{"id":11856,"date":"2026-04-20T07:52:57","date_gmt":"2026-04-20T07:52:57","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/mirjam-tijhuis\/"},"modified":"2026-04-20T07:53:03","modified_gmt":"2026-04-20T07:53:03","slug":"mirjam-tijhuis","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/mirjam-tijhuis\/","title":{"rendered":"Mirjam Tijhuis"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":11857,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-11856","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"The importance of realistic surface radiation in cloud-resolving models","samenvatting":"Wolken be\u00efnvloeden de hoeveelheid en verdeling van zonlicht aan het aardoppervlak. Dat doen ze door zonlicht te verstrooien en te absorberen. Door wolken veroorzaakte variaties in zonlicht zorgen voor variaties in de warmte- en vochtstromen tussen het oppervlak en de atmosfeer. Ze veroorzaken ook variatie in fotosynthese door planten en in de productie van duurzame energie. De oppervlaktestromen drijven warme en vochtige turbulente pluimen aan. Deze pluimen mengen het onderste deel van de atmosfeer door en bepalen de ontwikkeling van convectieve wolken. Deze wolken reguleren vervolgens de hoeveelheid en ruimtelijke verdeling van zonlicht aan het oppervlak op de schaal van individuele wolken. Dus, convectieve wolken, zonnestraling en het oppervlak zijn nauw met elkaar verbonden. Verder be\u00efnvloeden deze wolken de totale hoeveelheid inkomende straling aan het oppervlak en uitgaande straling aan de top van de atmosfeer. Daarmee be\u00efnvloeden deze wolken ons weer en klimaat.\n\nIn de meeste atmosferische modellen wordt stralingstransport alleen berekend in de verticaal (1D), aangezien 3D-stralingstransportberekeningen te duur zijn. Echter, door het horizontale transport van straling te negeren, worden gesimuleerde wolkenschaduwen te klein en zijn ze incorrect gepositioneerd recht onder de wolken. Verder vangt 1D stralingstransport geen pieken in de straling die hoger zijn dan onder een blauwe lucht. Wolken kunnen dit soort pieken, zogenaamde wolken versterkingen, veroorzaken door straling te verstrooien naar open gebieden tussen de wolken. Deze verschillen tussen 1D- en 3D-stralingstransport worden de 3D-stralingseffecten genoemd. In dit proefschrift onderzoeken we de vraag: hoe be\u00efnvloeden 3D-stralingseffecten de ontwikkeling van convectieve wolken?\n\nOm deze vraag te kunnen beantwoorden, hebben we hoge-resolutie simulaties van de atmosfeer gebruikt, zogenaamde Large-Eddy simulaties, waarin het grootste deel van de turbulente bewegingen wordt opgelost. We centreerden onze simulaties rondom Cabauw, waar een schat aan observaties beschikbaar is om onze simulaties te valideren.\n\nOnder een gebroken wolkendek, zoals ondiepe cumulusbewolking, is de geobserveerde kansverdeling van de totale of globale straling aan het oppervlak over het algemeen bi-modaal. De twee modi corresponderen met de wolkenschaduwen en de wolken versterkingen. Deze bimodale verdeling wordt gevangen door 3D-stralingstransportberekeningen, maar niet met 1D-stralingstransport, met name omdat de verstrooide of diffuse straling niet horizontaal wordt verspreid. Daarom onderzoeken we in hoofdstuk 2 hoe we het horizontale transport van diffuse straling kunnen parameteriseren om de kansverdelingen van diffuse en globale straling goed te kunnen simuleren. Hiervoor filteren we de diffuse straling aan het oppervlak in simulaties met 1D-stralingstransport met een Gaussisch filter. We bepalen de breedte van deze filter door de simulatieresultaten op de observaties te leggen. Met deze filter vangen we de wolkenversterkingen en maken we de wolkenschaduwen donkerder. Dit resulteert in de karakteristieke bimodale verdeling van de globale straling. Verder vinden we dat deze karakteristieke verdeling nog steeds wordt gesimuleerd als onze filterbreedte licht afwijkt van de optimale breedte. Dit stelt ons in staat om de filterbreedte te beschrijven met een simpele lineaire functie van bijvoorbeeld de bewolkingsgraad. Dus, hoofdstuk 2 laat zien dat een geparameteriseerd Gaussisch filter kan worden gebruikt om realistischere kansverdelingen van zonnestraling aan het oppervlak te simuleren.