Vol. 37, issue 07, article # 8

Abstract:

According to the IPCC-2021 Report on climate change, the atmospheric CO₂ and CH₄ concentrations have increased by around a quarter for the last 50 years. The CO₂ and CH₄ radiative forcing due to their concentration growth was calculated for mid-latitudes. The vertical profiles of temperature and humidity were taken from the ECMWF ERA-5 European reanalysis data. An impact of overlapping of H₂O absorption bands with CO₂ and CH₄ bands on the radiative forcing calculation results in the troposphere and stratosphere of mid-latitudes with different water vapor content was investigated by statistical methods. It was shown that absolute value of the CO₂ radiative forcing in the troposphere increases with the atmospheric water vapor content, whereas the CH₄ radiative forcing does not depend on the atmospheric total column water vapor.

Keywords:

radiative forcing, methane, carbon dioxide, water vapor continuum, atmospheric radiative transfer

References:

1. IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / V. Masson-Delmotte, P. Zhai, A. Pirani, S.L. Connors, C. Péan, S. Berger, N. Caud, Y. Chen, L. Goldfarb, M.I. Gomis, M. Huang, K. Leitzell, E. Lonnoy, J.B.R. Matthews, T.K. Maycock, T. Waterfield, O. Yelekçi, R. Yu, B. Zhou (eds.). Cambridge: Cambridge University Press, 2021. DOI: 10.1017/9781009157896.
2. Meleshko V.P., Semenov S.M., Anisimov O.A., Anokhin Yu.A., Boltneva  L.I., Vaganov E.A., Gruza G.V., Zaitsev A.S., Zolotokrylin A.N., Izrael' Yu.A., Insarov G.E., Karol' I.L., Kattsov V.M., Kobysheva N.V., Kostyanoi A.G., Krenke A.N., Meshcherskaya A.V., Mirvis V.M., Oganesyan V.V., Pchelkin A.V., Revich B.A., Reshetnikov A.I., Semenov V.A., Sirotenko O.D., Sporyshev P.V., Terziev F.S., Frolov I.E., Khon V.Ch., TSyban' A.V., Sherstyukov B.G., Shiklomanov I.A., Yasyukevich V.V. Otsenochnyi doklad ob izmeneniyakh klimata i ikh posledstviyakh na territorii Rossiiskoi Federatsii. Obshchee rezyume. M.: Rosgidromet, 2008. 30 p.
3. Firsov K.M., Chesnokova T.Yu., Razmolov A.A. Vliyanie kontinual'nogo pogloshcheniya parov vody na radiatsionnyi forsing uglekislogo gaza v atmosfere dlya regiona Nizhnego Povolzh'ya // Optika atmosf. i okeana. 2022. V. 35, N 12. P. 1029–1035. DOI: 10.15372/AOO20221210; Firsov K.M., Chesnokova T.Yu., Razmolov A.A. Impact of water vapor continuum absorption on CO₂ radiative forcing in the atmosphere in the Lower Volga Region // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 2. P. 162–168. DOI: 10.1134/S1024856023030053.
4. Etminan M., Myhre G., Highwood E.J., Shine K.P. Radiative forcing of carbon dioxide, methane, and nitrous oxide: A significant revision of the methane radiative forcing // Geophys. Res. Lett. 2016. V. 43, N 24. P. 12,614–12,623. DOI: 10.1002/2016GL071930.
5. Roberts R.E., Selby J.E.A., Biberman L.M. Infrared continuum absorption by atmospheric water vapor in the 8–12 micron meter window // Appl. Opt. 1976. V. 15. P. 2085–2090.
6. Mlawer E.J., Clough S.A., Brown P.D., Tobin D.S. Collision-indused effects and the water vapor continuum // Proc. the Eighth ARM Science Team Meeting, Tuscon, Arisona. 1998. P. 503–511.
7. Khoperskov A.V., Firsov K.M., Titov A.V., Razmolov A.A. Razvertyvanie regional'noi klimaticheskoi modeli dlya YUga Rossii na osnove REGCM 4.5 // Matematicheskaya fizika i komp'yuternoe modelirovanie. 2019. V. 22, N 3. P. 67–94. DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2019.3.6.
8. Rothman L.S., Rinsland C.P., Goldman A., Massie S.T., Edwards D.P., Flaud J.-M., Perrin A., Camy-Peyret C., Dana V., Mandin J.-Y., Schroeder J., Mccann A., Gamache R.R., Wattson R.B., Yoshino K., Chance K.V., Jucks K.W., Brown L.R., Nemtchinov V., Varanasi P. The HITRAN molecular spectroscopic database and hawks (HITRAN atmospheric workstation): 1996 edition // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1998. V. 60, N 6. P. 665–710.
9. Rothman L.S., Barbe A., Chris Benner D., Brown L.R., Camy-Peyret C., Carleer M.R., Chance K., Clerbaux C., Dana V., Devi V.M., Fayt A., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Jacquemart D., Jucks K.W., Lafferty W.J., Mandin J.-Y., Massie S.T., Nemtchinov V., Newnham D.A., Perrin A., Rinsland C.P., Schroeder J., Smith K.M., Smith M.A.H., Tang K., Toth R.A., Vander Auwera J., Varanasi P., Yoshino K. The HITRAN molecular spectroscopic database: Edition of 2000 including updates through 2001 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2003. V. 82, N 1–4. P. 5–44. DOI: 10.1016/S0022-4073(03)00146-8.
