Measurements and models show that enhanced aerosol concentrations can augment cloud albedo not only by increasing total droplet cross-sectional area, but also by reducing precipitation and thereby increasing cloud water content and cloud coverage. Aerosol pollution is expected to exert a net cooling influence on the global climate through these conventional mechanisms. Here, we demonstrate an opposite mechanism through which aerosols can reduce cloud cover and thus significantly offset aerosol-induced radiative cooling at the top of the atmosphere on a regional scale. In model simulations, the daytime clearing of trade cumulus is hastened and intensified by solar heating in dark haze (as found over much of the northern Indian Ocean during the northeast monsoon).

Some of the global warming from anthropogenic greenhouse gases is offset by increased reflection of solar radiation by clouds with smaller droplets that form in air polluted with aerosol particles that serve as cloud condensation nuclei. The resulting cooling tendency, termed the indirect aerosol forcing, is thought to be comparable in magnitude to the forcing by anthropogenic CO2, but it is difficult to estimate because the physical processes that determine global aerosol and cloud populations are poorly understood. Smaller cloud droplets not only reflect sunlight more effectively, but also inhibit precipitation, which is expected to result in increased cloud water. Such an increase in cloud water would result in even more reflective clouds, further increasing the indirect forcing. Marine boundary-layer clouds polluted by aerosol particles, however, are not generally observed to hold more water. Here we simulate stratocumulus clouds with a fluid dynamics model that includes detailed treatments of cloud microphysics and radiative transfer. Our simulations show that the response of cloud water to suppression of precipitation from increased droplet concentrations is determined by a competition between moistening from decreased surface precipitation and drying from increased entrainment of overlying air. Only when the overlying air is humid or droplet concentrations are very low does sufficient precipitation reach the surface to allow cloud water to increase with droplet concentrations. Otherwise, the response of cloud water to aerosol-induced suppression of precipitation is dominated by enhanced entrainment of overlying dry air. In this scenario, cloud water is reduced as droplet concentrations increase, which diminishes the indirect climate forcing.

Abstract Data from the first research flight (RF01) of the second Dynamics and Chemistry of Marine Stratocumulus (DYCOMS-II) field study are used to evaluate the fidelity with which large-eddy simulations (LESs) can represent the turbulent structure of stratocumulus-topped boundary layers. The initial data and forcings for this case placed it in an interesting part of parameter space, near the boundary where cloud-top mixing is thought to render the cloud layer unstable on the one hand, or tending toward a decoupled structure on the other hand. The basis of this evaluation consists of sixteen 4-h simulations from 10 modeling centers over grids whose vertical spacing was 5 m at the cloud-top interface and whose horizontal spacing was 35 m. Extensive sensitivity studies of both the configuration of the case and the numerical setup also enhanced the analysis. Overall it was found that (i) if efforts are made to reduce spurious mixing at cloud top, either by refining the vertical grid or limiting the effects of the subgrid model in this region, then the observed turbulent and thermodynamic structure of the layer can be reproduced with some fidelity; (ii) the base, or native configuration of most simulations greatly overestimated mixing at cloud top, tending toward a decoupled layer in which cloud liquid water path and turbulent intensities were grossly underestimated; (iii) the sensitivity of the simulations to the representation of mixing at cloud top is, to a certain extent, amplified by particulars of this case. Overall the results suggest that the use of LESs to map out the behavior of the stratocumulus-topped boundary layer in this interesting region of parameter space requires a more compelling representation of processes at cloud top. In the absence of significant leaps in the understanding of subgrid-scale (SGS) physics, such a representation can only be achieved by a significant refinement in resolution—a refinement that, while conceivable given existing resources, is probably still beyond the reach of most centers.

This paper describes the GISS-E2.1 contribution to the Coupled Model Intercomparison Project, Phase 6 (CMIP6). This model version differs from the predecessor model (GISS-E2) chiefly due to parameterization improvements to the atmospheric and ocean model components, while keeping atmospheric resolution the same. Model skill when compared to modern era climatologies is significantly higher than in previous versions. Additionally, updates in forcings have a material impact on the results. In particular, there have been specific improvements in representations of modes of variability (such as the Madden-Julian Oscillation and other modes in the Pacific) and significant improvements in the simulation of the climate of the Southern Oceans, including sea ice. The effective climate sensitivity to 2 × CO2 is slightly higher than previously at 2.7-3.1°C (depending on version) and is a result of lower CO2 radiative forcing and stronger positive feedbacks.