\n\nIn hoofdstuk 3 bestuderen we hoe realistische straling wolken anders vormt dan gesimplificeerde straling. Om onze stralingsberekeningen realistischer te maken, implementeren we aerosoloptica in onze stralingstransportberekeningen. Daarmee voorkomen we een systematische afwijking in de verdeling tussen directe en diffuse straling. Vervolgens vergelijken we simulaties met gekoppeld 1D- en 3D-stralingstransport. We vinden dat 3D-stralingstransport zorgt voor meer vloeibaar water, diepere wolken en grotere wolken in vergelijking met 1D-stralingstransport. De bewolkingsgraad daarentegen is hetzelfde in simulaties met 1D- en 3D-stralingstransport. De verschillen in wolken zorgen voor verschillen in straling. Vooral de toegenomen hoeveelheid vloeibaar water zorgt voor meer absorptie en verstrooiing omhoog in simulaties met 3D-stralingstransport. Daardoor is de hoeveelheid straling aan het oppervlak gereduceerd. Echter, de hoeveelheid straling wordt ook direct be\u00efnvloed door de manier van stralingstransport. Met 3D-stralingstransport kan verstrooide straling makkelijker uit een wolk ontsnappen, wat zorgt voor een toename in de hoeveelheid straling aan het oppervlak. Deze twee tegenovergestelde effecten blijken elkaar uit te middelen. Daarom concluderen we dat 3D-stralingstransport zorgt voor grotere wolken zonder dat de gemiddelde hoeveelheid straling aan het oppervlak verandert.\n\nIn hoofdstuk 4 zoeken we naar de oorzaak van de verschillen uit hoofdstuk 3. Daarvoor gebruiken we een aantal 3D-benaderingen die elk een deel van de verschillen tussen 1D- en 3D-stralingstransport omvatten. Een groot deel van de verschillen in de wolken kunnen we wegnemen door de positie van de wolkenschaduwen te corrigeren. Dit komt doordat de turbulente warmte- en vochtstromen onder de wolken hoger zijn wanneer de schaduwen naast in plaats van onder de wolken liggen. Een extra correctie voor de grootte van de schaduw heeft een beperkte invloed op de wolken. Het cre\u00ebren van wolkenversterkingen met behulp van de methode uit hoofdstuk 2 verbetert de turbulente stromen onder de wolken nabij het oppervlak, maar heeft geen invloed op de wolken zelf. We vinden dat wolkenversterkingen de ontwikkeling van wolken wel bevorderen wanneer de piek in de diffuse straling het oppervlak bereikt onder de wolk in plaats van in de wolkenschaduw. Dus, de positie van de wolkenschaduwen en de wolkenversterkingen veroorzaken de verschillen in de wolken tussen simulaties met 1D- en 3D-stralingstransport.\n\nIn hoofdstukken 2, 3 en 4 gebruiken we het model MicroHH. In hoofdstuk 5 vergelijken we dit model met een operationeel weermodel (ICON). We simuleren een ge\u00efdealiseerde lijn van diepe convectie (buienlijn) met identieke modelopzet in beide modellen. Dit omvat de resolutie, domeingrootte, randvoorwaarden en microfysicaschema. We vinden dezelfde circulatiepatronen en lijnstructuur in beide modellen. Dus, de modellen zijn kwalitatief in overeenstemming. Er zijn echter kwantitatieve verschillen, waarbij de circulatie intenser is in MicroHH dan in ICON voor een reeks aan horizontale resoluties (1000 m, 500 m, 250 m). Om te begrijpen waardoor deze verschillen worden veroorzaakt, simplificeren we naar een opzet zonder regenvorming. Dit is mogelijk omdat beide modellen dezelfde beschrijving van regenvorming gebruiken. Deze sterk ge\u00efdealiseerde opzet onthulde dat de formuleringen van advection en thermodynamica de grootste invloed hebben. Concluderend laten de kwantitatieve verschillen het belang van modelfysica en numerieke aspecten zien, terwijl de kwalitatieve overeenkomst aangeeft dat inzichten uit Large-Eddy simulaties gebruikt kunnen worden in weermodellen.\n\nConcluderend toont deze thesis aan dat gesimplificeerde en realistische oppervlaktestraling een verschillende invloed hebben op ondiepe cumuluswolken boven land. In hoofdstuk 6 raad ik twee richtingen voor vervolgonderzoek aan. Allereerst zou de invloed van 3D stralingseffecten op wolken breder moeten worden getrokken naar de langgolvige straling, verschillende wolkentypes en verschillende landoppervlakten. Ten tweede zou de impact van 3D-stralingseffecten beter kunnen worden beoordeeld door ze in perspectief te plaatsen ten opzichte van andere onzekerheden in het modelleren van wolken. Met deze twee onderzoeksrichtingen kunnen de resultaten uit deze thesis verder worden uitgediept om uiteindelijk te bepalen hoe belangrijk 3D-stralingseffecten zijn voor weer- en