Solare und terrestrische Strahlungswechselwirkung zwischen ... - AWI

1 Einleitung
Viele bedeutende meteorologische Prozesse, die in der Erdatmosphäre ablaufen, sind eine
Folge einiger astronomischer Einflußgrößen. Die wichtigste Größe ist die Einstrahlung
solarer Energie und ihre zeitliche Variation durch die Bewegung der Erde um die Sonne
und durch die Drehung um ihre eigene Achse. Die Einstrahlung von solarer Energie und
ihre Umsetzung im Erdsystem bestimmt maßgeblich den thermodynamischen Zustand der
Atmosphäre und bewirkt somit ihren Antrieb [Roedel, 1992]. Für die wetter- und klimabildenden
Prozesse ist der Spektralbereich vom Ultraviolett bis zum Infrarot bedeutsam.
Simulationsmodelle der Atmosphäre sind mittlerweile zwar in der Lage, das Klima der
Erde in vielen Details zu beschreiben, dennoch ergeben sich zwischen Modell und Realität
bezüglich der Veränderlichkeit der Vorgänge von Jahr zu Jahr sowie der beobachteten
regionalen Strukturen wiederholt beträchtliche Unterschiede. Als Ursache dafür wird u.a.
die nicht hinreichende Darstellung der Strahlungsprozesse in den Modellen angeführt. Die
dadurch verursachten Ungenauigkeiten können fehlerhaft berechnete Temperaturen der
Erdoberfläche und der Atmosphäre, Verdunstung an der Erdoberfläche, Entwicklung von
Wolken und Niederschlagmengen zur Folge haben.
Die Abstrahlung von Wärme an der Wolkenoberseite kann durch Abkühlung die Stabilität
der Luftsäule und das Tropfenspektrum [Curry, 1986] markant beeinflussen. Unterhalb
dieser obersten wärmeverlierenden Schicht befindet sich im Inneren der stratiformen Wolke
häufig eine zweite Schicht, in der Wärmezufuhr durch Absorption solarer Strahlung
vorherrscht. Diese Schicht trägt somit ebenfalls zur Destabilisierung und gelegentlich zur
Entwicklung mehrerer getrennter Wolkenschichten bei. Herman und Goody [1976] zeigten,
daß Schichtwolken äußerst empfindlich auf Änderungen der Strahlungsflüsse reagieren
können. Im oberen Wolkenbereich ist der Wärmeverlust durch Abstrahlung im terrestrischen
Spektralbereich üblicherweise größer als der Wärmegewinn durch Absorption solarer
Strahlung, zumal die solare Einstrahlung mit dem Tages- und Jahresgang variiert. Allerdings
bestehen Ausnahmen von dieser Regel bei sehr kalten Wolken mit hoher Globalstrahlung
über einem warmen Untergrund (tropischer Cirrus).
Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an die Strahlungstransportberechnungwurden
in der Vergangenheit mehrere Modellkonzepte entwickelt. Im Rahmen des Programms
‘Intercomparison of Radiation Codes used in Climate Models’ (ICRCCM) wurden Vergleiche
zwischen unterschiedlichen Strahlungstransfercodes vorgenommen. Dabei ergaben
sich, besonders bei optisch dünner Bewölkung, erhebliche Unterschiede der Strahlungsflußdichteberechnungen
[Fouquart et al., 1991; Ellingson et al., 1991]. Optisch dünne Wolkentypen
werden in polaren Regionen besonders häufig beobachtet. Die Differenzen der unterschiedlichen
Modellergebnisse betragen für die solaren und terrestrischen Strahlungsflußdichten
an der Erdoberfläche bis zu 50 W/m 2 . Selbst bei aufwendigen Strahlungstransport-
Modellen verursacht die Unsicherheit der Kontinuumabsorption des Wasserdampfes be-