Muestreo de Longitud de Onda Optimizado para la Transferencia Radiativa Térmica en Modelos de Predicción Numérica del Tiempo
Autores: de Mourgues, Michael; Emde, Claudia; Mayer, Bernhard
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Muestreo de Longitud de Onda Optimizado para la Transferencia Radiativa Térmica en Modelos de Predicción Numérica del Tiempo
Categoría
Ciencias Naturales y Subdisciplinas
Subcategoría
Astronomía
Palabras clave
Rango espectral térmico
Líneas de absorción
Gases traza
Cálculos de transferencia radiativa
Método de muestreo de longitud de onda optimizado
Irradiancia
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 8
Citaciones: Sin citaciones
En el rango espectral térmico, hay millones de líneas de absorción individuales de vapor de agua, CO y otros gases traza. Los cálculos de transferencia radiativa de cantidades integradas por longitud de onda, como la irradiancia y la tasa de calentamiento, son computacionalmente costosos, requiriendo una alta resolución espectral para una predicción numérica del tiempo y modelado climático precisos. Este artículo presenta un método que podría reducir significativamente el costo de integración en el espectro térmico mediante el uso de un método de muestreo de longitud de onda optimizado. Se calcularon los espesores ópticos de absorción para varios gases traza a partir del conjunto de datos espectroscópicos HITRAN 2012 utilizando el modelo ARTS línea por línea como entrada para un modelo de transferencia radiativa de Schwarzschild rápido. Usando un algoritmo de recocido simulado, se identificaron diferentes conjuntos optimizados de longitudes de onda y pesos correspondientes, lo que permitió calcular cantidades integradas precisas como una suma ponderada, reduciendo el tiempo computacional en varios órdenes de magnitud. Para cada conjunto de longitudes de onda, se crea una tabla de búsqueda, que incluye los pesos correspondientes y las secciones transversales de absorción, y puede aplicarse a cualquier configuración atmosférica para la cual fue entrenada. Aplicamos la tabla de búsqueda para calcular irradiancias y tasas de calentamiento para un gran conjunto de perfiles atmosféricos del pronóstico a corto plazo de 91 niveles del ECMWF. Diez nodos de longitud de onda son suficientes para obtener irradiancias dentro de un error cuadrático medio (RMSE) promedio de radiación ascendente y descendente a cualquier altura por debajo de 1 Wm, mientras que 100 longitudes de onda permitieron un RMSE por debajo de 0.05 Wm. La aplicabilidad de este método se confirmó para irradiancias y tasas de calentamiento en condiciones despejadas y para una nube ejemplar a 3.2 km de altura. Los puntos de cuadrícula espectral representativos para cantidades integradas en el espectro térmico (REPINT) están disponibles como parametrización de absorción en el paquete de transferencia radiativa libRadtran, donde puede usarse como una parametrización de absorción molecular eficiente para una variedad de solucionadores de transferencia radiativa.
Descripción
En el rango espectral térmico, hay millones de líneas de absorción individuales de vapor de agua, CO y otros gases traza. Los cálculos de transferencia radiativa de cantidades integradas por longitud de onda, como la irradiancia y la tasa de calentamiento, son computacionalmente costosos, requiriendo una alta resolución espectral para una predicción numérica del tiempo y modelado climático precisos. Este artículo presenta un método que podría reducir significativamente el costo de integración en el espectro térmico mediante el uso de un método de muestreo de longitud de onda optimizado. Se calcularon los espesores ópticos de absorción para varios gases traza a partir del conjunto de datos espectroscópicos HITRAN 2012 utilizando el modelo ARTS línea por línea como entrada para un modelo de transferencia radiativa de Schwarzschild rápido. Usando un algoritmo de recocido simulado, se identificaron diferentes conjuntos optimizados de longitudes de onda y pesos correspondientes, lo que permitió calcular cantidades integradas precisas como una suma ponderada, reduciendo el tiempo computacional en varios órdenes de magnitud. Para cada conjunto de longitudes de onda, se crea una tabla de búsqueda, que incluye los pesos correspondientes y las secciones transversales de absorción, y puede aplicarse a cualquier configuración atmosférica para la cual fue entrenada. Aplicamos la tabla de búsqueda para calcular irradiancias y tasas de calentamiento para un gran conjunto de perfiles atmosféricos del pronóstico a corto plazo de 91 niveles del ECMWF. Diez nodos de longitud de onda son suficientes para obtener irradiancias dentro de un error cuadrático medio (RMSE) promedio de radiación ascendente y descendente a cualquier altura por debajo de 1 Wm, mientras que 100 longitudes de onda permitieron un RMSE por debajo de 0.05 Wm. La aplicabilidad de este método se confirmó para irradiancias y tasas de calentamiento en condiciones despejadas y para una nube ejemplar a 3.2 km de altura. Los puntos de cuadrícula espectral representativos para cantidades integradas en el espectro térmico (REPINT) están disponibles como parametrización de absorción en el paquete de transferencia radiativa libRadtran, donde puede usarse como una parametrización de absorción molecular eficiente para una variedad de solucionadores de transferencia radiativa.