klimaatvoorspellingen.","summary":"Clouds influence the amount and distribution of solar radiation reaching the Earth\u2019s surface by scattering and absorbing radiation. Cloud-driven variations in radiation lead to variations in the surface fluxes of heat and moisture into the atmosphere, as well as variations in plant photosynthesis and renewable energy production. The surface fluxes give rise to warm and moist turbulent plumes that cause mixing in the lowest part of the atmosphere and determine the evolution of convective clouds. In turn, these convective clouds regulate the amount and spatial distribution of surface solar radiation at the scale of individual clouds. Hence, convective clouds, radiation, and the surface are tightly coupled. In addition, these clouds influence the amount of incoming radiation at the surface and outgoing radiation at the top of the atmosphere on the scale of the cloud field, thereby influencing weather and climate.\n\nIn most atmospheric models, radiative transfer is simulated only in the vertical direction (1D), as 3D radiative transfer computations are too costly. However, by neglecting horizontal radiative transfer, the simulated cloud shadows are too small and positioned incorrectly directly below the clouds. In addition, 1D radiative transfer does not capture cloud enhancements. These are peaks in the radiation above clear sky values caused by scattering of radiation by clouds in to clear sky patches. These differences between 1D and 3D radiative transfer are called 3D radiative effects. In this thesis, we investigate the question how do 3D radiative effects impact the evolution of convective clouds?\n\nTo answer this question, we performed high-resolution atmospheric simulations, so called Large-Eddy Simulations (LES), in which the clouds and the largest part of the turbulent motions are resolved. We centered most of our simulations around Cabauw, the Netherlands, where a wealth of observations is available to validate our simulations.\n\nUnder broken clouds, such as shallow cumulus, the observed probability distribution of surface global radiation is typically bimodal. The two modes correspond to the cloud shadows and the cloud enhancements. This bimodal distribution is captured by 3D radiative transfer simulations but not by 1D radiative transfer, mainly because the horizontal spread of the diffuse radiation is not included. Therefore, in Chapter 2, we investigate how we can parameterize the horizontal distribution of diffuse radiation to properly capture the probability distributions of diffuse and global radiation. To this end, we filter the surface diffuse radiation fields from simulations with 1D radiative transfer with a Gaussian smoothing kernel. We obtained the optimal filter size by matching the simulation results with observations. With this filter, cloud enhancements are captured, and cloud shadows are darkened. This results in the typical bimodal distribution of global radiation. In addition, we find that realistic probability distributions are still obtained with small deviations from the optimal filter size. Therefore, we can parameterize the filter size, e.g. as a simple linear function of the cloud cover. Hence, Chapter 2 provides a proof-of-concept that a parameterized Gaussian filter can be used to obtain more realistic probability distributions of surface solar irradiance.\n\nIn Chapter 3, we study how realistic radiation shapes clouds differently compared to simplified radiation. To improve the realism of our radiative transfer, we implement aerosol optics in our radiative transfer solver. Thereby a systematic bias in the partitioning between direct and diffuse radiation is removed. Next, we compare simulations with coupled 1D and 3D radiative transfer. We find that 3D radiative transfer leads to larger simulated liquid water paths, deeper clouds, and larger clouds compared to 1D radiative transfer. In contrast, the cloud cover is the same in simulations with 1D and 3D radiative transfer. The differences in clouds result in differences in radiation. Mainly, the higher liquid water paths cause increased absorption and back scatter in simulations with 3D radiative transfer. As a result, the amount of global radiation at the surface is reduced. However, the radiation also differs because of the radiative transfer method used. Scattered radiation can escape a cloud more easily with 3D radiative transfer, which results in an increased amount of radiation at the surface. These two opposing effects are found to cancel each other out. Therefore, we conclude that 3D radiative transfer results in larger clouds without changing the mean surface solar radiation.