à la surface sur le sud-ouest de l'océan Indien (SOOI) et l'île de La Réunion à l'aide de deux modèles régionaux de climat (MRC) : les modèles RegCM et WRF. La première partie de ce travail est dédiée à l'analyse de la variabilité temporelle du rayonnement solaire à l'aide du modèle RegCM sur le SOOI avec une résolution spatiale modérée (50km). S'agissant du premier travail sur la modélisation régionale du climat pour l'étude du rayonnement solaire dans le SOOI, une première série de tests pour illustrer les performances du modèle et sa sensibilité au choix des paramétrisations physiques (transfert radiatif, convection), à la taille du modèle, et à la résolution spatiale, est effectuée. Le schéma radiatif par défaut, le schéma CCM, et le schéma convectif mixte : Grell sur les terres et Emanuel sur les océans, donnent les résultats les plus satisfaisants pour la région, comparés aux autres options disponibles. La variabilité climatique interannuelle, intrasaisonnière et jour-à-jour est ensuite examinée sur la base des indices climatiques. Dans un premier temps, plusieurs paramètres (vent horizontal, température, humidité relative) issus des réanalyses ERA-Interim et utilisés comme paramètres d'entrée pour le modèle RegCM, sont analysés en lien avec ceux correspondant fournis en sortie du modèle, pour vérifier l'aptitude du modèle à maintenir les signaux ENSO (El-Nino Southern Oscillation), IOD (Indian Ocean Dipole), MJO (Madden-Julian Oscillation) et les Talwegs Tropicaux-Tempérés (TTT). Dans un second temps, le rayonnement solaire à la surface simulé par le modèle RegCM est mis en lien avec ces différents modes de variabilité. La seconde partie du travail est consacrée à l'analyse de la variabilité spatiale du rayonnement solaire à la surface à La Réunion à l'aide du modèle WRF à très haute résolution spatiale (750m) pour différentes échelles de temps : interannuelle, intrasaisonnière, jour-à-jour. Une classification est appliquée sur les sorties de rayonnement produites par WRF, et le lien avec la circulation atmosphérique de grande échelle est analysé dans chacune des classes. Les résultats de la modélisation sont validés à l'aide des données d'observations du réseau Météo France et des produits satellite CM SAF. Les résultats indiquent que les MRC ont la capacité de représenter la variabilité temporelle et spatiale du rayonnement solaire à La Réunion
This work documents the temporal and spatial variability of surface solar radiation (SSR) over the southwest Indian Ocean (SWIO) and Reunion Island using two complementary Regional Climate Models (RCMs): RegCM4 and WRF. The first part of the work is dedicated to the analysis of the temporal variability of SSR based on RegCM4 over the SWIO at a moderate spatial resolution (50km). Because RegCM4 is the first RCM that focuses on the solar radiation research over the SWIO region, a first series of test experiments with this model to illustrate the model performance and its sensitivity to the choice of the physical parameterizations (radiation, convection), the domain size, and the spatial resolution, are performed. The default CCM radiative and the mixed convective scheme: Grell scheme over land and Emanuel scheme over ocean, give better performance over the SWIO compared to the other available options. The interannual, intraseasonal and synoptic climate variability is then examined through the climate indices and several ERA-Interim parameters (U, V, T and RH) are firstly analyzed along with the corresponding RegCM4 output data to check whether the RegCM4 model forced by ERA-Interim reanalyses is able to maintain the El-Nino Southern Oscillation (ENSO), the Indian Ocean Dipole (IOD), the Madden-Julian Oscillation (MJO) and the Tropical Temperate Trough (TTT) signals. Secondly, simulated SSR in association with the different modes of variability is examined. In the second part, SSR spatial variability over Reunion Island is analyzed based on WRF simulations at very fine resolution (750m) for seasonal, intraseasonal, and daily time scales. Clustering classification is applied to WRF simulated SSR over Reunion and the effect from the atmospheric circulation is checked together. Météo France observations and CM SAF are used to validate the results of the model. The results indicate that regional climate models have the ability to present the temporal and spatial variability of SSR over Reunion

