Absorption of solar radiation by water vapor in the atmosphere. Part I: a comparison between selected parameterizations and reference results

Selected schemes conceived for providing reliable and computationally efficient estimates of the absorption of solar radiation by the atmospheric water vapor are discussed. Special attention is devoted to the scheme proposed by Lacis & Hansen, which is included in radiative codes of atmospheric models running at Brazilian centers of research and numerical weather forecasting. Additional schemes, proposed from relatively modern estimates of the effects due to the water vapor absorption, are also included in the analysis. In the goal of assessing systematic errors associated to these schemes, comparisons are performed with benchmark results available in the literature which have been obtained through careful line-by-line integration throughout the solar spectrum. Modern schemes allow more atmospheric absorption, and therefore less downward shortwave irradiance at the ground, when compared with schemes implicitly adopted at present in Brazilian centers.

Solar radiation; Water vapor; Radiative transfer; Atmospheric modeling; Line-by-line integration; Radiative codes

Authorship

A. Plana-Fattori

Universidade de São Paulo, Instituto Astronômico e Geofísico , Departamento de Ciências Atmosféricas, São Paulo, São Paulo, BrazilUniversidade de São PauloBrazilSão Paulo, São Paulo, BrazilUniversidade de São Paulo, Instituto Astronômico e Geofísico , Departamento de Ciências Atmosféricas, São Paulo, São Paulo, Brazil

E. P. de Souza

Universidade Federal da Paraíba, Centro de Ciência e Tecnologia , Departamento de Ciências Atmosféricas, Paraíba, BrazilUniversidade Federal da ParaíbaBrazilParaíba, BrazilUniversidade Federal da Paraíba, Centro de Ciência e Tecnologia , Departamento de Ciências Atmosféricas, Paraíba, Brazil

J. C. S. Chagas

Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos , Cachoeira Paulista, SPInstituto Nacional de Pesquisas EspaciaisCachoeira Paulista, SPInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais, Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos , Cachoeira Paulista, SP

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Figures (2)
Tables (5)

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Figure 1 -
Radiative heating rates for ICRCCM cases 3 and 4 (see Tab.2), resulting from the application of selected schemes for obtaining water vapor broadband absorptances (LH: Lacis & Hansen, 1974; D: Davies, 1982; RF: Ramaswamy & Freidenreich, 1992; Briegleb, 1992; and CL: Chou & Lee, 1996).
Figura 1 - Taxas de aquecimento radiativo para os casos 3 e 4 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtidas aplicando-se diferentes esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água (LH: Lacis & Hansen, 1974; D: Davies, 1982; RF: Ramaswamy & Freidenreich, 1992; Briegleb, 1992; e CL: Chou & Lee, 1996).

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Figure 2 -
Absolute deviations in heating rates with respect to the results provided by the scheme of Chou & Lee (1996), for ICRCCM cases 1 to 6 (see Tab.2), due to the other schemes for obtaining water vapor broadband absorptances. Labels LH, D, RF, and B are the same ones employed in Fig.1 .
Figura 2 - Desvios absolutos, em taxas de aquecimento, medidos a partir dos resultados obtidos aplicando-se o esquema de Chou & Lee (1996) e referentes a outros esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água, para os casos 1 a 6 do programa ICRCCM (ver Tab.2). Siglas LH, D, RF e B empregadas como na Fig.1 .

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Table 1 -
Discrete probability function values P(k_n) and absorption coefficients k_nrespective to selected schemes proposed for obtaining broadband absorptances. k_nvalues are expressed in (kg/m²)^-1. P(k_n) values corresponding to the scheme of Briegleb (1992) result from the product of the respective p(H₂O) with the factor solfrc, fraction of solar irradiance in the interval 0.7-5.0 mm (see Tab.1b of that author). Last line indicates the spectral range over which water vapor absorption was taken into account in the development of every scheme.
Tabela 1 - Valores da função discreta de probabilidade P(k_n) e coeficientes de absorção k_npara diferentes esquemas propostos para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água. Valores de k_nsão expressos em (kg/m²)^-1. Valores de P(k_n) para o esquema de Briegleb (1992) foi obtido multiplicando-se o respectivo valor p(H₂O) pelo fator solfrc, fração da irradiância solar contida no intervalo 0,7-5,0 mm (ver Tab.1b daquele autor). A última linha indica o domínio ao longo do qual a absorção pelo vapor d'água foi levada em conta no desenvolvimento de cada esquema.

