Solare und terrestrische Strahlungswechselwirkung zwischen ... - AWI

Die Flüssigwassersäule unterscheidet sich zwischen der ersten und der dritten Region um
W =5gm ,2 . Dies entspricht einer Zunahme der Flüssigwassersäule um 23%. Gleichzeitig
wird der Wolke über t = 30 min eine Flußdichte von Enet =75Wm ,2 durch Strahlung
entzogen. Berechnet man anhand dieser Werte die resultierende Temperaturänderung der
Wolkenschicht seit Beginn der Strahlungsabkühlung, so erhält man mit
T = , 1
t
cp
Enet W
, Lv
h h
"
1
T = , 1800
1005 1:2
75
, 2256
340
#
5
340
(5.3a)
(5.3b)
T = ,0:3K (5.3c)
einen Wert, der für die Grenzschichthöhe bis 270 m gut übereinstimmt. Zwar ist die
Abweichung der Temperatur-Profile im oberen Wolkenbereich der Region 1 und 3 größer
(Abb. 5.9), dennoch ist die berechnete Temperaturdifferenzeine Stützung dieses Konzeptes.
Zur Abschätzung wurden folgende Parameter verwandt: Die spezifische Wärmekapazität
cp = 1005 J kg ,1 , die Luftdichte = 1.2 kg m ,3 , die Zeitdifferenz t = 30 min = 1800 s,
die Differenz der Nettoflußdichte Enet =75Wm ,2 , die Grenzschichthöhe h = 340 m,
die Verdampfungswärme Lv = 2256 J kg ,1 und die Differenz der Flüssigwassersäule W
=5gm ,2 .
5.4.2 Modifikation der horizontalen Flußdichteverteilung durch horizontal
inhomogene Wolken
Die oben beschriebene Strahlungsabkühlung kann in Stratuswolken wabenartige Zellenmuster
erzeugen. Diese Einschätzung wird gestützt durch die Varianzspektren des Flüssigwassergehaltes
(Abb. 5.10), die ihre Maxima im Wellenzahlbereich 1.3 10 ,3 bis 3 10 ,3 (Wellenlänge
ca. 350-750 m) haben. Betrachtet man weiterhin die Phasenbeziehung zwischen
der Gegen- und der Globalstrahlung in verschiedenen Flugniveaus für diesen Wellenlängenbereich
von 350 bis 750 m, so findet man bei Flügen gegen und mit der Sonnenrichtung eine
kohärente Phasenverschiebung um minus bzw. plus 90 .DieKohärenz beträgt 0.7-0.85. Die
Änderung der Phasenbeziehung mit und gegen die Sonnenrichtung widerlegt den Verdacht,
daß es sich um Meßfehler handeln könnte. Da in Gebieten der Wolke mit Abwärtsbewegung
der Flüssigwassergehalt und damit die optische Dicke reduziert ist, muß auch die
Gegenstrahlung minimal sein; ein Minimum der langwelligen Gegenstrahlung definiert den
Zellenrand. Die Globalstrahlung ist trotz der geringeren optischen Dicke nicht maximal,
weil zwei Streumechanismen wirken. Erstens kann durch Vorwärtsstreuung im Bereich
der geringeren optischen Dicke (Zellenrand) die abwärtsgerichtete Strahlung tiefer in die
Wolke eindringen; zweitens existiert eine erhöhte Rückstreuung aus dem Kernbereich der
Zelle (erhöhte Teilchenanzahl). Beide Effekte zusammen erzeugen bei niedrig stehender
Sonne ein Maximum der Globalstrahlung ausgehend von Zentrum der Zelle (aufsteigender
Ast) in Richtung Sonne zum Zellenrand (absteigender Ast) verschoben. Die Phasenbeziehungen
( 90 ) zwischen Global- und Gegenstrahlung sowie zwischen Globalstrahlung und
Flüssigwassergehalt bestätigen dieses Bild (Abb. 5.11b).