Solare und terrestrische Strahlungswechselwirkung zwischen ... - AWI

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Lösungen der SÜG überein. Um so größere Fehler der ZSA erwartet man bei den geringen Sonnenhöhen und den hohen Oberflächenalbeden der Polarregionen. Bei der großen Streubreite der verschiedenen Zwei-Strom-Konzepte untereinander erscheint es folgerichtig, Strahlungstransport-Konzepte an umfassenden Messungen zu überprüfen. In dieser Arbeit wird untersucht, welche Änderungen der Parametrisierungen in einer ZSA zu realistischeren Ergebnissen führen. Dazu werden als Referenz Profilmessungen der solaren und terrestrischen Strahlungsflußdichte verwendet. Zdunkowski et al. [1980] zeigten, daß alle gängigen ZSA – trotz ihrer unterschiedlichen Ansätze – auf demselben Gleichungssystem (2.16, 2.17 und 2.22) beruhen. Sie unterscheiden sich lediglich in der Wahl des Diffusivitätsfaktors U, derRückstreukoeffizienten und 0( ) oder dem Asymmetriefaktor g und bei der -Approximationen in dem Wert für die Diffraktionsspitze f. Es ist sinnvoll, aus der Mie-Theorie ableitbare Größen, wie die optische Dicke, Einfachstreualbedo und Rückstreukoeffizient oder Asymmetriefaktor, unverändert in die Parametrisierungen der ZSA einzusetzen. Der spektral unabhängige Diffusivitätsfaktor und die Diffraktionsspitze werden so optimiert, daß sie mit dem im Kapitel 6.3 beschriebenen empirischen Flußdichtemodell in Übereinstimmung stehen. Die am besten geeignetste Parametrisierung der optischen Eigenschaften in einer ZSA hat einen optimierten Diffusivitätsfaktor und eine optimierte Diffraktionsspitze mit einer möglichst einfach zu beschreibenden Abhängigkeit von den strahlungsrelevanten Eigenschaften wie Flüssigwassersäule, Tropfenradius, Sonnenzenitwinkel und Oberflächenalbedo. 6.5.1 Der solare Spektralbereich Für den solaren Spektralbereich werden drei unterschiedliche Zwei-Strom-Konzepte verfolgt. Diese unterscheiden sich gemäß der in der Tabelle 6.6 aufgelisteten Modelleigenschaften. Tabelle 6.6: Zusammenstellung der Modelleigenschaften Modelleigenschaften Slingo [1989] modifiziertes- hemisphärisches- Zwei-Strom-Konzept optische Eigenschaften Slingo [1989] Rockel et al. [1991] Rückstreukoeffizienten: primär gestreute Strahlung 0 diffuse Strahlung 1 3 2 , 4 0g Barker [1994] 1 2 3 1 , 8g , 8! (1 , g) (0:5 + 0:42 g 2 ) -Approximation Meador und Weaver [1980] spektrale Intervalle 4 4 4 Diffusivitätsfaktor U 2 2 2 Diffraktionsspitze f g 2 g 2 g 2 Quelle Slingo [1989] Meador und Weaver [1980] Das Modell-Konzept von Slingo 2 [1989] (linke Spalte der Tab. 6.6) basiert auf dem - Eddington-Konzept von Joseph et al. [1976] mit neuen Parametrisierungen der optischen 2 Die Formeln für , 0 und U in der linken Spalte (Slingo [1989]) der Tabelle 6.6 haben im Vergleich zur
Eigenschaften (Kapitel 2.3.3 und Anhang D) und einer Unterteilung des solaren Spektralbereiches in 4 Intervalle. Neben der Flüssigwassersäule W wird auch der effektive Teilchenradius re als Eingangsgröße benötigt. Dieses Konzept verwendet eine einfache Parametrisierung der Rückstreufunktion für primär gestreute Strahlung mit der ersten Ordnung der Mie-Rückstreufunktion und ist damit ein Beispiel für herkömmliche Zwei-Strom- Konzepte. Ein zweites Konzept – das hemisphärische-Modell [Rockel et al. 1991] (rechte Spalte der Tab. 6.6) – unterscheidet sich vom Zwei-Strom-Modell nach Slingo. Der effektive Radius wird nicht als Berechnungsgröße der optischen Eigenschaften benötigt (s. Anhang D). Ein weiterer Unterschied besteht in der Parametrisierung der Rückstreukoeffizienten und 0( ) durch analytische