Английская Википедия:Atmospheric radiative transfer codes

Содержание

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Текст

Шаблон:Short description An atmospheric radiative transfer model, code, or simulator calculates radiative transfer of electromagnetic radiation through a planetary atmosphere.

Methods

At the core of a radiative transfer model lies the radiative transfer equation that is numerically solved using a solver such as a discrete ordinate method or a Monte Carlo method. The radiative transfer equation is a monochromatic equation to calculate radiance in a single layer of the Earth's atmosphere. To calculate the radiance for a spectral region with a finite width (e.g., to estimate the Earth's energy budget or simulate an instrument response), one has to integrate this over a band of frequencies (or wavelengths). The most exact way to do this is to loop through the frequencies of interest, and for each frequency, calculate the radiance at this frequency. For this, one needs to calculate the contribution of each spectral line for all molecules in the atmospheric layer; this is called a line-by-line calculation. For an instrument response, this is then convolved with the spectral response of the instrument.

A faster but more approximate method is a band transmission. Here, the transmission in a region in a band is characterised by a set of pre-calculated coefficients (depending on temperature and other parameters). In addition, models may consider scattering from molecules or particles, as well as polarisation; however, not all models do so.

Applications

Radiative transfer codes are used in broad range of applications. They are commonly used as forward models for the retrieval of geophysical parameters (such as temperature or humidity). Radiative transfer models are also used to optimize solar photovoltaic systems for renewable energy generation. Another common field of application is in a weather or climate model, where the radiative forcing is calculated for greenhouse gases, aerosols, or clouds. In such applications, radiative transfer codes are often called radiation parameterization. In these applications, the radiative transfer codes are used in forward sense, i.e. on the basis of known properties of the atmosphere, one calculates heating rates, radiative fluxes, and radiances.

There are efforts for intercomparison of radiation codes. One such project was ICRCCM (Intercomparison of Radiation Codes in Climate Models) effort that spanned the late 1980s – early 2000s. The more current (2011) project, Continual Intercomparison of Radiation Codes, emphasises also using observations to define intercomparison cases.

Table of models

Name	Website	References	UV	Visible	Шаблон:Nowrap	Шаблон:Nowrap	mm/sub-mm	Microwave	Шаблон:Nowrap/band	Scattering	Polarised	Geometry	License	Notes
4A/OP	[1] Шаблон:Webarchive	Scott and Chédin (1981)	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes		freeware
6S/6SV1	[2]	Kotchenova et al. (1997)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Dunno	Шаблон:Yes			non-Lambertian surface
ARTS	[3]	Eriksson et al. (2011) Buehler et al. (2018)	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	spherical 1D, 2D, 3D	GPL
BTRAM	[4]	Chapman et al. (2009)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	line-by-line	Шаблон:No	Шаблон:No	1D,plane-parallel	proprietary commercial
COART	[5]	Jin et al. (2006)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel	free
CRM	[6]		Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:No		freely available	Part of NCAR Community Climate Model
CRTM	[7]	Johnson et al. (2023)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	band	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	1D, Plane-Parallel	Public Domain	Fresnel ocean surfaces, Lambertian non-ocean surface
DART radiative transfer model	[8]	Gastellu-Etchegorry et al. (1996)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	spherical 1D, 2D, 3D	free for research with license	non-Lambertian surface, landscape creation and import
DISORT	[9]	Stamnes et al. (1988) Lin et al. (2015)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes		Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel or pseudo-spherical (v4.0)	free with restrictions	discrete ordinate, used by others
Eradiate	[10]		Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel, spherical	LGPL	3D surface simulation
FARMS	[11]	Xie et al. (2016)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel	free	Rapidly simulating downwelling solar radiation at land surface for solar energy and climate research
Fu-Liou	[12]	Fu and Liou (1993)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	plane-parallel	usage online, source code available	web interface online at
FUTBOLIN		Martin-Torres (2005)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Partial	Шаблон:No	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	spherical or plane-parallel		handles line-mixing, continuum absorption and NLTE
GENLN2	[13]	Edwards (1992)	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	line-by-line	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno
KARINE	[14]	Eymet (2005)	Шаблон:No	Шаблон:No	colspan=2 Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	plane-parallel	GPL
KCARTA	[15]		Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	plane-parallel	freely available	AIRS reference model
KOPRA	[16]		Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno
LBLRTM	[17]	Clough et al. (2005)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	line-by-line	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno
LEEDR	[18]	Fiorino et al. (2014)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	spherical	US government software	extended solar & lunar sources; single & multiple scattering
LinePak	[19]	Gordley et al. (1994)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	line-by-line	Шаблон:No	Шаблон:No	spherical (Earth and Mars), plane-parallel	freely available with restrictions	web interface, SpectralCalc
libRadtran	[20]	Mayer and Kylling (2005)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	plane-parallel or pseudo-spherical	GPL
MATISSE	[21]	Caillault et al. (2007)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno		proprietary freeware
MCARaTS													GPL	3-D Monte Carlo
MODTRAN	[22]	Berk et al. (1998)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno		proprietary commercial	solar and lunar source, uses DISORT
MOSART	[23]	Cornette (2006)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	band	Шаблон:Yes	Шаблон:No		freely available
MSCART	[24]	Wang et al. (2017) Wang et al. (2019)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	1D, 2D, 3D	available on request
PICASO	[25]link	Batalha et al. (2019) Mukherjee et al. (2022)	λ>0.3 μm	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band or correlated-k	Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel, 1D, 3D	GPL Github	exoplanet, brown dwarf, climate modeling, phase-dependence
PUMAS	[26]		Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Line-by-line and correlated-k	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	plane-parallel and pseudo-spherical	Free/online tool
RADIS	[27]	Pannier (2018)	Шаблон:No	Шаблон:No	colspan=2 Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:No	Шаблон:No	1D	GPL
RFM	[28]		Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	line-by-line	Шаблон:No	Шаблон:Dunno		available on request	MIPAS reference model based on GENLN2
RRTM/RRTMG	[29]	Mlawer, et al. (1997)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Partial		Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno		free of charge	uses DISORT
RTMOM	[30]Шаблон:Dead link		Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Partial	Шаблон:No	Шаблон:No	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	plane-parallel	freeware
RTTOV	[31]	Saunders et al. (1999)	Шаблон:Partial	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	band	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno		available on request
SASKTRAN		Bourassa et al. (2008) Zawada et al. (2015)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	spherical 1D, 2D, 3D, plane-parallel	available on request	discrete and Monte Carlo options
SBDART	[32]	Ricchiazzi et al. (1998)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	plane-parallel		uses DISORT
SCIATRAN	[33]	Rozanov et al. (2005) , Rozanov et al. (2014)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	plane-parallel or pseudo-spherical or spherical
SHARM		Lyapustin (2002)	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No		Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno
SHDOM	[34]	Evans (2006)	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	Шаблон:Dunno		Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno
σ-IASI	[35]	Amato et al. (2002) Liuzzi et al. (2017)	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:No	plane-parallel	Available on request	Semi-analytical Jacobians.
SMART-G	[36]	Ramon et al. (2019)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:No	band or line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	plane-parallel or spherical	free for non-commercial purposes	Monte-Carlo code parallelized by GPU (CUDA). Atmosphere or/and ocean options
Streamer, Fluxnet	[37]	Key and Schweiger (1998)	Шаблон:No	Шаблон:No	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:No	Шаблон:No	band	Шаблон:Yes	Шаблон:Dunno	plane-parallel		Fluxnet is fast version of STREAMER using neural nets
XRTM	[38]		Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes		Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	plane-parallel and pseudo-spherical	GPL
VLIDORT/LIDORT	[39]	Spurr and Christi (2019)	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes	Шаблон:?	Шаблон:?	line-by-line	Шаблон:Yes	Шаблон:Yes VLIDORT only	plane-parallel		Used in SMART and VSTAR radiative transfer
Name	Website	References	UV	VIS	Near IR	Thermal IR	Microwave	mm/sub-mm	line-by-line/band	Scattering	Polarised	Geometry	License	Notes

