Although long considered to be of marginal importance to global climate change, tropospheric aerosol contributes substantially to radiative forcing, and anthropogenic sulfate aerosol in particular has imposed a major perturbation to this forcing. Both the direct scattering of shortwavelength solar radiation and the modification of the shortwave reflective properties of clouds by sulfate aerosol particles increase planetary albedo, thereby exerting a cooling influence on the planet. Current climate forcing due to anthropogenic sulfate is estimated to be -1 to -2 watts per square meter, globally averaged. This perturbation is comparable in magnitude to current anthropogenic greenhouse gas forcing but opposite in sign. Thus, the aerosol forcing has likely offset global greenhouse warming to a substantial degree. However, differences in geographical and seasonal distributions of these forcings preclude any simple compensation. Aerosol effects must be taken into account in evaluating anthropogenic influences on past, current, and projected future climate and in formulating policy regarding controls on emission of greenhouse gases and sulfur dioxide. Resolution of such policy issues requires integrated research on the magnitude and geographical distribution of aerosol climate forcing and on the controlling chemical and physical processes.

Every year, from December to April, anthropogenic haze spreads over most of the North Indian Ocean, and South and Southeast Asia. The Indian Ocean Experiment (INDOEX) documented this Indo‐Asian haze at scales ranging from individual particles to its contribution to the regional climate forcing. This study integrates the multiplatform observations (satellites, aircraft, ships, surface stations, and balloons) with one‐ and four‐dimensional models to derive the regional aerosol forcing resulting from the direct, the semidirect and the two indirect effects. The haze particles consisted of several inorganic and carbonaceous species, including absorbing black carbon clusters, fly ash, and mineral dust. The most striking result was the large loading of aerosols over most of the South Asian region and the North Indian Ocean. The January to March 1999 visible optical depths were about 0.5 over most of the continent and reached values as large as 0.2 over the equatorial Indian ocean due to long‐range transport. The aerosol layer extended as high as 3 km. Black carbon contributed about 14% to the fine particle mass and 11% to the visible optical depth. The single‐scattering albedo estimated by several independent methods was consistently around 0.9 both inland and over the open ocean. Anthropogenic sources contributed as much as 80% (±10%) to the aerosol loading and the optical depth. The in situ data, which clearly support the existence of the first indirect effect (increased aerosol concentration producing more cloud drops with smaller effective radii), are used to develop a composite indirect effect scheme. The Indo‐Asian aerosols impact the radiative forcing through a complex set of heating (positive forcing) and cooling (negative forcing) processes. Clouds and black carbon emerge as the major players. The dominant factor, however, is the large negative forcing (‐20±4 W m −2 ) at the surface and the comparably large atmospheric heating. Regionally, the absorbing haze decreased the surface solar radiation by an amount comparable to 50% of the total ocean heat flux and nearly doubled the lower tropospheric solar heating. We demonstrate with a general circulation model how this additional heating significantly perturbs the tropical rainfall patterns and the hydrological cycle with implications to global climate.

An introductory survey of the global energy balance climate models is presented with an emphasis on analytical results. A sequence of increasingly complicated models involving ice cap and radiative feedback processes are solved, and the solutions and parameter sensitivities are studied. The model parameterizations are examined critically in light of many current uncertainties. A simple seasonal model is used to study the effects of changes in orbital elements on the temperature field. A linear stability theorem and a complete nonlinear stability analysis for the models are developed. Analytical solutions are also obtained for the linearized models driven by stochastic forcing elements. In this context the relation between natural fluctuation statistics and climate sensitivity is stressed.

