Radiation Transfer Parameters for Climatology

General Information  

Full Title
Database on benchmark calculations of solar and long wave atmospheric radiation transfer parameters for climate studies.

Tech Area / Field
  • ENV-MRA: Environment / Modelling and Risk Assessment

1 2 3 4 5 6 7 8
 Project completed

Registration date

Senior Project Manager
Nagai H

Project Officer/Assistant
Svetlova A V

Leading Institute
Kurchatov Research Center

  • University of Maryland

Project Summary  

The benchmark calculations of solar and longwave radiation transfer parameters are referred to as those in which complicated processes of absorption and scattering of the radiation at fixed atmospheric conditions are directly (i.e. practically without simplifying assumptions) taken into account. The objective of the project is to obtain the database containing a wide set of such calculation results for their subsequent utilization in improving and validating parameterized radiation codes used in climate studies, weather forecasts, etc. The development of such data-base is of modem concern since the discrepancy in results obtained by approximate radiation codes presently employed in climate models runs into tens percent. In doing so the accuracy required for many climate studies runs around one percent or better that is determined by a strong sensitivity of the climate system to radiation processes. That is why the lack of appropriate benchmarks for rigorous validation of radiation codes for numerical atmosphere models disables to attain a noticeable progress in the prediction reliability of global climate changes like green-house effects or similar ones.

Initial conditions for benchmark calculations (about a hundred of cases) have been stated as a result of activities of the expert working group established about 10 years ago by the International Radiation Commission of the International Association of Meteorology and Atmospheric Physics (IAMAP) and associated with the Inter-Comparison of Radiation Codes used in Climate Models (ICRCCM). It is the ICRCCM activity that has shown the above discrepancy in practically used radiation codes, as well as the need for their accuracy improvement has been indicated. Besides, benchmark calculation data involving radiative fluxes obtained for whole variety of considered atmospheric conditions on the basis of rigorous computation approaches have been recognized to be required for above improvement. However, up to now the benchmark data have been obtained only for some calculation cases (essentially at neglecting the radiation scattering) owing to computation problems associated with the necessity of direct (line-by-line) allowance for tens of thousands of spectral lines within absorption bands of atmospheric gases at concurrent rigorous simulation of multiple radiation scattering by aerosol and cloudy particles. Thus, the benchmark calculation of solar fluxes for only one cloudy situation has required about 100 hours of the CPU time using the CYBER-205 super-computer.

Nevertheless, the project participants have managed to develop accurate numerical techniques which computational efficiency is about two orders of magnitude as high as that of similar techniques. Therefore, relatively cheap possibility is appeared for generation of a large scope of accurate benchmark data using conventional computer workstations instead of expensive super-computers. That is why, at the ISTC support, the database which for the first time will contain accurate calculations of radiative fluxes for all 112 ICRCCM cases, may be obtained in two years. Besides it is important that presently the execution of such project in the USA or other western countries will require funds being larger by a factor of 10.

The developed database will enable to test carefully the radiation codes used in climate and weather forecast models thus noticeably improving the quality of predictions involving climate and environment global changes. This, in turn, will facilitate the adoption of measures to counteract undesirable consequences of these changes and, in particular, to propose balanced programs of the nuclear and organic fuel power production development. Besides,

- the project participants, who are experts in different applications of computational physics and were engaged earlier in studies connected with the nuclear weapons development, will redirect themselves to non-military activity;

- the accurate and highly efficient radiation algorithms developed by the project participants may be prepared for the commercial use in processing systems of the environmental remote sensing and infrared satellite sounding of the atmosphere;

- the non-military geophysical investigations, which are of importance for the solution of global ecological problems, will be supported;

- the project participants will be rendered assistance in incorporating into the international scientific community, that is also in agreement with the ISTC goals.

