Mohr, Viktoria (2009) Solare Strahlung und deren Parametrisierungen in polaren Regionen. (Diploma thesis), Christian-Albrechts-Universität, Kiel, Germany, 101 pp.

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Abstract

Diese Diplom-Arbeit behandelt den Einfluss von Wolken und Meereis auf die solare und terrestrische Einstrahlung am Boden.
Es werden unterschiedliche Parametrisierungen der solaren Einstrahlung auf reale Daten angewandt. Diese empirischen Daten, die unterschiedliche meteorologische Parameter beinhalten, wurden während den Polarstern Expeditionen ARK-XXIII/1 im Juni und Juli 2008 sowie ANT-XXV/2 im Dezember 2008 und Januar 2009 gewonnen. Ferner werden die Parametrisierungen mit der ebenfalls an Bord den Polarstern erzeugten Daten der letzten 14 Jahre verwendet. Es folgt ausserdem ein Vergleich der parametrisierten Flüsse mit der an Bord gemessenen solaren Einstrahlung.

Vier Strahlungsparametrisierungen der kurzwelligen solaren Einstrahlung wurden ausgewählt. Drei von ihnen berechnen auf Grundlage derselben Parameter die solare kurzwellige Einstrahlung. Die Transmissivität der Atmosphäre wird aus dem Wasserdampfdruck am Boden und der Wolkenbedeckung abgeleitet \cite{Zillman72,Bennett82}. Die vierte Parametrisierung verwendet als zusätzliche Eingangsparameter die Albedo des Untergrundes und die optische Dicke der Wolken \cite{Shine84}.

Es werden ausschließlich solche Tage betrachtet, die eindeutig mit einer hohen Bodenalbedo einhergehen, also Tage an denen sich das Forschungsschiff Polarstern in eisbedeckten Gewässern befand.

Im wolkenfreien Fall ist eine systematische Unterschätzung der Parametrisierungen bezüglich der solaren Einstrahlung zu erkennen. Im bewölkten und im teilweise bewölkten Fall liegt der systematische Fehler bei den meisten Parametrisierungen um 100 W/m2 (ca. 20%). Unter Berücksichtigung der Bodenalbedo und der optischen Dicke der Wolken können die Fehler jedoch deutlich verringert werden.

Neben den genannten werden vier weitere Parametrisierungen verwendet, die die langwellige nach unten gerichtete Strahlungsflussdichte parametrisieren. Diese hängen unterschiedlich von Temperatur, Wasserdampf und Wolkenbedeckungsgrad ab. Sowohl im bewölkten, als auch im unbewölkten Fall zeigt die Parametrisierung nach Zillman den kleinsten systematischen Fehler. Anders als die übrigen Parametrisierungen verwendet Zillman den Faktor des Bedeckungsgrades, der nichtlinear in seine Parametrisierung eingeht \cite{Zillman72}. Alle Parametrisierungen, mit Ausnahme der von Zillman, wurden speziell für Bedingungen im Meereis entwickelt.

Zusätzlich zu den Parametrisierungen werden auch die Ausmaße der Strahlungserhöhungen bezüglich der solaren Einstrahlung bei einem unbewölkten Himmel während der beiden erwähnten Polarsternfahrten sowie aus den Daten, die innerhalb der letzten 14 Jahre an Bord von Polarstern gesammelt wurden, untersucht. Mit Hilfe von zeitlich hochaufgelösten Messungen, konnte während der Fahrt ANT-XXV/2 am 23.12.2008 die größte absolute Strahlungserhöhung mit 71,86% gemessen werden. Die Erhöhung erreichte mit 596 W/m2 einen Wert, der sogar über dem größten bisher veröffentlichten Wert von 537 W/m2 liegt \cite{Schade07}. %bekannte publizierte Erhöhung galt.

Als Abschluß wird mit Hilfe eines Strahungstransportmodells untersucht, ob die Strahlungserhöhungen in den polaren Regionen mit Modellen vergleichbar sind. Das verwendete Modell basiert auf der Monte-Carlo-Methode, die ebenfalls kurz beschrieben wird. Die Ergebnisse machen deutlich, dass die Bodenalbedo, die optische Dicke der Wolken und auch der Sonnenstand wichtige Komponenten für die Strahlungserhöhungen sind. Eine höhere Bodenalbedo verstärkt das Rückstrahlvermögen und die Mehrfachreflexionen zwischen Boden und Wolkenunterkante. Eine größere optische Dicke der Wolken führt zu helleren Wolkenrändern, die ebenfalls die Reflexionen begünstigen. Ein tiefer Sonnenstand führt ebenso zu einer erhöhten solaren Einstrahlung, da dieselbe Menge an Strahlung auf einer größeren Fläche verteilt ist. Dadurch kann diese öfter gestreut werden und führt somit zu einer Erhöhung.

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