Clouds and the Earth's Radiant Energy System (CERES) is an investigation to examine the role of cloud/radiation feedback in the Earth's climate system. The CERES broadband scanning radiometers are an improved version of the Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) radiometers. The CERES instruments will fly on several National Aeronautics and Space Administration Earth Observing System (EOS) satellites starting in 1998 and extending over at least 15 years. The CERES science investigations will provide data to extend the ERBE climate record of top-of-atmosphere shortwave (SW) and longwave (LW) radiative fluxes. CERES will also combine simultaneous cloud property data derived using EOS narrowband imagers to provide a consistent set of cloud/radiation data, including SW and LW radiative fluxes at the surface and at several selected levels within the atmosphere. CERES data are expected to provide top-of-atmosphere radiative fluxes with a factor of 2 to 3 less error than the ERBE data. Estimates of radiative fluxes at the surface and especially within the atmosphere will be a much greater challenge but should also show significant improvements over current capabilities.

The study of climate and climate change is hindered by a lack of information on the effect of clouds on the radiation balance of the earth, referred to as the cloud-radiative forcing. Quantitative estimates of the global distributions of cloud-radiative forcing have been obtained from the spaceborne Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) launched in 1984. For the April 1985 period, the global shortwave cloud forcing [-44.5 watts per square meter (W/m 2 )] due to the enhancement of planetary albedo, exceeded in magnitude the longwave cloud forcing (31.3 W/m 2 ) resulting from the greenhouse effect of clouds. Thus, clouds had a net cooling effect on the earth. This cooling effect is large over the mid- and high-latitude oceans, with values reaching -100 W/m 2 . The monthly averaged longwave cloud forcing reached maximum values of 50 to 100 W/m 2 over the convectively disturbed regions of the tropics. However, this heating effect is nearly canceled by a correspondingly large negative shortwave cloud forcing, which indicates the delicately balanced state of the tropics. The size of the observed net cloud forcing is about four times as large as the expected value of radiative forcing from a doubling of CO 2 . The shortwave and longwave components of cloud forcing are about ten times as large as those for a CO 2 doubling. Hence, small changes in the cloud-radiative forcing fields can play a significant role as a climate feedback mechanism. For example, during past glaciations a migration toward the equator of the field of strong, negative cloud-radiative forcing, in response to a similar migration of cooler waters, could have significantly amplified oceanic cooling and continental glaciation.

The NASA Earth Radiation Budget Experiment (ERBE), flying aboard multiple satellites, is providing new insights into the climate system. Monthly averaged clear‐sky and cloudy sky flux data derived from the ERBE are used to assess the impact of clouds on the Earth's radiation balance. This impact is examined in terms of three quantities: longwave, shortwave, and net cloud forcing. Overall, clouds appear to cool the Earth‐atmosphere system. The global mean cooling varied from 14 to 21 W m −2 between April 1985 and January 1986. Hemispherically, the longwave and shortwave cloud forcing nearly cancel each other in the winter hemisphere, while in the summer the negative shortwave cloud forcing is significantly lower than the longwave cloud forcing, producing a strong cooling. Thus clouds significantly reduce the seasonal changes in the net radiative heating of the planet. This reduction is particularly strong over the mid‐ and high‐latitude oceans, where they reduce the summer and spring solar heating by as much as 100–150 W m −2 . In the low latitudes, the longwave and shortwave cloud forcing reach peak values over the convectively disturbed regions and tend to offset each other to a large extent. This feature, when combined with the large cooling effect over mid‐ and high‐latitude oceans, leads to the conclusion that clouds significantly reduce the equator‐to‐pole radiative heating gradient of the planet during spring and summer. In the tropical convective regions the large magnitudes of the shortwave and longwave forcing and the near cancellation of the two suggest that clouds have a significant influence on the vertical distribution of heating between the atmosphere and the surface. Thus the ERBE data reveal that globally, hemispherically, and zonally, clouds have a significant effect on the radiative heating gradients. Comparisons of the ERBE results with general circulation models (GCMs) show that global net cloud forcing can be determined reasonably well from some current versions of the GCMs. Modeled regional and zonal values of radiative cloud forcing, however, indicate a need for considerable improvement.

There has been a long history of unexplained anomalous absorption of solar radiation by clouds. Collocated satellite and surface measurements of solar radiation at five geographically diverse locations showed significant solar absorption by clouds, resulting in about 25 watts per square meter more global-mean absorption by the cloudy atmosphere than predicted by theoretical models. It has often been suggested that tropospheric aerosols could increase cloud absorption. But these aerosols are temporally and spatially heterogeneous, whereas the observed cloud absorption is remarkably invariant with respect to season and location. Although its physical cause is unknown, enhanced cloud absorption substantially alters our understanding of the atmosphere's energy budget.

The role of clouds in modifying the earth's radiation balance is well recognized as a key uncertainty in predicting any potential future climate change. This statement is true whether the climate change of interest is caused by changing emissions of greenhouse gases and sulfates, deforestation, ozone depletion, volcanic eruptions, or changes in the solar constant. This paper presents an overview of the role of the National Aeronautics and Space Administration's Earth Observing System (EOS) satellite data in understanding the role of clouds in the global climate system. The paper gives a brief summary of the cloud/radiation problem, and discusses the critical observations needed to support further investigations. The planned EOS data products are summarized, including the critical advances over current satellite cloud and radiation budget data. Key advances include simultaneous observation of radiation budget and cloud properties, additional information on cloud particle size and phase, improved detection of thin clouds and multilayer cloud systems, greatly reduced ambiguity in partially cloud-filled satellite fields of view, improved calibration and stability of satellite-observed radiances, and improved estimates of radiative fluxes at the top of the atmosphere, at the surface, and at levels within the atmosphere. Outstanding sampling and remote sensing issues that affect data quality are also discussed. Finally, the EOS data are placed in the context of other satellite observations as well as the critical surface, field experiment, and laboratory data needed to address the role of clouds in the climate system. It is concluded that the EOS data are a necessary but insufficient condition for solution of the scientific cloud/radiation issues. A balanced approach of satellite, field, and laboratory data will be required. These combined data can span the necessary spatial scales of global, regional, cloud cell, and cloud particle physics (i.e., from 108 to 10−7 m).

Radiative flux anomalies derived from the National Aeronautics and Space Administration (NASA) spaceborne Earth Radiation Budget Experiment were used to determine the volcanic radiative forcing that followed the eruption of Mount Pinatubo in June 1991. They are the first unambiguous, direct measurements of large-scale volcanic forcing. The volcanic aerosols caused a strong cooling effect immediately; the amount of cooling increased through September 1991 as shortwave forcing increased relative to the longwave forcing. The primary effects of the aerosols were a direct increase in albedo over mostly clear areas and both direct and indirect increases in the albedo of cloudy areas.