Guided by the results of doubling-adding solutions to the equation of radiative transfer, we develop a simple technique for incorporating in climate models the effect of the background tropospheric aerosol on solar radiation. Because the atmosphere is practically nonabsorbing for much of the solar spectrum the effects of the tropospheric aerosol on the reflectivity, transmissivity and absorptivity of the atmosphere are adequately accounted for by the properties of a two-layered system with the atmosphere placed above the aerosol layer. The two-stream and delta-Eddington approximations to the radiative transfer equation then provide reasonably accurate estimates of the changes brought about by the aerosol. Furthermore, results of the doubling-adding calculations lead to a simple parameterization for the distribution of absorption by the aerosol within the atmosphere. Using these simple techniques, we calculate the changes caused by models for the naturally occurring tropospheric aerosol in a zonal mean energy balance climate model. The 2–30°C surface cooling caused by the background aerosol is comparable in magnitude but opposite in sign to the temperature changes brought about by the current atmospheric concentrations of N20 and CH4 and by a doubling of CO2. The model results also indicate that even though the background aerosol may decrease the planetary albedo at high latitudes, it causes cooling at all latitudes. We also use the simple techniques to calculate the influence of dust on the planetary albedo of a desert. Here we demonstrate that the interaction of the aerosol scattering with the angular dependence of the surface reflectivity strongly influences the planetary albedo.

We present a new technique for obtaining cloud cover and determining clear sky radiances using high‐resolution infrared scanner data. The technique, which can be automated, uses the spatial structure of the IR radiance field to identify radiances associated with fields of view that are either free of clouds or completely covered by clouds drawn from one or more distinct layers. As the method uses only infrared radiances, it should provide equally good results for both daytime and nighttime observations. The approach is particularly suited for determining clear sky radiances over oceans from which sea surface temperature might be derived. In addition, for single‐layered systems, the cloud cover fraction for a given region may be obtained from the clear sky radiance, the completely cloud covered radiance, and the mean radiance for the region. For such systems the separation of completely covered from partially covered fields of view allows an estimate of the errors associated with commonly used threshold techniques for determining cloud cover. These errors are, in general, shown to be highly sensitive to the applied threshold and to depend on the cloud‐areal size distribution. In addition, unlike the spatial coherence method described here, histograms and correlations of visible and IR radiances as proposed for archiving information on cloud cover may fail to reveal the layered structure of cloud systems. Furthermore, the high local structure observed for the visible radiances of regions that appear to be completely cloud covered makes it impossible to obtain reliable estimates of the cover from visible radiances alone.

Under stable meteorological conditions the effect of ship-stack exhaust on overlying clouds was detected in daytime satellite images as an enhancement in cloud reflectivity at 3.7 micrometers. The exhaust is a source of cloud-condensation nuclei that increases the number of cloud droplets while reducing droplet size. This reduction in droplet size causes the reflectivity at 3.7 micrometers to be greater than the levels for nearby noncontaminated clouds of similar physical characteristics. The increase in droplet number causes the reflectivity at 0.63 micrometer to be significantly higher for the contaminated clouds despite the likelihood that the exhaust is a source of particles that absorb at visible wavelengths. The effect of aerosols on cloud reflectivity is expected to have a larger influence on the earth's albedo than that due to the direct scattering and absorption of sunlight by the aerosols alone.

We present a review of the radiative‐convective models that have been used in studies pertaining to the earth's climate. After familiarizing the reader with the theoretical background, modeling methodology, and techniques for solving the radiative transfer equation the review focuses on the published model studies concerning global climate and global climate change. Radiative‐convective models compute the globally and seasonally averaged surface and atmospheric temperatures. The computed temperatures are in good agreement with the observed temperatures. The models include the important climatic feedback mechanism between surface temperature and H 2 O amount in the atmosphere. The principal weakness of the current models is their inability to simulate the feedback mechanism between surface temperature and cloud cover. It is shown that the value of the critical lapse rate adopted in radiative‐convective models for convective adjustment is significantly larger than the observed globally averaged tropospheric lapse rate. The review also summarizes radiative‐convective model results for the sensitivity of surface temperature to perturbations in (1) the concentrations of the major and minor optically active trace constituents, (2) aerosols, and (3) cloud amount. A simple analytical model is presented to demonstrate how the surface temperature in a radiative‐convective model responds to perturbations.

To determine the effects of atmospheric aerosols on the radiative heating of the earth-atmosphere system, the radiative transfer equation is solved analytically in the two-stream approximation. It is found that the sign of the heating is independent of optical thickness of an aerosol layer and the amount of heating approaches a finite limit with increasing thickness of a layer. Limitations of the two-stream approximation are discussed.