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Table 2 - Summary of the six test cases selected for the comparisons performed in this study. All the cases correspond to a ground reflectance equal to 20 %. Model atmospheres were taken from Ellingson et al. (1991). Tropical, Mid-Latitude Summer, and Sub-Arctic Winter model atmospheres correspond to vertically-integrated water vapor contents around 41.4, 29.5, and 4.2 kg/m2, respectively. Tabela 2 - Sumário dos seis casos-teste selecionados para as comparações efetuadas neste estudo. A refletância da superfície do solo foi assumida igual a 20 %, e os perfis atmosféricos foram extraídos de Ellingson et al. (1991). Perfis atmosféricos indicados como Tropical, de Médias-Latitudes no Verão e Sub-Ártico no Inverno correspondem a valores em torno de 41.4, 29.5, e 4.2 kg/m2, respectivamente para o conteúdo integrado em vapor d'água.

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Table 3 -
Total atmospheric absorption ABS due to the water vapor for ICRCCM shortwave case 1 (see Tab.2), obtained through different line-by-line radiative codes. Compilations AFGL 1982, HITRAN 1986 and HITRAN 1992 have been described successively by Rothman et al. (1983, 1987, 1992).
Tabela 3 - Absorção atmosférica total ABS devida ao vapor d'água para o caso 1 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtida aplicando-se diferentes códigos radiativos capazes de levar em conta o impacto isolado de cada linha de absorção. As bases de dados espectroscópicos AFGL 1982, HITRAN 1986 e HITRAN 1992 foram descritas por Rothman et al. (1983, 1987, 1992).

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Table 4 - (a) Downward shortwave irradiance at the surface values for ICRCCM cases 1 to 6 (see Tab.2), obtained through two line-by-line radiative codes. (b) Absolute deviations with respect to the LBL2 results, due to the selected schemes for obtaining water vapor broadband absorptances. Values are expressed in W/m2. Tabela 4 - (a) Valores da irradiância solar descendente à superfície para os casos 1 a 6 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtidos aplicando-se dois códigos radiativos capazes de levar em conta o impacto isolado de cada linha de absorção. (b) Desvios absolutos em relação aos resultados obtidos com o código LBL2, referentes a outros esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água. Valores expressos em W/m2.

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Tab. 5

Figure 1 - Radiative heating rates for ICRCCM cases 3 and 4 (see Tab.2), resulting from the application of selected schemes for obtaining water vapor broadband absorptances (LH: Lacis & Hansen, 1974; D: Davies, 1982; RF: Ramaswamy & Freidenreich, 1992; Briegleb, 1992; and CL: Chou & Lee, 1996).
Figura 1 - Taxas de aquecimento radiativo para os casos 3 e 4 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtidas aplicando-se diferentes esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água (LH: Lacis & Hansen, 1974; D: Davies, 1982; RF: Ramaswamy & Freidenreich, 1992; Briegleb, 1992; e CL: Chou & Lee, 1996).

Figure 2 - Absolute deviations in heating rates with respect to the results provided by the scheme of Chou & Lee (1996), for ICRCCM cases 1 to 6 (see Tab.2), due to the other schemes for obtaining water vapor broadband absorptances. Labels LH, D, RF, and B are the same ones employed in Fig.1 .
Figura 2 - Desvios absolutos, em taxas de aquecimento, medidos a partir dos resultados obtidos aplicando-se o esquema de Chou & Lee (1996) e referentes a outros esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água, para os casos 1 a 6 do programa ICRCCM (ver Tab.2). Siglas LH, D, RF e B empregadas como na Fig.1 .

