Solare und terrestrische Strahlungswechselwirkung zwischen ... - AWI

2.3.3 Spektral breitbandige optische Wolkeneigenschaften
Die Formeln (2.3a-c) gelten für spektrale Größen. In sogenannten ” Linie–für–Linie“ Strahlungstransport-Modellen
werden zur Reduktion der Wellenlängen die optischen Eigenschaften
über jede Absorptionslinie eines Bandenspektrums integriert. In anderen Modellen
wird das Wellenlängenspektrum in spektrale Intervalle aufgelöst. Das verbreitete
Strahlungstransport-Modell MODTRAN 3.7 [Anderson et al., 1994] verwendet zum Beispiel
eine spektrale Auflösung von 2 cm ,1 . Slingo [1989] zeigt anhand von Vergleichen
mit multispektralen Strahlungstransferkonzepten, daß vier spektrale Intervalle im solaren
Spektralbereich ausreichen, um eine hinreichende Übereinstimmung mit multispektralen
Strahlungstransfer-Modellen zu erreichen, da die optischen Wolkeneigenschaften im solaren
Spektralbereich lediglich gering mit der Wellenlänge variieren (Abb. 2.2). Der limitierende
Faktor für die Anzahl der spektralen Teilbereiche ist nach Slingo [1989] die
unterschiedliche spektrale Albedo verschiedener Erdoberflächen. Strahlungstransfercodes
in Wetter- und Klimamodellen verwenden zur Rechenzeitersparnis teilweise lediglich zwei
breitbandige spektrale Intervalle im solaren Bereich (z.B. ECHAM4 und ECMWF).
Die Berechnung der Strahldichte mit der SÜG für ein Partikelgrößenspektrum in einer Wolke
ist physikalisch begründet, wenn die Partikel einen genügend großen Abstand voneinander
haben; die berechnete Mie-Phasenfunktion ist nur bei einem gegenüber den Partikelradius
großem Abstand vom Streuzentrum gültig. Als Eingabegrößen für ein Strahlungstransfer-
Modell in der Zwei-Strom-Approximation (ZSA) werden die Einfachstreualbedo !, der
Asymmetriefaktor g sowie der Volumenextinktionskoeffizient e oder die optische Dicke
für ein spektrales Intervall benötigt. Die Mittelung der optischen Eigenschaften über breitbandige
spektrale Intervalle ist allerdings theoretisch nicht exakt möglich. In dieser Arbeit
werden die Parametrisierungen der optischen Eigenschaften nach Rockel et al. [1991] und
Slingo [1989] benutzt.
Die Parametrisierung nach Rockel et al. [1991] wird u.a. im ECHAM3 Modell verwendet.
Es werden die optischen Eigenschaften von Wolken als Funktion des Flüssigwassergehaltes
parametrisiert, indem über unterschiedliche Partikelgrößenspektren bei gleichem
Flüssigwassergehalt gemittelt wird. Damit kommt diese Parametrisierung ohne die Eingabe
der Teilchengröße aus. Ferner wird im langwelligen Spektralbereich die Streuung
vernachlässigt.
Als vorteilhafter hat sich die Parametrisierung nach Slingo [1989] erwiesen, die im solaren
Spektralbereich auch den effektiven Radius re zur Berechnung der optischen Wolkeneigenschaften
benötigt, der dem Verhältnis des Flüssigwassergehaltes m zur optischen Dicke
entspricht.
re =
1R
0
1R
0
n(r) r 3 dr
n(r) r 2 dr
/ m
(2.4)
Der solare Spektralbereich wird sowohl von Rockel et al. als auch von Slingo in 4 spektrale
Intervalle unterteilt. Zusätzlich behandelt Rockel den terrestrischen Spektralbereich in sechs
Intervallen (Tab. D.1). Die Parametrisierungen der optischen Eigenschaften von Wolken
nach Rockel et al. [1991] und Slingo [1989] ist im Anhang D ausführlich aufgeführt.