Parce que les processus nuageux sont des processus complexes qui opèrent à des échelles spatiales très différentes, l'évolution de l'effet radiatif des nuages (CRE) dans un climat qui se réchauffe est incertaine. Afin de mieux comprendre l'évolution du CRE, il est utile de l'exprimer en fonction de propriétés nuageuses fondamentales et observables. Dans l'infrarouge (LW), l'altitude des nuages est une des propriétés fondamentales, ainsi que leur couverture et leur opacité. Les observations collectées par le lidar spatial CALIOP durant la dernière décennie nous ont permis d'exprimer le CRE LW en fonction de cinq propriétés nuageuses. Nous montrons que le CRE LW dépend linéairement de l'altitude des nuages. Cette linéarité permet de décomposer les variations du CRE LW en contributions dues aux cinq propriétés nuageuses. On observe ainsi que la couverture des nuages opaques a piloté les variations du CRE LW durant la dernière décennie. L'analyse de simulations climatiques suivant la même approche à l'aide d'un simulateur lidar montre que les variations du CRE LW dans le climat actuel sont pilotées par l'altitude des nuages opaques, en désaccord avec les observations. Lorsqu'on étend cette analyse aux rétroactions nuageuses LW simulées dans un climat futur, on remarque que celles-ci sont également pilotées par l'altitude des nuages opaques. Ces résultats suggèrent que les observations par lidar spatial apportent une forte contrainte observationnelle sur les rétroactions nuageuses LW, qui sont l'une des principales sources d'incertitude dans les prévisions d'évolution de la température moyenne globale dues aux activités humaines
Because cloud processes are complex processes which operate at very different spatial scales, the evolution of the cloud radiative effect (CRE) in a warming climate is uncertain. To improve our understanding of the evolution of the CRE, it is useful to express it as a function of fundamental and observable cloud properties. In the infrared (LW), the altitude of clouds is one of the fundamental properties, together with their cover and opacity. The observations collected by the space-lidar CALIOP during the last decade allowed us to express the LW CRE using five cloud properties. We show that the LW CRE depends linearly on the cloud altitude. This linearity allows to decompose the variations of the LW CRE into contributions due to the five cloud properties. We observe that the cover of the opaque clouds drove the variations of the LW CRE during the last decade. The analysis of climate simulations performing the same approach by means of a lidar simulator shows that the variations of the LW CRE in the current climate are driven by the opaque cloud altitude, in disagreement with the observations. When we extend this analysis to the LW cloud feedback simulated in a future climate, we notice that they are also driven by the opaque cloud altitude. These results suggest that the space-lidar observations bring a strong observational constraint on the LW cloud feedbacks, which are one of the main sources of uncertainty in predicting future global average temperature evolution due to human activities

Les etudes presentees dans ce manuscrit portent sur la photo- (pl) et l'electro-luminescence (el) de couches de silicium poreux obtenu par attaque electrochimique de substrat de silicium monocristallin. La premiere partie presente les principales caracteristiques du materiau et la description de ses proprietes de luminescence accompagnee des differents modeles avances pour en expliquer les mecanismes, en s'attachant tout particulierement a celui du confinement quantique des porteurs dans les cristallites qui forment la couche poreuse, qui est le plus generalement retenu. La deuxieme partie decrit les differents montages experimentaux permettant la formation des couches poreuses et leurs caracterisations. Dans une troisieme partie, nous presentons les resultats obtenus lors de l'etude par spectroscopie infrarouge de l'influence des especes presentes en surface des cristallites de silicium sur la pl de la couche poreuse. Nous montrons que la desorption de l'hydrogene present en surface apres formation du materiau s'accompagne d'une diminution de l'intensite de pl. L'analyse de la composition chimique d'une couche poreuse oxydee electrochimiquement nous permet de mettre en evidence la conservation de la passivation par l'hydrogene au cours de ce traitement et de confirmer que l'augmentation du rendement quantique de l'emission associee a l'oxydation electrochimique peut etre attribuee a une meilleure localisation des porteurs photogeneres dans les cristallites. La quatrieme partie est consacree aux effets d'une polarisation electrique sur les phenomenes de luminescence. Ce travail a ete mene sur des couches nanoporeuses formees sur substrat de type n, polarisees par l'intermediaire d'un contact electrolytique. On observe une extinction selective, progressive (mais reversible) de la pl quand la polarisation cathodique est augmentee. Parallelement, l'el observee en presence d'une espece oxydante dans l'electrolyte subit un deplacement spectral vers le bleu. L'etude detaillee des differentes caracteristiques de ces deux phenomenes nous permet de montrer qu'ils resultent de l'injection selective des electrons depuis le substrat dans les cristallites de plus en plus confinees au fur et a mesure que la polarisation augmente. On verifie par ailleurs que ce caractere selectif disparait progressivement au cours de l'oxydation electrochimique de la couche poreuse. L'extinction de la pl et de l'el sous forte polarisation cathodique peut etre attribuee a la recombinaison non radiative des porteurs de charges par un mecanisme de type auger

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.