Abstract Results are presented from an intercomparison of single‐column and cloud‐resolving model simulations of a cold‐air outbreak mixed‐phase stratocumulus cloud observed during the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) programme's Mixed‐Phase Arctic Cloud Experiment. The observed cloud occurred in a well‐mixed boundary layer with a cloud‐top temperature of − 15 °C. The average liquid water path of around 160 g m −2 was about two‐thirds of the adiabatic value and far greater than the average mass of ice which when integrated from the surface to cloud top was around 15 g m −2 . Simulations of 17 single‐column models (SCMs) and 9 cloud‐resolving models (CRMs) are compared. While the simulated ice water path is generally consistent with observed values, the median SCM and CRM liquid water path is a factor‐of‐three smaller than observed. Results from a sensitivity study in which models removed ice microphysics suggest that in many models the interaction between liquid and ice‐phase microphysics is responsible for the large model underestimate of liquid water path. Despite this underestimate, the simulated liquid and ice water paths of several models are consistent with observed values. Furthermore, models with more sophisticated microphysics simulate liquid and ice water paths that are in better agreement with the observed values, although considerable scatter exists. Although no single factor guarantees a good simulation, these results emphasize the need for improvement in the model representation of mixed‐phase microphysics. Copyright © 2009 Royal Meteorological Society

Data from the undisturbed period of the Rain in Cumulus over the Ocean (RICO) field study are used to create a test case for large-eddy simulations of shallow, precipitating, trade-wind cumulus.Measurements upon which the test case are based are augmented by a regional scale downscaling of meteorological analyses so as to provide forcing data consistent with the measurements.Twelve large-eddy simulations, with a wide range of microphysical representations, are compared to each other, and to independent measurements during RICO.The ensemble average of the simulations plausibly reproduces many features of the observed clouds, including the vertical structure of cloud fraction, profiles of cloud and rain water, and to a lesser degree the population density of rain drops.The simulations do show considerable departures from one another in the representation of the cloud microphysical structure and the ensuant surface precipitation rates.There is a robust tendency for simulations that develop rain to produce a shallower, somewhat more unstable cloud layer.Relations between cloud cover and precipitation are ambiguous.

Abstract Cloud water sedimentation and drizzle in a stratocumulus-topped boundary layer are the focus of an intercomparison of large-eddy simulations. The context is an idealized case study of nocturnal stratocumulus under a dry inversion, with embedded pockets of heavily drizzling open cellular convection. Results from 11 groups are used. Two models resolve the size distributions of cloud particles, and the others parameterize cloud water sedimentation and drizzle. For the ensemble of simulations with drizzle and cloud water sedimentation, the mean liquid water path (LWP) is remarkably steady and consistent with the measurements, the mean entrainment rate is at the low end of the measured range, and the ensemble-average maximum vertical wind variance is roughly half that measured. On average, precipitation at the surface and at cloud base is smaller, and the rate of precipitation evaporation greater, than measured. Including drizzle in the simulations reduces convective intensity, increases boundary layer stratification, and decreases LWP for nearly all models. Including cloud water sedimentation substantially decreases entrainment, decreases convective intensity, and increases LWP for most models. In nearly all cases, LWP responds more strongly to cloud water sedimentation than to drizzle. The omission of cloud water sedimentation in simulations is strongly discouraged, regardless of whether or not precipitation is present below cloud base.

Abstract. Southern Africa produces almost a third of the Earth's biomass burning (BB) aerosol particles, yet the fate of these particles and their influence on regional and global climate is poorly understood. ORACLES (ObseRvations of Aerosols above CLouds and their intEractionS) is a 5-year NASA EVS-2 (Earth Venture Suborbital-2) investigation with three intensive observation periods designed to study key atmospheric processes that determine the climate impacts of these aerosols. During the Southern Hemisphere winter and spring (June–October), aerosol particles reaching 3–5 km in altitude are transported westward over the southeast Atlantic, where they interact with one of the largest subtropical stratocumulus (Sc) cloud decks in the world. The representation of these interactions in climate models remains highly uncertain in part due to a scarcity of observational constraints on aerosol and cloud properties, as well as due to the parameterized treatment of physical processes. Three ORACLES deployments by the NASA P-3 aircraft in September 2016, August 2017, and October 2018 (totaling ∼350 science flight hours), augmented by the deployment of the NASA ER-2 aircraft for remote sensing in September 2016 (totaling ∼100 science flight hours), were intended to help fill this observational gap. ORACLES focuses on three fundamental science themes centered on the climate effects of African BB aerosols: (a) direct aerosol radiative effects, (b) effects of aerosol absorption on atmospheric circulation and clouds, and (c) aerosol–cloud microphysical interactions. This paper summarizes the ORACLES science objectives, describes the project implementation, provides an overview of the flights and measurements in each deployment, and highlights the integrative modeling efforts from cloud to global scales to address science objectives. Significant new findings on the vertical structure of BB aerosol physical and chemical properties, chemical aging, cloud condensation nuclei, rain and precipitation statistics, and aerosol indirect effects are emphasized, but their detailed descriptions are the subject of separate publications. The main purpose of this paper is to familiarize the broader scientific community with the ORACLES project and the dataset it produced.