Table 1 - Discrete probability function values P(k_n) and absorption coefficients k_nrespective to selected schemes proposed for obtaining broadband absorptances. k_nvalues are expressed in (kg/m²)^-1. P(k_n) values corresponding to the scheme of Briegleb (1992) result from the product of the respective p(H₂O) with the factor solfrc, fraction of solar irradiance in the interval 0.7-5.0 mm (see Tab.1b of that author). Last line indicates the spectral range over which water vapor absorption was taken into account in the development of every scheme.
Tabela 1 - Valores da função discreta de probabilidade P(k_n) e coeficientes de absorção k_npara diferentes esquemas propostos para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água. Valores de k_nsão expressos em (kg/m²)^-1. Valores de P(k_n) para o esquema de Briegleb (1992) foi obtido multiplicando-se o respectivo valor p(H₂O) pelo fator solfrc, fração da irradiância solar contida no intervalo 0,7-5,0 mm (ver Tab.1b daquele autor). A última linha indica o domínio ao longo do qual a absorção pelo vapor d'água foi levada em conta no desenvolvimento de cada esquema.

Table 2 - Summary of the six test cases selected for the comparisons performed in this study. All the cases correspond to a ground reflectance equal to 20 %. Model atmospheres were taken from Ellingson et al. (1991). Tropical, Mid-Latitude Summer, and Sub-Arctic Winter model atmospheres correspond to vertically-integrated water vapor contents around 41.4, 29.5, and 4.2 kg/m², respectively.

Tabela 2 - Sumário dos seis casos-teste selecionados para as comparações efetuadas neste estudo. A refletância da superfície do solo foi assumida igual a 20 %, e os perfis atmosféricos foram extraídos de Ellingson et al. (1991). Perfis atmosféricos indicados como Tropical, de Médias-Latitudes no Verão e Sub-Ártico no Inverno correspondem a valores em torno de 41.4, 29.5, e 4.2 kg/m², respectivamente para o conteúdo integrado em vapor d'água.

Table 3 - Total atmospheric absorption ABS due to the water vapor for ICRCCM shortwave case 1 (see Tab.2), obtained through different line-by-line radiative codes. Compilations AFGL 1982, HITRAN 1986 and HITRAN 1992 have been described successively by Rothman et al. (1983, 1987, 1992).
Tabela 3 - Absorção atmosférica total ABS devida ao vapor d'água para o caso 1 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtida aplicando-se diferentes códigos radiativos capazes de levar em conta o impacto isolado de cada linha de absorção. As bases de dados espectroscópicos AFGL 1982, HITRAN 1986 e HITRAN 1992 foram descritas por Rothman et al. (1983, 1987, 1992).

Table 4 - (a) Downward shortwave irradiance at the surface values for ICRCCM cases 1 to 6 (see Tab.2), obtained through two line-by-line radiative codes. (b) Absolute deviations with respect to the LBL2 results, due to the selected schemes for obtaining water vapor broadband absorptances. Values are expressed in W/m².
Tabela 4 - (a) Valores da irradiância solar descendente à superfície para os casos 1 a 6 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtidos aplicando-se dois códigos radiativos capazes de levar em conta o impacto isolado de cada linha de absorção. (b) Desvios absolutos em relação aos resultados obtidos com o código LBL2, referentes a outros esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água. Valores expressos em W/m².

Tab. 5

Table 5 - (a) Total atmospheric absorption values for ICRCCM cases 1 to 6 (see Tab.2), obtained through two line-by-line radiative codes. (b) Absolute deviations with respect to the LBL2 results, due to the selected schemes for obtaining water vapor broadband absorptances. Values are expressed in W/m².
Tabela 5 - (a) Valores da absorção atmosférica total para os casos 1 a 6 do programa ICRCCM (ver Tab.2), obtidos aplicando-se dois códigos radiativos capazes de levar em conta o impacto isolado de cada linha de absorção. (b) Desvios absolutos em relação aos resultados obtidos com o código LBL2, referentes a outros esquemas para avaliação da absortância solar devida ao vapor d'água. Valores expressos em W/m².

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