UMA COMPARAÇÃO ENTRE CÓDIGOS RADIATIVOS DE ONDA LONGA

Abstract

A acurácia de dois algoritmos computacionais (códigos) simplificados para avaliação das componentes do balanço de radiação terrestre (radiação de onda longa), eficientes sob o ponto de vista computacional, é analisada a partir de comparações com cálculos de referência. Os dois códigos foram concebidos a partir de aproximações sobre a transferência de radiação de onda longa na atmosfera. O primeiro deles foi desenvolvido no Instituto Astronômico e Geofísico da Universidade de São Paulo (IAG-USP; São Paulo, SP), fornecendo irradiâncias ao longo da atmosfera a partir das radiâncias integradas sobre todo o espectro terrestre e previamente calculadas pela versão 7 do código de transferência radiativa Low Resolution Transmittance (LOWTRAN-7). O segundo código encontra-se incluído no modelo de circulação geral do Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies (COLA; USA) e tem sido empregado no Centro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (CPTEC/INPE; Cachoeira Paulista, SP). Resultados obtidos com ambos os códigos são comparados com cálculos de referência efetuados respeitando-se a influência de milhares de linhas de absorção associadas aos três compostos moleculares mais relevantes à transferência de radiação de onda longa na atmosfera (vapor d"™água, dióxido de carbono e ozônio). Todas as comparações foram efetuadas para condições atmosféricas hipotéticas, sugeridas no âmbito do programa ICRCCM (Intercomparison of Radiative Codes used in Climate Models). Os efeitos associados ao dióxido de carbono são bem reproduzidos pelo código CPTEC/COLA e, a menos de condições atmosféricas relativamente frias, também pelo código desenvolvido no IAG-USP. Os efeitos associados ao ozônio são subestimados por ambos os códigos mas sobretudo pelo CPTEC/COLA, que não inclui linhas de absorção situadas fora da região 980-1100 cm^-1. Testes de sensibilidade realizados sobre os efeitos da absorção continuum associada ao vapor d"™água mostram que estes efeitos podem ser bem avaliados desde que sejam consideradas as duas componentes desta absorção (self, dependente da pressão parcial do vapor d´água, e foreign, dependente da pressão do ar seco). Considerando-se condições atmosféricas hipotéticas contendo os três principais absorvedores moleculares, a irradiância descendente à superfície pode ser sistematicamente subestimada pelo código empregado no CPTEC/INPE. Estudos futuros devem avaliar a acurácia absoluta destes (e de outros) códigos, considerando a disponibilidade de medições da irradiância descendente à superfície mediante o emprego de pirgeômetros bem calibrados num sítio onde sejam efetuadas sondagens atmosféricas capazes de fornecer os perfis verticais de temperatura do ar e de concentração dos principais absorvedores.

Keywords :Transferência radiativa; Processos radiativos em modelos de circulação geral; Meteorologia física; Absorção e emissão de radiação; Absorção continuum associada ao vapor dÂ’água; Radiação atmosférica.

ABSTRACT

A comparison between longwave radiation codes

The reliability of two computationally-efficient, simplified radiation codes employed to evaluate the components of the budget of terrestrial radiation is assessed from comparisons with benchmark calculations, performed with higher accuracy by reference codes. A number of approximations about the longwave radiative transfer in the atmosphere was assumed in the conception of both simplified codes. The first one was developed at theInstituto Astronômico e Geofísico da Universidade de São Paulo(Institute of Astronomy and Geophysics, University of São Paulo (IAG-USP; São Paulo, SP); it provides irradiances throughout the atmosphere from radiances integrated over the whole terrestrial spectrum and previously computed by running the version 7 of the Low Resolution Transmittance radiative transfer code (LOWTRAN-7). The second simplified code under consideration is included in the general circulation model developed at the Center for Ocean-Land-Atmosphere Studies (COLA; USA), which runs at theCentro de Previsão do Tempo e Estudos Climáticos(CPTEC; Cachoeira Paulista, SP) for numerical weather forecasting and climate studies. Benchmark calculations employed in this study were obtained by other groups through careful line-by-line spectral integration under hypothetical atmospheric conditions, prescribed in the scope of the program Intercomparison of Radiative Codes used in Climate Models (ICRCCM). Only the effects due to the emission / absorption by water vapor, carbon dioxide and ozone are analyzed. The effects due to the carbon dioxide are well reproduced by the code CPTEC/COLA and, excepting relatively cold atmospheric conditions, by the code developed at IAG-USP. The effects due to the ozone are underestimated by both simplified codes but mainly by the CPTEC/COLA, once the ozone bands situated outside the region 980-1100 cm^-1were neglected in its development. Sensitivity tests concerning the water vapor continuum absorption indicate that its both components ("self", related to the water vapor partial pressure, and "foreign", related to the dry air pressure) must be considered in order to obtain reliable water vapor absorption estimates. Under hypothetical atmospheric conditions and assuming the occurrence of the three main molecular absorbers, downward longwave irradiances at the surface can be systematically underestimated by the code CPTEC/COLA. Future studies must include not only comparisons between results provided by simplified radiation codes and the respective benchmark calculations under many atmospheric profiles obtained from soundings, but also comparisons between these results and measurements obtained with pyrgeometers near the sounding site.

Keywords :Radiative transfer; Radiation processes in general circulation models; Atmospheric physics; Absorption and emission of radiation; Water vapor continuum absorption; Atmospheric radiation.