The near-infrared colors of the planets directly imaged around the A star HR 8799 are much redder than most field brown dwarfs of the same effective temperature. Previous theoretical studies of these objects have concluded that the atmospheres of planets b, c, and d are unusually cloudy or have unusual cloud properties. Some studies have also found that the inferred radii of some or all of the planets disagree with expectations of standard giant planet evolution models. Here we compare the available data to the predictions of our own set of atmospheric and evolution models that have been extensively tested against observations of field L and T dwarfs, including the reddest L dwarfs. Unlike some previous studies we require mutually consistent choices for effective temperature, gravity, cloud properties, and planetary radius. This procedure thus yields plausible values for the masses, effective temperatures, and cloud properties of all three planets. We find that the cloud properties of the HR 8799 planets are not unusual but rather follow previously recognized trends, including a gravity dependence on the temperature of the L to T spectral transition--some reasons for which we discuss. We find the inferred mass of planet b is highly sensitive to whether or not we include the H and K band spectrum in our analysis. Solutions for planets c and d are consistent with the generally accepted constraints on the age of the primary star and orbital dynamics. We also confirm that, like in L and T dwarfs and solar system giant planets, non-equilibrium chemistry driven by atmospheric mixing is also important for these objects. Given the preponderance of data suggesting that the L to T spectral type transition is gravity dependent, we present an exploratory evolution calculation that accounts for this effect. Finally we recompute the the bolometric luminosity of all three planets.

This study investigates effects of drizzle and cloud horizontal inhomogeneity on cloud effective radius ( r e ) retrievals from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS). In order to identify the relative importance of various factors, we developed a MODIS cloud property retrieval simulator based on the combination of large‐eddy simulations (LES) and radiative transfer computations. The case studies based on synthetic LES cloud fields indicate that at high spatial resolution (∼100 m) 3‐D radiative transfer effects, such as illumination and shadowing, can induce significant differences between retrievals of r e based on reflectance at 2.1 μ m ( r e,2.1 ) and 3.7 μ m ( r e,3.7 ). It is also found that 3‐D effects tend to have stronger impact on r e,2.1 than r e,3.7 , leading to positive difference between the two (Δ r e,3.7−2.1 ) from illumination and negative Δ r e,3.7−2.1 from shadowing. The cancellation of opposing 3‐D effects leads to overall reasonable agreement between r e,2.1 and r e,3.7 at high spatial resolution as far as domain averages are concerned. At resolutions similar to MODIS, however, r e,2.1 is systematically larger than r e,3.7 when averaged over the LES domain, with the difference exhibiting a threshold‐like dependence on both r e,2.1 and an index of the sub‐pixel variability in reflectance ( H σ ), consistent with MODIS observations. In the LES cases studied, drizzle does not strongly impact r e retrievals at either wavelength. It is also found that opposing 3‐D radiative transfer effects partly cancel each other when cloud reflectance is aggregated from high spatial resolution to MODIS resolution, resulting in a weaker net impact of 3‐D radiative effects on r e retrievals. The large difference at MODIS resolution between r e,3.7 and r e,2.1 for highly inhomogeneous pixels with H σ > 0.4 can be largely attributed to what we refer to as the “plane‐parallel r e bias,” which is attributable to the impact of sub‐pixel level horizontal variability of cloud optical thickness on r e retrievals and is greater for r e,2.1 than r e,3.7 . These results suggest that there are substantial uncertainties attributable to 3‐D radiative effects and plane‐parallel r e bias in the MODIS r e,2.1 retrievals for pixels with strong sub‐pixel scale variability, and the H σ index can be used to identify these uncertainties.