A  new  parameteriza-on  of  ice  cloud  op-cal  proper-es  based  on  a  two-­‐

habit  ice  par-cle  model  

Ping  Yang,1  Bingqi  Yi,1  Souichiro  Hioki,1  Patrick  Minnis,2  Norman  Loeb,2  Seiji  Kato2  

1.  Dept  of  Atmospheric,  Texas  A&M  University    2.  NASA  Langley  Research  Center    

MOTIVATION  

•  Most  current  ice  crystal  models  used  in  cloud  retrievals  and  in  RTMs  are  not  consistent  across  all  wavelengths  and  op-cs  

 -­‐  cloud  op-cal  depths  retrieved  using  VIS  channels  are  ~half  of  COD  for                          IR  channels,  use  single  column  model  (SHM)  

 -­‐  polariza-on  paYerns  do  not  match      -­‐  needs  to  match  mass  to  link  hydro  and  radia-ve  cycles  

 •  A  two-­‐habit  model  (THM)  has  been  provided  to  the  Cloud  Working  Group  for  use  in  future  CERES  Edi-ons  

 -­‐  currently  under  evalua-on    •  If  used  by  CERES,  the  Fu-­‐Liou  code  will  need  to  accommodate  the  new  model  across  the  SW  and  LW  spectral  bands  

 -­‐  parameteriza-on  across  all  wavelengths  developed,  needs  tes-ng    

Two-­‐habit  ice  par-cle  model  (THM)  

Liu,  Yang,  Minnis,  Loeb,  Kato,  Heymsfield,  SchmiY  ,  2014  

(a)  single  hexagonal  column  with  an  aspect  ra-o  of  unity;  

(b) hexagonal  aggregate  with  20  solid  or  hollow  columns.  

Median  Mass  Diameter  (Dmm)  :  THM  vs.  Measurements  

Liu,  Yang,  Minnis,  Loeb,  Kato,  Heymsfield,  SchmiY  ,  2014  

Ice  Water  Content  (IWC):  THM  vs.  measurements    

Liu,  Yang,  Minnis,  Loeb,  Kato,  Heymsfield,  SchmiY  ,  2014  

Consistency  between  solar-­‐band  and  IR-­‐band  retrievals  

Liu,  Yang,  Minnis,  Loeb,  Kato,  Heymsfield,  SchmiY  ,  2014  

0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.002

Obs

erva

tion

Den

sity

Dis

tribu

tion

Pola

rized

Ref

lect

ivity

Scattering Angle (°)

Smooth ColumnTwo Habit Model

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

100 110 120 130 140 150 160 170 180

Polarized  Reflec-vity:  THM  vs.  POLDER  

Pola

rized

Ref

lect

ivity

Scattering Angle (°)

-0.03

-0.02

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

100 110 120 130 140 150 160 170 180

T < 208 K

208 K < T < 228 K

Observa-on  Density  Envelopes  

Computa-on  of  Band-­‐averaged  bulk  scaYering  proper-es  

Effec%ve  diameter  

Asymmetry  factor  

Single-­‐sca8ering  albedo  

!

" sca =

" sca, h(D ,#) fh(D )[ ]S(#)n(D )dDd#h=1

M

$Dmin

Dmax%#min

#max%

fh(D )[ ]S(#)n(D )dDd#h=1

M

$Dmin

Dmax%#min

#max%

Sca8ering  cross  sec%on  

Ex%nc%on  cross  sec%on  

!

" ext =

" ext, h(D ,#) fh(D )[ ]S(#)n(D )dDd#h=1

M

$Dmin

Dmax%#min

#max%

fh(D )[ ]S(#)n(D )dDd#h=1

M

$Dmin

Dmax%#min

#max%

!

g =

gh(D ,")# sca, h(D ,") fh(D )[ ]S(")n(D )dDd"h=1

M

$Dmin

Dmax%"min

"max%

# sca, h(D ,") fh(D )[ ]S(")n(D )dDd"h=1

M

$Dmin

Dmax%"min

"max%

!

Deff =32

Vh(D ) fh(D )n(D )dDDmin

Dmax"[ ]h=1

M

#

Ah(D ) fh(D )n(D )dDDmin

Dmax"[ ]h=1

M

#

!

"(#) =$ sca(#)$ ext(#)

9  

Bulk  sca8ering  proper%es  parameterized  as  func%ons  of  effec%ve  diameter:  

IWC = !ice Vh (D) fh (D)n(D)dDDmin

Dmax!"#$%&'

h=1

M

(

Ice  water  content  

Gamma  distribu%on  

n(D) = N0D(1!3!eff )/!eff exp(! D

Deff!eff

)

Band-­‐averaged  ice  cloud  bulk  op-cal  proper-es:  two-­‐habit  model  versus  CAM5    

Two-­‐habit  

CAM5  

λ

Ice  cloud  radia-ve  forcing  at  TOA  and  surface  as  func-on  of  THM  effec-ve  diameter  and  op-cal  thickness,  SZA  =  60°  

Minimal  Dependence  on  De  

Comparison  of  CERES  observa-ons  and  simula-ons  using  Fu-­‐Liou  RTM  

•  CERES  data:    –  SSF  level-­‐3  1°x1°  daily  observa-ons  containing  cloud  informa-on  (cloud  phase,  op-cal  thickness,  cloud  frac-on,  effec-ve  diameter,  etc.)    

