The Earth’s energy imbalance (EEI) quantifies the difference between incoming and outgoing radiation for the Earth as a whole. The current positive EEI leads to an accumulation of energy that has a fundamental impact on the Earth’s climate, with severe effects such as increased global temperatures, rising sea level and higher frequencies of extreme events.

The EEI is thus a central quantity that is important to measure, but it is challenging to do so in practice because the imbalance is small relative to the incoming and outgoing fluxes. Current satellite missions to measure the EEI rely on overlap in time between satellite instruments and adjustment using ocean observations. These satellites will reach the end of their mission lifetime in the next decade, and even with the few follow-on missions that are planned, there is a risk that the continuity of long-term measurements may be broken. To remedy this situation, new satellite missions are under development, and it is relevant to quantify their potential and expected performance as part of the development process.

In terms of climate impacts, the expected long-term temperature change associated with the current positive EEI is constrained to a range of plausible temperature values, but the exact value is not known. The uncertainty in the estimated range is dominated by the uncertainty in the effect of clouds, specifically the value of the overall cloud feedback parameter. Current best estimates indicate that the cloud feedback parameter is positive, i.e. that clouds have a destabilising effect and thus lead to amplified temperature changes.

In this thesis, the EEI and Earth’s radiation balance are investigated from two complementary perspectives: how the imbalance can be measured from space with satellite instruments, and how the radiation balance is affected by clouds.

For the satellite perspective, we simulate measurements from satellites in various orbits and assess the resulting estimates of the EEI. We find that the choice of satellite orbit can have a significant impact on the sampling of the underlying imbalance, which influences the accuracy of the estimated EEI. In particular, orbits that pass directly over the poles achieve complete global coverage, but have systematic biases in how they sample the annual and diurnal cycles of the radiation. This can lead to large errors in the annual mean unless some correction method is used. Other orbits may have better sampling of the annual and diurnal cycles, but instead require some method to fill in missing data near the poles. All in all, we find that wide-field-of-view and accelerometer instruments can provide valuable measurements for future monitoring of the EEI, provided that appropriate orbits are chosen.

Concerning the effect of clouds, we investigate the cloud feedback by making clouds transparent in the MPI-ESM1.2 climate model. Despite the fact that the clouds have a destabilising direct effect, we find that they actually have a stabilising effect overall and thus decrease the climate sensitivity in this model. This is because indirect effects such as strengthening the stabilising lapse rate feedback and weakening the destabilising albedo feedback are ultimately stronger than the direct effect in this model.

Jordens energiobalans beskriver skillnaden mellan inkommande och utgående strålning för Jorden som helhet. Den nuvarande positiva obalansen leder till en ansamling av energi som har en fundamental inverkan på Jordens klimat, vilket medför exempelvis ökande global medeltemperatur, stigande havsnivåer och mer vanligt förekommande extremhändelser.

Jordens energiobalans är därför en central storhet som är viktig att mäta, men det är svårt att göra det i praktiken då obalansen är liten i förhållande till den inkommande och utgående strålningen. Nuvarande satellitsystem för att mäta energiobalansen förlitar sig på överlappning i tid mellan satellitinstrument, och anpassningar med hjälp av havsobservationer. Dessa satelliter kommer att nå slutet av sin livstid inom det närmaste årtiondet, och även med de få fortsättningsprojekt som är planerade finns det risk att kontinuiteten i de långa mätserierna bryts. Nya satellitprojekt är under utveckling för att minska risken, och det är relevant att kvantifiera projektens potential och förväntade prestanda som en del av utvecklingsprocessen.

Vad gäller klimatpåverkan, så är den förväntade långsiktiga temperaturförändringen till följd av den nuvarande positiva energiobalansen begränsad till ett spann av tänkbara temperaturvärden, men det exakta värdet är inte känt. Osäkerheten i det uppskattade spannet domineras av osäkerheten i molneffekten, närmare bestämt i värdet på den totala återkopplingsparametern för moln. Nuvarande uppskattningar tyder på att molnåterkopplingsparametern är positiv, det vill säga att moln har en destabiliserande effekt och därmed leder till förstärkta temperaturförändringar.

I den här avhandlingen undersöks Jordens energiobalans och Jordens strålningsbalans ur två perspektiv: hur obalansen kan mätas från rymden med hjälp av satellitinstrument, och hur strålningsbalansen påverkas av moln.

För satellitperspektivet simulerar vi mätningar från satelliter i diverse omloppsbanor och utvärderar de resulterande uppskattningarna av energiobalansen. Valet av omloppsbana kan ha en stor inverkan på samplingen vid mätningar av den underliggande obalansen, vilket påverkar felet i den uppskattade globala obalansen. Det gäller särskilt att omloppsbanor som passerar direkt över polerna uppnår fullständig global täckning, men har systematiska urvalsfel gällande strålningens års- och dygnscykler. Detta leder till stora fel i det årliga medelvärdet om ingen korrektur tillämpas. Andra omloppsbanor kan uppnå bättre täckning av års- och dygnscyklerna, men kräver istället att uppskattningarna kompenseras för saknade data nära polerna. Sammantaget visar vi att vidvinkelinstrument och accelerometrar kan bidra med värdefulla mätningar för framtida långtidsbevakning av Jordens energiobalans, förutsatt att lämpliga satellitbanor utnyttjas.

För att undersöka hur strålningsbalansen påverkas av moln så analyserar vi molnåterkopplingen genom att göra moln transparenta i klimatmodellen MPI-ESM1.2. Trots att molnen har en destabiliserande direkt effekt, visar vi att de faktiskt har en stabiliserande nettoeffekt och därmed sänker modellens klimat känslighet. Detta beror på att molnens indirekta effekter, som att försvaga den destabiliserande albedoåterkopplingen, totalt sett är starkare än molnens direkta effekt i modellen.