Parce que les processus nuageux sont des processus complexes qui opèrent à des échelles spatiales très différentes, l'évolution de l'effet radiatif des nuages (CRE) dans un climat qui se réchauffe est incertaine. Afin de mieux comprendre l'évolution du CRE, il est utile de l'exprimer en fonction de propriétés nuageuses fondamentales et observables. Dans l'infrarouge (LW), l'altitude des nuages est une des propriétés fondamentales, ainsi que leur couverture et leur opacité. Les observations collectées par le lidar spatial CALIOP durant la dernière décennie nous ont permis d'exprimer le CRE LW en fonction de cinq propriétés nuageuses. Nous montrons que le CRE LW dépend linéairement de l'altitude des nuages. Cette linéarité permet de décomposer les variations du CRE LW en contributions dues aux cinq propriétés nuageuses. On observe ainsi que la couverture des nuages opaques a piloté les variations du CRE LW durant la dernière décennie. L'analyse de simulations climatiques suivant la même approche à l'aide d'un simulateur lidar montre que les variations du CRE LW dans le climat actuel sont pilotées par l'altitude des nuages opaques, en désaccord avec les observations. Lorsqu'on étend cette analyse aux rétroactions nuageuses LW simulées dans un climat futur, on remarque que celles-ci sont également pilotées par l'altitude des nuages opaques. Ces résultats suggèrent que les observations par lidar spatial apportent une forte contrainte observationnelle sur les rétroactions nuageuses LW, qui sont l'une des principales sources d'incertitude dans les prévisions d'évolution de la température moyenne globale dues aux activités humaines
Because cloud processes are complex processes which operate at very different spatial scales, the evolution of the cloud radiative effect (CRE) in a warming climate is uncertain. To improve our understanding of the evolution of the CRE, it is useful to express it as a function of fundamental and observable cloud properties. In the infrared (LW), the altitude of clouds is one of the fundamental properties, together with their cover and opacity. The observations collected by the space-lidar CALIOP during the last decade allowed us to express the LW CRE using five cloud properties. We show that the LW CRE depends linearly on the cloud altitude. This linearity allows to decompose the variations of the LW CRE into contributions due to the five cloud properties. We observe that the cover of the opaque clouds drove the variations of the LW CRE during the last decade. The analysis of climate simulations performing the same approach by means of a lidar simulator shows that the variations of the LW CRE in the current climate are driven by the opaque cloud altitude, in disagreement with the observations. When we extend this analysis to the LW cloud feedback simulated in a future climate, we notice that they are also driven by the opaque cloud altitude. These results suggest that the space-lidar observations bring a strong observational constraint on the LW cloud feedbacks, which are one of the main sources of uncertainty in predicting future global average temperature evolution due to human activities