Эталонными расчетами характеристик переноса солнечного и длинноволнового излучения называются расчеты, в которых при фиксированных атмосферных условиях непосредственно (т.е., практически без упрощающих предположений) учитываются сложные процессы поглощения и рассеяния радиации в атмосфере. Целью проекта является получение базы данных, содержащей широкий набор подобных расчетных результатов, для их последующего использования при усовершенствовании и валидации параметрических радиационных алгоритмов, применяемых в численных моделях климата, прогноза погоды и т.п. Создание подобной базы данных весьма актуально, т.к. рассогласование в значениях радиационных потоков, полученных с помощью приближенных алгоритмов, используемых в настоящее время в климатических моделях, достигает десятков процентов. При этом, для многих задач теории климата требуемая точность составляет порядка одного процента и выше, что определяется сильной чувствительностью климатической системы к радиационным процессам. Поэтому отсутствие подходящих эталонов для строгой проверки радиационных блоков численных моделей атмосферы не позволяет достичь заметного прогресса в надежности предсказаний глобальных изменений климата, таких как парниковые эффекты или подобные им.

Исходные условия для эталонных расчетов (порядка сотни случаев) были сформулированы в результате деятельности рабочей группы экспертов, организованной около 10 лет назад Международной Комиссией по Радиации (ICR) Всемирной Ассоциации по Метеорологии и Атмосферной Физике (IAMAP) и связанной с сопоставлением радиационных алгоритмов, используемых в климатических моделях (Inter-Comparison of Radiation Codes used in Climate Models - ICRCCM). Именно в результате деятельности ICRCCM было выявлено упомянутое выше рассогласование в практически применяемых радиационных алгоритмах, а также отмечена необходимость в повышении их точности. Кроме того, было признано, что для этого необходимы эталонные расчетные данные по радиационным потокам, полученным на основе строгих вычислительных подходов для всей совокупности рассматриваемых атмосферных условий. Тем не менее, вплоть до настоящего времени, эталонные данные получены лишь для некоторых расчетных случаев (в основном, не учитывающих рассеяния излучения), что обусловлено вычислительными трудностями, связанными с необходимостью непосредственного (нелинейного) учета десятков тысяч спектральных линий полос поглощения атмосферных газов при одновременном строгом моделировании многократного рассеяния излучения частицами аэрозолей и облачности. Например, эталонный расчет солнечных потоков лишь для одной облачной ситуации потребовал около 100 часов процессорного времени суперкомпьютера CYBER-205.

Однако участникам проекта удалось разработать точные численные методики, вычислительная эффективность которых примерно на два порядка превосходит эффективность аналогов. Таким образом, появляется относительно дешевая возможность получения больших объемов точных эталонных данных с использованием обычных рабочих станций вместо дорогостоящих суперкомпьютеров, Поэтому, в случае поддержки со стороны МНТЦ, в течение двух лет может быть впервые получена база данных, содержащая точные расчеты радиационных потоков для всех 112 случаев ICRCCM. При этом важно, что выполнение подобной работы в США или других странах Запада потребует в настоящее время на порядок больших финансовых затрат.

Созданная база данных позволит тщательно протестировать радиационные алгоритмы, используемые в климатических и прогностических моделях и, таким образом, улучшить качество предсказаний глобальных изменений климата и окружающей среды. Это, в свою очередь, будет способствовать выработке мер по нейтрализации нежелательных последствий этих изменений и, в частности, разработке сбалансированных программ развития ядерной энергетики и энергетики на органическом топливе. Кроме этого,

- участники проекта, являясь специалистами в области вычислительной физики, которые ранее занимались исследованиями, связанными с производством ядерных вооружений, смогут переключиться на невоенную деятельность;

- точные и высоко эффективные радиационные алгоритмы, разработанные участниками проекта, могут быть подготовлены для коммерческого использования в системах обработки дистанционных наблюдений состояния окружающей среды и спутникового ИК зондирования атмосферы;

- будут поддержаны мирные геофизические исследования, имеющие важное значение для решения глобальных экологических проблем;

- будет оказано содействие в вовлечении участников проекта в мировое научное сообщество, что также соответствует целям МНТЦ.