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Testing broadband radiation schemes for their ability to calculate the radiative forcing and temperature response to stratospheric water vapour and ozone changes

Forster, Piers Maxwell De Ferranti; Ponater, Michael; Zhong, Wen-Yi

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 5 (2001), p. 387 - 393

published: Oct 15, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0387

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ArtNo. ESP025011005003, Price: 29.00 €

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Abstract

The radiative forcing and fixed dynamical heating temperature response is calculated for observed changes (1979–1997) in carbon dioxide, stratospheric ozone and stratospheric water vapour, using several radiation schemes. It is found that certain broadband schemes substantially underestimate the radiative forcing and absorption by stratospheric water vapour by up to 50%, for the instantaneous forcing, and 15% for the adjusted radiative forcing. This error in the water vapour absorption leads to a 30% smaller stratospheric temperature response and also causes an underestimate of the adjusted stratospheric ozone radiative forcing of up to 50%. It was found that this error could be corrected by splitting the wavelength band which accounts for strong water vapour absorption into two separate bands. This work illustrates the need to carefully test each new forcing introduced into a broadband scheme, as its designer may not have catered for such eventualities.

Kurzfassung

Aus beobachteten Änderungen (1979-1997) von Kohlendioxid sowie stratosphärischem Wasserdampf und Ozon wurden mit verschiedenen Strahlungsmodellen sowohl der Strahlungsantrieb als auch die stratosphärische Temperaturänderung unter Verwendung der Näherung unveränderter dynamischer Erwärmungsraten (fixed dynamical heating) berechnet. Es zeigt sich, dass Breitband-Strahlungsschemata den instantanen Strahlungsantrieb von stratosphärischem Wasserdampf um bis zum 50% unterschätzen können. Für den adjustierten Strahlungsantrieb (stratosphärische Temperaturänderungen berücksichtigend) beträgt die Unterschätzung etwa 15%. Dieser Fehler in der Behandlung der Wasserdampfabsorption reduziert die zugehörige stratosphärische Abkühlung um 30% und hat zur Folge, dass auch der adjustierte Strahlungsantrieb durch stratosphärisches Ozon um bis zu 50% unterschätzt werden kann. Der Fehler kann durch Aufspaltung der wichtigsten Absorptionsbande für Wasserdampf in zwei separate Banden korrigiert werden. Diese Arbeit unterstreicht die Notwendigkeit sorgfältiger Überprüfung eines Strahlungsschemas, wenn damit zusätzliche (ursprünglich nicht vorgesehene) Strahlungsantriebe abgeschätzt werden sollen.