–  SW  and  LW  flux  at  the  TOA  under  clear-­‐sky  and  cloudy-­‐sky.    •  Simula-ons:  – MERRA  reanalysis  daily  atmospheric  profiles  are  used;  –  Fu-­‐Liou  RTM  is  used  for  two  cases:  

•  Default:  Fu-­‐Liou  RTM  with  SCM  ice  op-cs  parameteriza-on  •  Two-­‐habit  model:  Fu-­‐Liou  RTM  with  new  THM  ice  op-cs  parameteriza-on  

•  Data  -me  range:  January,  April,  July,  and  October  2010  

Defini-on:  CRF  at  TOA  =  TOA  cloudy-­‐sky  flux  –  TOA  clear-­‐sky  flux  

Methodology  

•  Use  grid  points  with  only  ice  clouds  from  CERES  SSF  

•  Select  corresponding  atmospheric  profiles  from  MERRA  

•  Determine  cloud  level  from  CERES  cloud  effec-ve  pressure  

•  Select  necessary  cloud  parameters  for  RTM  simula-ons:  cloud  frac-on,  cloud  op-cal  thickness,  De,  etc.;  

•  Carry  out  Fu-­‐Liou  RTM  simula-on  for  clear-­‐sky,  cloudy-­‐sky  with  SCM,  and  cloudy-­‐sky  with  THM  

•  Calculate  cloudy-­‐sky  TOA  radia-ve  flux  and  ice  cloud  radia-ve  forcing.  Compare  simula-ons  with  CERES  observa-ons.  

CRFs:  THM  minus  SCM  

•  THM  has  larger  solar  CRF  than  SCM.    •  THM  LW  CRF  similar  to  SCM,  but  slightly  smaller    •  Net  forcing  is  several  Wm-­‐2  larger  for  THM  

Unit:  W/m2  

Top  of  the  atmosphere   Surface  

TOA  FLUX  THM  vs  CERES  preliminary  results  

Unit:  W/m2  

•  Discrepancies  in  SW  is  likely  due  to  uncertainty  in  surface  albedo    •  Observa-on  and  simula-on  are  similar  in  the  case  of  IR  flux.  

Clear-­‐sky   Cloudy-­‐sky  

TOA  CRF  Simula-on  vs  CERES  

Preliminary  results  

Two-­‐habit  model  vs  CERES   Default  vs  CERES  

•  Only  nega-ve  SWC  RF  is  simulated,  CERES  shows  both  posi-ve  and  nega-ve  CRF  

•  Net  CRF  is  seldom  posi-ve  in  the  simula-on,  but  again  both  posi-ve  &  nega-ve  in  CERES;  

•  CERES  solar/IR  CRF  may  have  uncertain-es  by  themselves;  

Unit:  W/m2  

Red  number  panel  shows  the  average  difference:    Simula-on  -­‐  CERES  

-­‐8.6  

-­‐3.8  

-­‐12.4  

-­‐7.5  

-­‐3.6  

-­‐11.1  

Cloud  radia-ve  forcing:  observa-on  vs  simula-on  CERES  EBAF   CAM5  with  two-­‐habit  model  

Unit:  W/m2  

deep  convec-on  microphysics  parameteriza-on  problem  

Conclusions  •  Two-­‐habit  ice  cloud  op-cs  parameteriza-on  scheme  is  

developed  and  implemented  in  the  Fu-­‐liou  RTM.  •  Preliminary  results  show  good  agreement  between  CERES  

satellite  observa-on  of  radia-ve  flux  at  the  top  of  the  atmosphere  (TOA)  under  clear-­‐sky  and  ice  cloudy-­‐sky.    

•  Longwave  ice  cloud  radia-ve  forcing  is  well  simulated  by  Fu-­‐liou  RTM  with  two-­‐habit  ice  op-cs.  However,  shortwave  radia-ve  forcing  simula-ons  have  some  problems  

•  GCM  simula-on  with  two-­‐habit  ice  op-cs  also  shows  some  improvements  in  the  global  longwave  cloud  forcing  while  shortwave  forcing  improvement  is  difficult  to  discern  because  of  large  biases  due  to  convec-ve  clouds  in  the  tropics.    

Future  work  •  Improve  the  ice  cloud  radia-on  simula-on  by  consistently  represen-ng  ice  microphysical  and  op-cal  proper-es  in  the  model.    

•  Data  from  several  field  campaigns  are  used  and  we  found  a  new  IWC-­‐Deff  rela-onship  that  depends  on  the  cloud  temperature.  This  new  IWC-­‐Deff  rela-onship  may  further  improve  the  specifica-on  of  ice  cloud  effec-ve  par-cle  size.  

•  Ground-­‐based  measurements  at  ARM  sites  will  be  used  to  test  the  two-­‐habit  model.