Optical properties of cloudy atmospheres through radiative transfer and remote sensing: from 1d to 3d approach

• Autores: Caterina Peris Ferrús
• Directores de la Tesis: José Luis Gómez-Amo (dir. tes.), María Pilar Utrillas Esteban (codir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de València ( España ) en 2021
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Alcide di Sarra (presid.), Victor Estellés Leal (secret.), Roberto Román Diez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Teledetección por la Universitat de València (Estudi General)
• Materias:
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Ciencias de la atmósfera
      • Física de las nubes
    • Geología
      • Teledetección (geología)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: webges.uv.es (pdf)
• Resumen

  • Las nubes producen grandes cambios en el balance radiativo terrestre. Sin embargo, sigue habiendo incógnitas en aspectos clave concernientes a ellas, tales como sus propiedades físicas, radiativas y estructura interna. Con ello, el conocimiento acerca de su influencia en el sistema climático permanece incompleto. El efecto de las nubes es clave para el calentamiento global, y las incertidumbres acerca de sus propiedades deben ser resueltas en aras de llevar a cabo predicciones correctas del futuro cambio climático.

    Con todo ello, las observaciones continuas y sistemáticas de dichas propiedades es crucial. En este trabajo nos servimos de la teledetección desde suelo mediante una cámara de nubes, así como de un modelo de transferencia radiativa para inferir el espesor óptico de las nubes en todo cielo mediante un método de inversión. Los estudios de cierre radiativo de este tipo tradicionalmente se han llevado a cabo mediante una concepción plano-paralela del medio y la aplicación de la Aproximación del Píxel Independiente (IPA). Sin embargo, esta aproximación, aunque adecuada para condiciones de cielo completamente cubierto no lo es tanto para situaciones de nubes rotas, debido a que la IPA y el esquema plano-paralelo en sí no tienen en cuenta el transporte radiativo lateral, englobado en lo que se denomina en la literatura 'efectos radiativos 3D'. Esta negligencia produce errores demostrables a la larga en la adquisición de las propiedades radiativas de la atmósfera, y en particular de las nubes.

    Los efectos radiativos 3D están totalmente comprendidos en modelos de transferencia radiativa 3D Monte Carlo tales como MYSTIC (the Monte Carlo Code for the physically correct tracing of photons in cloudy atmospheres'). Sin embargo, la integración del método de transferencia radiativa Monte Carlo como tal en un estudio de cierre para la obtención de propiedades de los agentes atmosféricos no es banal, dada la complejidad de una atmósfera real y sus procesos radiativos, la falta de información de entrada al modelo en las tres dimensiones y el coste computacional, entre otras limitaciones. Sin embargo, es interesante aplicar las ventajas que ofrece este nuevo tratamiento de una atmósfera más realista y la transferencia radiativa 3D para mejorar los resultados obtenidos mediante la tradicional aproximación unidimensional plano-paralela, así como testear dichos resultados y parametrizar soluciones en la medida de lo posible.

    Con ello, en este trabajo vamos un paso más allá de la simple aplicación de la Aproximación del Píxel Independiente a los píxeles de la cámara de nubes, y obtenemos una parametrización de los efectos 3D no tenidos en cuenta en la aproximación 1D, mediante la aplicación del método de inversión tradicional a los campos de radiancias obtenidos en un estudio sintético con campos de nubes tridimensionales de espesor óptico conocido y MYSTIC. El estudio sintético considera diversos campos de nubes con distintas coberturas nubosas y varias posiciones solares para analizar la influencia de la geometría solar y nubosa en los efectos 3D.

    Con ello obtenemos que la IPA proporciona buenos resultados en campos de nubes cubiertos de alto espesor óptico, pero que tiende a subestimar el espesor óptico en campos de nubes rotos y en particular en los bordes de las nubes en los que se dan múltiples reflexiones de la radiación. Las parametrizaciones se obtienen en función de las dos variables del estudio, la cobertura nubosa y el ángulo cenital solar, con lo que pueden aplicarse en análisis de campos de nubes reales interpolando a los valores de estas dos variables.