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Representing subgrid-scale cloud effects in a radiation parameterization using machine learning: MLe-radiation v1.0

Hafner, Katharina und Shamekh, Sara und Bertoli, Guillaume und Lauer, Axel und Pincus, Robert und Savre, Julien und Eyring, Veronika (2026) Representing subgrid-scale cloud effects in a radiation parameterization using machine learning: MLe-radiation v1.0. Geoscientific Model Development, 19 (9), Seiten 3875-3891. Copernicus Publications. doi: 10.5194/gmd-19-3875-2026. ISSN 1991-959X.

[img] PDF - Verlagsversion (veröffentlichte Fassung)
3MB

Offizielle URL: https://gmd.copernicus.org/articles/19/3875/2026/

Kurzfassung

Improvements of Machine Learning (ML)-based radiation emulators remain constrained by the underlying assumptions to represent horizontal and vertical subgrid-scale cloud distributions, which continue to introduce substantial uncertainties. In this study, we introduce a method to represent the impact of subgrid-scale clouds by applying ML to learn processes from high-resolution model output with a horizontal grid spacing of 5 km. In global storm resolving models, clouds begin to be explicitly resolved. Coarsegraining these high-resolution simulations to the resolution of coarser Earth System Models yields radiative heating rates that implicitly include subgrid-scale cloud effects, without assumptions about their horizontal or vertical distributions. We define the cloud radiative impact as the difference between all-sky and clear-sky radiative fluxes, and train the ML component solely on this cloud-induced contribution to heating rates. The clear-sky tendencies remain being computed with a conventional physics-based radiation scheme. This hybrid design enhances generalization, since the machinelearned part addresses only subgrid-scale cloud effects, while the clear-sky component remains responsive to changes in greenhouse gas or aerosol concentrations. Applied to coarsegrained data offline, the ML-enhanced radiation scheme reduces errors by a factor of 4–10 compared with a conventional coarse-scale radiation scheme. This shows the potential of representing subgrid-scale cloud effects in radiation schemes with ML for the next generation of Earth System Model.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/228085/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Representing subgrid-scale cloud effects in a radiation parameterization using machine learning: MLe-radiation v1.0
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Hafner, KatharinaDLR, IPAhttps://orcid.org/0009-0009-5272-0409231355839
Shamekh, SaraNew York University (NYU), New York, NY, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Bertoli, GuillaumeColumbia University, New York, NY, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lauer, AxelDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-9270-1044NICHT SPEZIFIZIERT
Pincus, RobertLamont-Doherty Earth Observatory, Columbia University, Palisades, NY, USANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Savre, JulienDLR, IPANICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Eyring, VeronikaDLR, IPAhttps://orcid.org/0000-0002-6887-4885NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:13 Mai 2026
Erschienen in:Geoscientific Model Development
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Ja
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:19
DOI:10.5194/gmd-19-3875-2026
Seitenbereich:Seiten 3875-3891
Verlag:Copernicus Publications
ISSN:1991-959X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:climate modeling, radiation, machine learning, clouds
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HGF - Programm:Raumfahrt
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Standort: Oberpfaffenhofen
Institute & Einrichtungen:Institut für Physik der Atmosphäre > Erdsystemmodell -Evaluation und -Analyse
Hinterlegt von: Lauer, Axel
Hinterlegt am:27 Okt 2026 08:05
Letzte Änderung:04 Nov 2026 12:37

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