Original paper

A method for comparing properties of cirrus clouds in global climate models with those retrieved from IR sounder satellite observations

Hendricks, Johannes; Falb, Andreas; Stubenrauch, Claudia J.; Emde, Claudia

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 6 (2010), p. 577 - 589

published: Dec 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0484

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Abstract

A methodology to compare cloud properties simulated by global climate models with those retrieved from observations by satellite-based infrared (IR) sounders has been developed. The relatively high spectral resolution in the CO2 absorption band of these instruments leads to especially reliable cirrus properties, day and night. Additionally, bulk microphysical properties can be retrieved for semi-transparent cirrus, based on the observed spectral emissivity differences between 8 and 11 μm. The particular intention of this study is to compare macro- and microphysical properties of high cloudiness as represented by the model simulations and the satellite data. For this purpose, a method has been developed to process the model output to be comparable to the satellite measurements, as in other observational simulator packages (for example the ISCCP-simulator). This simulator method takes into account i) the differences in horizontal resolution of the model and the observations, ii) the specific observation time windows, iii) the determination of the pressure of a cloud system, identified with the pressure at the middle of the uppermost cloud, and iv) the selection of high clouds with specific cloud optical thickness ranges for the microphysical property retrieval using IR sounder data. Applying this method to simulations by the global climate model ECHAM and TOVS satellite observations has important effects. The frequency of high clouds selected from the model output by using the method is significantly smaller than the total frequency of high cloudiness in the model. Largest differences occur around the equator where the zonal mean frequency of high cloudiness is reduced by about 30 % (relative change). The selection method is essential for the comparison of modelled and observed microphysical properties of high clouds. The selection of high clouds from the ECHAM simulation according to the optical thickness range of the TOVS data results in a reduction of the mean water path of high clouds by factors of more than 3 compared to the case where also high clouds of other optical thicknesses are considered. Furthermore, the selection by optical thickness causes a significant increase in the mean effective cloud particle diameter. These changes significantly reduce the differences between the simulation and the observations. The method can also be applied for comparisons with other IR sounder climatologies such as from AIRS and IASI.

Kurzfassung

Es wurde eine Methodik entwickelt mit deren Hilfe man Wolkeneigenschaften, die mit einem globalen Klimamodell simuliert wurden, mit Beobachtungsdaten vergleichen kann, welche aus Messungen mit satellitengestützten Infrarotsensoren abgeleitet wurden. Die relativ hohe spektrale Auflösung derartiger Instrumente im CO2 Absorptionsband erlaubt eine zuverlässige Bestimmung von Zirruseigenschaften, sowohl für Tag- als auch Nachtbedingungen. Zusätzlich können, auf Basis von Differenzen der spektralen Emissivität bei 8 und 11μm, mikrophysikalische Wolkeneigenschaften semi-transparenter Zirruswolken abgeleitet werden. Die spezielle Intention dieser Studie ist der Vergleich von modellierten makro- und mikrophysikalischen Eigenschaften hoher Bewölkung mit derartigen Beobachtungsdaten. Dazu wurde eine Methode entwickelt, die die Modellergebnisse hinsichtlich der Vergleichbarkeit mit den Satellitendaten prozessiert, ähnlich wie in anderen Satellitensimulatoren (zum Beispiel dem ISCCP-Simulator). Die Simulatormethode berücksichtigt: i) die unterschiedliche horizontale Auflösung von Modell- und Satellitendaten, ii) die spezifischen Beobachtungszeitfenster, iii) die Bestimmung des Druckes eines Wolkensystems, identifiziert mit dem Druck in der Mitte der obersten Wolke, und iv) die Selektion hoher Wolken spezifischer optischer Dicke zur Ableitung mikrophysikalischer Wolkeneigenschaften aus den Infrarotsensordaten. Die Anwendung der Methode auf Simulationsergebnisse des Klimamodells ECHAM und TOVS Satellitendaten hat wichtige Effekte. Die Häufigkeit der hohen Wolken, welche mit der Methode aus den Modellergebnissen selektiert wurden, ist deutlich geringer als die gesamte Häufigkeit hoher Wolken im Modell. Die größten Unterschiede treten im Bereich des Äquators auf, wo die zonal gemittelte Häufigkeit der hohen Bewölkung um etwa 30 % (relative Änderung) verringert wird. (Fortsetzung Zusammenfassung) Für den Vergleich von modellierten und beobachteten mikrophysikalischen Eigenschaften hoher Wolken ist die Selektionsmethode von wesentlicher Bedeutung. Die Selektion hoher Wolken aus den ECHAM-Simulationen, entsprechend der für TOVS relevanten optischen Dicken, resultiert in einer Verringerung des mittleren Wasserpfades hoher Wolken um Faktoren von mehr als 3, verglichen mit dem Fall, bei dem auch hohe Wolken anderer optischer Dicke berücksichtigt werden. Zusäatzlich bewirkt die Selektion nach optischer Dicke eine signifikante Erhöhung des Effektivdurchmessers der Wolkenpartikel. Diese Änderungen haben eine deutliche Verringerung der Abweichungen zwischen Modell und Beobachtung zur Folge. Die Methode kann auch zu Vergleichen mit Wolkenklimatologien verwendet werden, welche aus Messungen anderer Infrarotsensoren abgeleitet wurden, beispielsweise aus AIRS- und IASI-Daten.