Diese Arbeit betrachtet die Wechselwirkung von solarer Einstrahlung mit Wolken in der Atmosphäre. Diese wird insbesondere repräsentiert durch den Wolkenstrahlungseffekt. Hierbei wurde vor allem auf die Auswirkungen von kleinskaliger Variabilität von Wolken und Wolkenfeldern auf die Genauigkeit des Wolkenstrahlungseffektes am Oberrand der Atmosphäre und am Boden Rücksicht genommen. Mit einer Schliessungsstudie ist der modellierte Wolkenstrahlungseffekt mit Schiffsmessungen verglichen worden. Hierbei wurden die Wolkeneigenschaften in dem Modell durch Schiffs- und Satellitendaten als Eingangsdatensatz beschrieben. Ein Zugewinn in der Genauigkeit konnte durch die kombinierte Nutzung beider Datenquellen erzielt werden, konkret durch die Kombination des Flüssigwasserpfads aus Schiffsmessungen und des effektiven Radius aus Satellitenbeobachtungen. Durch die Schliessungsstudie sind zwei Probleme in der Auflösung kleinskaliger Bewölkung und deren Auswirkung auf abgeleitete Wolkeneigenschaften identifiziert worden, die im weiteren Verlauf der Arbeit genauer betrachtet wurden. Ein Vergleich zweier Methoden zur Erkennung des Bedeckungsgrades, jeweils eine vom Boden und eine vom Oberrand der Atmosphäre, hat insgesamt eine gute Übereinstimmung ergeben. Jedoch zeigten sich Abweichungen bei geringer Bedeckung. So wurde bei einem Bedeckungsgrad von ca. 40% in der Hälfte der Fälle den Satellitenbildpunkt als bewölkt klassifiziert. Diese Unsicherheiten in der Klassifikation konnten auf die abgeleitete reflektierte solare Einstrahlung übertragen werden. Für als unbewölkt erkannte, tatsächlich aber bewölkte, Bildpunkte wurde eine mittlere Überschätzung der reflektierte solare Einstrahlung von ca. 30 W/m−2 gefunden. Ebenfalls wurde der Einfluss der zeitlichen Variabilität in der solaren Einstrahlung auf die Bestimmung des Wolkenstrahlungseffektes einer Wolke untersucht. Hierfür wurde ein lineares Modell entwickelt und präsentiert, das die diffuse Einstrahlung mit dem Bedeckungsgrad in Zusammenhang stellt. Das Modell liefert zwei Koeffizienten, die die Variation der diffusen Einstrahlung durch eine Wolke unter der Annahme, dass die beobachtete Wolke den ganzen Himmel bedeckt, beschreiben. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich des Wolkenstrahlungseffektes einer beobachteten Wolke mit Modellergebnissen und die Entkopplung von der zeitlich variablen direkten Einstrahlung.

碩士
國立臺灣大學
大氣科學研究所
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This study applies theoretical analyses and numerical simulations to show how the cloud drop activation process is influenced by the presence of Black Carbon (BC) and Film-Forming Compounds (FFC). BC heating has the effect of raising critical saturation ratio of the droplet and may delay the activation of the aerosol into a cloud drop. The effect is stronger in larger Cloud Condensation Nuclei (CCN) that contain higher amount of BC. Total heating effect that contributes by the sum of whole aerosol population has two opposite effects. One is that BC heating will raise the köhler curves of droplets and then retard their growth. This will cause the parcel supersaturation to raise thus results in an increase of cloud drop concentration. However, BC heating on air parcel would cause a decrease in parcel supersaturation, thus causing the cloud drop number concentration to decrease. We investigate these mechanisms by considering four heating scenarios : (1) The BC has no heating effect, just sever as an insoluble core within CCN; (2) The BC heats droplets and raises the temperature of droplets but not the air; (3) The BC heats the air only, not the droplets; (4) The BC heating exerts on both droplets and air parcel. Simulation results show that BC heating effect can positively or negatively influence the cloud drop number concentration, depending on the relative strength of the two opposite heating effects, which is determined by the mixing state of the BC in CCN as well as the total BC mass. The FFC effect causes a significant decrease in water accommodation coefficient (��) and thus retards the mass growth of droplets. Previous studies used a discrete method to describe �� and FFC coverage relationship: beyond a critical value of FFC coverage, �� is decreased abruptly to a fixed low value. By reexamining early laboratory experiment data and relevant theories, we develop a new method of calculating the ���ndependence as a continuous function of FFC coverage, and such parameterization fits very well with experimental results. The FFC has the effect of delayed growth of droplets and may results in raise of parcel supersaturation which means much more particles could be activated and thus enhances cloud drop number concentration. However, FFC effect also increases the characteristic time of growth. So some of the CCN may not be timely activated, causing a decrease in cloud drop number concentration. Thus the influence of FFC on cloud drop concentration may go either ways. The overall effect is strongly dependent on the amount of FFC, its distribution among particles, the extent to which the ���n�nwas modified, the size distribution of CCN, and the updraft velocity.

Thesis (M.S.)--University of Wisconsin--Madison, 2002.
Typescript. eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references (leaves 121-123).