Molecular absorption databases

For a line-by-line calculation, one needs characteristics of the spectral lines, such as the line centre, the intensity, the lower-state energy, the line width and the shape.

Name	Author	Description
HITRAN	Rothman et al. (1987, 1992, 1998, 2003, 2005, 2009, 2013, 2017)	HITRAN is a compilation of molecular spectroscopic parameters that a variety of computer codes use to predict and simulate the transmission and emission of light in the atmosphere. The original version was created at the Air Force Cambridge Research Laboratories (1960's). The database is maintained and developed at the Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge MA, USA.
GEISA	Jacquinet-Husson et al. (1999, 2005, 2008)	GEISA (Gestion et Etude des Informations Spectroscopiques Atmosphériques: Management and Study of Spectroscopic Information) is a computer-accessible spectroscopic database, designed to facilitate accurate forward radiative transfer calculations using a line-by-line and layer-by-layer approach. It was started in 1974 at Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD/IPSL) in France. GEISA is maintained by the ARA group at LMD (Ecole Polytechnique) for its scientific part and by the ETHER group (CNRS Centre National de la Recherche Scientifique-France) at IPSL (Institut Pierre Simon Laplace) for its technical part. Currently, GEISA is involved in activities related to the assessment of the capabilities of IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer on board of the METOP European satellite) through the GEISA/IASI database derived from GEISA.

See also

• Discrete dipole approximation codes
• Codes for electromagnetic scattering by cylinders
• Codes for electromagnetic scattering by spheres
• Optical properties of water and ice

References

Footnotes

General

• Bohren, Craig F. and Eugene E. Clothiaux, Fundamentals of atmospheric radiation: an introduction with 400 problems, Weinheim: Wiley-VCH, 2006, 472 p., Шаблон:ISBN.
• Goody, R. M. and Y. L. Yung, Atmospheric Radiation: Theoretical Basis. Oxford University Press, 1996 (Second Edition), 534 pages, Шаблон:ISBN.
• Liou, Kuo-Nan, An introduction to atmospheric radiation, Amsterdam; Boston: Academic Press, 2002, 583 p., International geophysics series, v.84, Шаблон:ISBN.
• Mobley, Curtis D., Light and water: radiative transfer in natural waters; based in part on collaborations with Rudolph W. Preisendorfer, San Diego, Academic Press, 1994, 592 p., Шаблон:ISBN
• Petty, Grant W, A first course in atmospheric radiation (2nd Ed.), Madison, Wisconsin: Sundog Pub., 2006, 472 p., Шаблон:ISBN
• Preisendorfer, Rudolph W., Hydrologic optics, Honolulu, Hawaii: U.S. Dept. of Commerce, National Oceanic & Atmospheric Administration, Environmental Research Laboratories, Pacific Marine Environmental Laboratory, 1976, 6 volumes.
• Stephens, Graeme L., Remote sensing of the lower atmosphere: an introduction, New York, Oxford University Press, 1994, 523 p. Шаблон:ISBN.
• Thomas, Gary E. and Knut Stamnes, Radiative transfer in the atmosphere and ocean, Cambridge, New York, Cambridge University Press, 1999, 517 p., Шаблон:ISBN.
• Zdunkowski, W., T. Trautmann, A. Bott, Radiation in the Atmosphere. Cambridge University Press, 2007, 496 pages, Шаблон:ISBN

External links

• ITWC for radiative transfer