Parametrisierung der Strahlungsflüsse am Boden.

Meinert, Torben (2007) Parametrisierung der Strahlungsflüsse am Boden. (Diploma thesis), Christian-Albrechts-Universität, Kiel, Germany, 105 pp.

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Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den Wechselwirkungen zwischen Wolken und elektromagnetischer Strahlung auf der Basis von langjährigen synoptischen Beobachtungen über Kiel. Es werden zunächst Jahresgänge der Bilanzen aus solarer und langwelliger Strahlung errechnet. Bilanzextrema sollen mit Hilfe der synoptischen Situation erklärt werden.

Frühsommerliche Tage mit geringer Bewölkung weisen die höchsten positiven Bilanzbeträge auf. Die solare Einstrahlung ist entsprechend dem Jahresgang sehr hoch, allerdings hat die für die langwellige Ausstrahlung verantwortliche Wassertemperatur ihr Maximum noch nicht erreicht. Dagegen stellen frühwinterliche bewölkungsarme Tage Minima bezüglich der Netto-Strahlungsenergiebilanz dar. Die solare Einstrahlung ist fast minimal. Durch die geringe Bewölkung ist die langwellige Gegenstrahlung kleiner als die thermische Abstrahlung (Wassertemperatur noch nicht minimal).

Die Strahlungsbilanz wird außerdem gesondert für die solare Strahlungsflussdichte gerechnet. Hierbei werden sommerliche Hochdrucklagen als Ursache für Maxima und tiefe persistente Bewölkung an winterlichen Tagen als Ursache für Minima der über einen Tag aufsummierten Solarstrahlung erkannt.

Es werden Versuche unternommen, um die terrestrische Strahlungsflussdichte anhand von Messungen der Wolkenunterkantenhöhe zu parametrisieren. Ein erster Ansatz führt auf die Berechnung der Wolkenbasistemperatur, aus welcher nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die langwellige Gegenstrahlung ermittelt wird. Hierzu werden sehr einschränkende Annahmen gemacht. So wird grundsätzlich von einem trockenadiabatischen Temperaturprofil unterhalb der Wolkenbasis ausgegangen. Daneben wird der Bedeckungsgrad aus den Ceilometermessungen abgeschätzt. Die Ergebnisse zeigen auf, dass dieser Ansatz keine befriedigende Parametrisierung der langwelligen Strahlungsflussdichte ist, weil besonders Abweichungen vom trockenadiabatischen Temperaturgradienten für große Differenzen zwischen Messung und Berechnung sorgen.

Deutliche Verbesserungen bei der langwelligen Strahlungsparametrisierung erbringt die Formel von Josey et al. (2003), welche die Taupunktsdifferenz am Boden mit berücksichtigt. Es kann eine Korrelation zwischen Messwerten und Parametrisierungsergebnissen über das Jahr 2003 von 0,858 hergestellt werden. Anhand einer Fallstudie werden Schwächen der Josey-Formel deutlich, die auf der Vernachlässigung der Wolkenhöhe beruhen.

Eine Modifikation der Josey-Parametrisierung schließt eine lineare Abhängigkeit der Strahlungstemperatur von der Wolkenhöhe ein. Damit wird die Korrelation bei bedecktem Himmel von 0,787 (Josey) auf 0,801 leicht verbessert. Als Unzulänglichkeit jeder der hier gerechneten Parametrisierungen wird die mangelnde Erfassung des Himmelszustandes angesehen, weil kein zweidimensionales Himmelsbild gewonnen werden kann.

Zur Parametrisierung der kurzwelligen Strahlungsflussdichte werden Algorithmen von Lumb(1964), Lind et al. (1984), Dobson und Smith (1988) (lineare und nichtlineare Parametrisierung) und Zillman (1972) für drei Beispieltage gerechnet. Während die nichtlineare Formel von Dobson und Smith bei Cumulus- und Schauerbewölkung (01.07.2006, bzw. 14.04.2006) die besten Resultate liefert, sind die Abweichungen zu den Messwerten an einem Tag mit ausgeprägt stratiformer Bewölkung (04.06.2006) deutlich größer als bei den anderen Parametrisierungen. Dabei sind die Algorithmen nach Lind und Lumb an Tagen mit schichtenförmiger Bewölkung vorteilhafter als an durch Konvektion dominierten Tagen. Insgesamt kann keine der vorgestellten Parametrisierungen favorisiert werden.

Ein Ausblick verdeutlicht die Notwendigkeit, Parameter der freien Atmosphäre (Bewölkungverteilung, Temperatur- und Feuchteprofil, LWP) durch Vertikalsondierung mit Hilfe von Radar und Mikrowellenradiometrie besser zu erfassen.

Document Type: Thesis (Diploma thesis)
Thesis Advisor: Macke, Andreas
Keywords: Strahlungsparametrisierung, kurzwellig, langwellig, Bewölkung, Extremwetter
Research affiliation: OceanRep > GEOMAR > FB1 Ocean Circulation and Climate Dynamics > FB1-ME Maritime Meteorology
Refereed: No
Date Deposited: 03 Dec 2008 16:51
Last Modified: 09 Sep 2021 12:15
URI: https://oceanrep.geomar.de/id/eprint/3828

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