\n\nIn Chapter 4 we investigate what causes the differences in the clouds found in Chapter 3. Therefore, we employ a range of approximated 3D methods, which capture part of the differences between 1D and 3D radiative transfer. A large part of the difference in clouds is captured by correcting the cloud shadow position. This can be explained by the increase in the turbulent fluxes under the clouds when the shadows are displaced away from the clouds. An additional correction for the cloud shadow size has a limited impact on the clouds. Creating cloud enhancements using the Gaussian filter from Chapter 2 improves the fluxes under the clouds near the surface but has no impact on the clouds themselves. However, cloud enhancements are found to boost cloud development when we create the cloud enhancements by positioning the peak in diffuse radiation under the clouds instead of in the clouds shadows. Thus, cloud shadow position and cloud enhancement position and scale drive the differences in clouds between simulations with 1D and 3D radiative transfer.\n\nIn Chapters 2, 3, and 4, we use Large-Eddy simulations performed with the MicroHH model. In Chapter 5, we compare this model with a model used for operational weather forecasting (ICON). We simulate an idealized line of deep convection (squall line) with identical setups in both models. This includes the resolution, domain size, boundary conditions, and microphysics scheme. We find the same simulated circulation patterns and system structure in both models. Thus, the models agree qualitatively. However, quantitatively, the circulation is more intense in MicroHH compared to ICON for a range of horizontal resolutions (1000 m, 500 m, 250 m). To understand what drives these differences, we idealize our setup further by excluding rain formation. This is possible as both models use the same parameterization for rain formation. This highly idealized setup revealed that the formulations of advection and thermodynamics are the most impactful. In conclusion, the quantitative differences show the importance of model physics and numerics, whereas the qualitative agreement provides confidence that insights from Large-Eddy Simulations can be applied in Numerical Weather Prediction models.\n\nIn conclusion, this thesis proves that simplified and realistic surface radiation have a different impact on shallow cumulus clouds over land. In Chapter 6, I recommend two pathways for future research. First, the impact of 3D radiative effects on clouds should be generalized to the longwave spectral range, various cloud types, and different surface types. Second, to better assess the importance of 3D radiative effects, their impact on clouds should be placed in perspective alongside other uncertainties in cloud modeling. By investigating these two aspects, the results of this thesis can be extended further to ultimately determine how important 3D radiative effects are for weather and climate modeling.","auteur":"Mirjam Tijhuis","auteur_slug":"mirjam-tijhuis","publicatiedatum":"28 mei 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/mirjamtijhuis?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/0b9335e0-4fcd-43ec-b7b6-6ad624dffa5c\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"18803","isbn":"","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Wageningen University","afbeeldingen":11858,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Wageningen University","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11856","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=11856"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11856\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":11859,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/11856\/revisions\/11859"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/11857"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=11856"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=11856"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}