10. Clough S.A., Shephard M.W., Mlawer E.J., Delamere J.S., Iacono M.J., Cady-Pereira K., Boukabara S., Brown P.D. Atmospheric radiative transfer modeling: A summary of the AER codes // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2004. V. 91. P. 233–244. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2004.05.058.
11. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V., Skinner F.M., Conway E.K., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Wcisło P., Finen­ko A.A., Nelson K., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Coustenis A., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacque­mart D., Mlawer E.J., Nikitin A.V., Perevalov V.I., Rotger M., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Adkins E.M., Baker A., Barbe A., Canè E., Császár A.G., Dudaryonok A., Egorov O., Fleisher A.J., Fleurbaey H., Foltynowicz A., Furtenbacher T., Harri­son J.J., Hartmann J.-M., Horneman V.-M., Huang X., Karman T., Karns J., Kassi S., Kleiner I., Kofman V., Kwabia-Tchana F., Lavrentieva N.N., Lee T.J., Long D.A., Lukashevskaya A.A., Lyulin O.M., Makhnev V.Yu., Matt W., Massie S.T., Melosso M., Mikhailenko S.N., Mondelain D., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Perrin A., Polyansky O.L., Raddaoui E., Raston P.L., Reed Z.D., Rey M., Richard C., Tóbiás R., Sadiek I., Schwenke D.W., Starikova E., Sung K., Tamassia F., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Vasilenko I.A., Vigasin A.A., Villanueva G.L., Vispoel B., Wagner G., Yachmenev A., Yurchenko S.N. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 277, N 10794. P. 1–82. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107949.
12. Firsov K.M., Chesnokova T.Yu., Bobrov E.V. Rol' kontinual'nogo pogloshcheniya parov vody v dlinnovolnovykh radiatsionnykh protsessakh prizemnogo sloya atmosfery v regione Nizhnego Povolzh'ya // Optika atmosf. i okeana. 2014. V. 27, N 8. P. 665–672; Firsov K.M., Chesnokova T.Yu., Bobrov E.V. The role of the water vapor continuum absorption in near ground long-wave radiation processes of the Lower Volga Region // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 1. P. 1–8. DOI: 10.1134/S1024856015010030.
13. Chesnokova T.Yu., Firsov K.M. Vliyanie obnovleniya informatsii po parametram linii pogloshcheniya atmosfernykh gazov na rezul'taty modelirovaniya potokov teplovogo izlucheniya v atmosfere // Optika atmosf. i okeana. 2023. V. 36, N 5. P. 387–397. DOI: 10.15372/AOO20230509; Chesnokova T.Yu., Firsov K.M. Impact of updating information on the atmospheric gas absorption line parameters on the results of simulations of IR radiative fluxes in the atmosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 5. P. 539–549.
14. Delahaye T., Armante R., Scott N.A., Jacquinet-Husson N., Chédin A., Crépeau L., Crevoisier C., Douet V., Perrin A., Barbe A., Boudon V., Campargue A., Coudert L.H., Ebert V., Flaud J.-M., Gamache R.R., Jacquemart D., Jolly A., Kwabia-Tchana F., Kyuberis A., Li G., Lyulin O.M., Manceron L., Mikhailenko S., Moazzen-Ahmadi N., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Nikitin A., Perevalov V.I., Richard C., Starikova E., Tashkun S.A., Tyuterev Vl.G., Vander Auwera J., Vispoel B., Yachmenev A., Yurchenko S. The 2020 edition of the GEISA spectroscopic database // J. Mol. Spectrosc. 2021. V. 380. P. 111510. DOI: 10.1016/j.jms.2021.111510.
15. Mlawer E.J., Payne V.H., Moncet J.-L., Delamere J.S., Alvarado M.J., Tobin D.C. Development and recent evaluation of the MT_CKD model of continuum absorption // Phil. Trans. R. Soc. A. 2012. V. 370. P. 2520–2556. DOI: 10.1098/rsta.2011.0295.
16. Anderson G.P., Clough S.A., Kneizys F.X., Chetwynd J.H., Shettle E.P. AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0–120 km). AFGL-TR-86-0110. AFGL (OPI). Hanscom AFB: MA 01736. 1986. 25 р.
17. ECMWF ERA-5. URL: https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5 (last access: 26.02.2024).
18. Hersbach H., Bell B., Berrisford P., Hirahara S., Horányi A., Muñoz-Sabater J., Nicolas J., Peubey C., Radu R., Schepers D., Simmons A., Soci C., Abdalla S., Abellan X., Balsamo G., Bechtold P., Biavati G., Bidlot J., Bonavita M., De Chiara G., Dahlgren P., Dee D., Diamantakis M., Dragani R., Flemming J., Forbes R., Fuentes M., Geer A., Haimberger L., Healy S., Hogan R.J., Hólm E., Janisková M., Keeley S., Laloyaux P., Lopez Ph., Lupu C., Radnoti G., de Rosnay P., Rozum I., Vamborg F., Villaume S., Thépaut J.-N. The ERA5 global reanalysis // Q. J. R. Meteorol Soc. 2020. V. 146. P. 1999–2049. DOI: 10.1002/qj.3803.