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Towards an improved understanding of the Global Energy Balance: causes of decadal changes of solar radiation

Applicant Wild Martin
Number 188601
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Atmosphäre und Klima ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Climatology. Atmospherical Chemistry, Aeronomy
Start/End 01.09.2020 - 30.11.2023
Approved amount 398'858.00
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Keywords (6)

Radiation Budget; Global Dimming; Global Energy Balance ; Surface Albedo; Solar radiation; Climate Change

Lay Summary (German)

Lead
Die Globale Energiebilanz spielt eine zentrale Rolle im Klimasystem und im Klimawandel. Sie treibt die wesentlichen Klimaprozesse an und prägt die thermischen und hydrologischen Bedingungen auf unserem Planeten. Eine zentrale Komponente der globalen Energiebilanz ist dabei die Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche, die die Energie für alles Leben auf der Erde liefert. Analysen von weltweiten Strahlungsmessreihen haben gezeigt, dass die Menge der Sonneneinstrahlung nicht einfach konstant ist über die Jahrzehnte, sondern substantiellen Veränderungen unterworfen ist. Insbesondere hat sie von den 1950er bis in die 1980er Jahre stark abgenommen, ein Phänomen, dass populär als «global dimming» bekannt wurde. Seit den 1980er Jahren zeigen dagegen viele Messstationen wieder einen Anstieg («brightening»). Obwohl diese Veränderungen nachhaltige Auswirkungen auf den Klimawandel und alle Oekosysteme haben, sind deren Ursachen bisher unzureichend geklärt.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Das übergeordnete Ziel diese Projekts und der dazugehörigen Vorgängerprojekte ist es, ein  besseres Verständnis der Globalen Energiebilanz und ihrer raum-zeitlichen Veränderung zu erhalten. Insbesondere sollen im vorliegenden Projekt die Gründe für die Veränderungen der Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche  besser verstanden werden. Die Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche kann durch Veränderung in der Bewölkung, aber auch durch Luftschadstoffe (Aerosole) modifiziert werden. Die relative Bedeutung dieser beiden Einflussfaktoren im Bezug auf das  Phänomen «Global Dimming und Brightening» ist nur unzureichend bekannt, und soll im Rahmen dieses Projekts geklärt werden. Dazu werden zwei Ansätze verfolgt, die einerseits auf weltweiten satelliten- und bodengestützten Messdaten, und andererseits auf Computersimulationen basieren, und je von einer/einem Doktorierenden abgedeckt werden.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Unser Projekt wird dazu beitragen, dass wir besser verstehen, wieso  die Sonneneinstrahlung an der Erdoberfläche starken dekadischen Schwankungen unterworfen ist. Veränderungen in der Sonneneinstrahlung beeinflussen unmittelbar unsere Lebensgrundlagen und spielen eine zentrale Rolle im Klimawandel. Sie sind auch von wirtschaftlicher Bedeutung in der Landwirtschaft, in der Wasserwirtschaft, im Tourismussektor und insbesondere auch als essentielle Ressource bei der Generierung von Solarenergie.

 

 

 

Direct link to Lay Summary Last update: 19.06.2020

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
159938 Towards an improved understanding of the Global Energy Balance: temporal variation of solar radiation in the climate system 01.01.2016 Project funding (Div. I-III)
135395 Towards an improved understanding of the Global Energy Balance: absorption of solar radiation 01.01.2012 Project funding (Div. I-III)

Abstract

The Global Energy Balance fundamentally shapes the climate on our planet and is the main driver behind its changes. The solar component thereby plays a crucial role, as it is the ultimate energy source for all climate relevant processes as well as life on our planet. In two preceeding PhD Projects approved by SNF in 2011 and 2015 (hereafter referred to as SNF2011 and SNF2015, respectively), the climatological mean solar absorption in the climate system, as well as aspects of its changes have been quantified, using collocated surface and space-based observations. A major characteristic of solar radiation in the climate system is its substantial multidecadal variation, known as “dimming” and brightening”. Although this phenomenon is well recognized by now, many of its aspects are still not satisfactorily established to date. Particularly it is not well known to what extent these variations are caused by human interference with the climate system, or are rather a reflection of natural variations inherent in the climate system. Also, it is not well established to what extent changes in aerosol, clouds or their interactions contribute to the variations. The fact that climate models so far are not able to fully reproduce these variations challenge our present understanding of the relevant underlying processes, and casts doubt on the models’ abilities to accurately simulate climate change. In the present complementary follow-up proposal, a thorough assessment of the causes of decadal changes in solar radiation is envisaged from both a modelling and an observational perspective. From a modeling point of view this project is timely, since the latest state-of-the-art climate simulations are just about to emerge from the Coupled Model Intercomparison Project phase 6 (CMIP6) in the context of the upcoming IPCC AR6 report. A comprehensive assessment will be required to infer the progress in this latest model generation with respect to the reproduction of changes in solar radiation, and the causes for potential discrepancies. This assessment requires a preparation of the most adequate observational reference data, particularly also a separation of the solar fluxes measured under cloudy and cloud-free conditions, to discern the relative importance of aerosol and cloud effects. Further, sensitivity simulations with a sophisticated Earth system modelling framework maintained in-house will be carried out to better estimate the relevant forcing factors of SSR variability. Two complementary PhD positions are envisaged for this project, covering the modelling and the observational aspects of the project, respectively.
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