Näherungen der Henyey-Greenstein-Rückstreukoeffizienten. Das dritte Modell (mittlere Spalte der Tabelle 6.6), eine Kombination der beiden bereits genannten, wird als modifiziertes Modell bezeichnet [Meador und Weaver, 1980]. Die Parametrisierung der optischen Eigenschaften werden von Slingo [1989] übernommen. Die Parametrisierung für die Rückstreufunktion 0 erfolgt mit der analytischen Näherungslösung der Henyey-Greenstein-Funktion [Barker, 1994]. Abbildung 6.8 enthält sowohl die Ergebnisse der drei bereits erwähnten Modelle als auch die des empirischen Flußdichtemodells.Für die Flüssigwassersäule W =20gm ,2 und für den Tropfendurchmesser d =12 m sind die gemittelten Profile der Messungen während REFLEX III angesetzt. Die globale Einstrahlung am Modelloberrand und die Albedo wurden mit dem empirischen Flußdichtemodell vorgegeben. Die spektrale Albedo für Meereis wurde der Arbeit von Schlosser [1988] entnommen. Die spektrale Aufteilung der Globalstrahlung an der Wolkenobergrenze ist mit dem MODTRAN 3.7-Modell berechnet worden. In der Abbildung 6.8 nimmt die Flüssigwassersäule W der Wolken von dem oberen Rand der Wolke nach unten zu; auf der Abszisse ist die abwärtsgerichtete Globalstrahlung und die aufwärtsgerichtete Reflexstrahlung relativ zur extraterrestrischen Bestrahlungsstärke aufgetragen. Die größten Abweichungen vom empirischen Flußdichtemodell zeigt das Modell nach Slingo [1989]. Die Globalstrahlung an der Wolkenunterseite wird mit 15% gegenüber dem empirischen Flußdichtemodell überschätzt, während die Reflexstrahlung an der Wolkenoberseite um 6% zu klein bestimmt wird. Das modifizierte Modell bestimmt die Reflexstrahlung an der Wolkenoberseite mit der gleichen Differenz wie das Modell von Slingo, während die Globalstrahlung unter der Wolke 5% höhere Werte als das empirische Modell aufweist. Die geringste Abweichung tritt beim hemisphärischen Modell auf, obwohl es die Teilchengröße nur indirekt berücksichtigt. Die Abweichungen zum empirischen Flußdichtemodell liegen beim hemisphärischen Modell für mittlere Flüssigwassersäulen und Teilchendurchmesser im Rahmen der Unsicherheiten des empirischen Flußdichtemodells. Der Transmissionsgrad des hemisphärischen Modells ist um 3% höher als der vom empirischen Flußdichtemodell; der Reflexionsgrad ist zwischen beiden Modellen im Rahmen der Fehler identisch. Arbeit von Slingo eine andere Gestalt. Diese hier verwendete Schreibweise ist äquivalent zu der von Slingo, sie hat aber den Vorteil, daß der Rückstreukoeffizient die Energieerhaltung erfüllt.
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Solare und terrestrische Strahlungs
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Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung
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5 Einfluß von Wolken auf den Strah
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Zusammenfassung Strahlungsprozesse
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1 Einleitung Viele bedeutende meteo
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Die Wirkung der unterschiedlichen a
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2 Theoretische Grundlagen der Strah
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ei gleichem Partikelradius (r =4 m)
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Wellenlänge λ 10 2 μm 10 effekti
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2.3.3 Spektral breitbandige optisch
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Aufgrund ihrer unterschiedlichen Wi
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(Gauss-Lobatto-Gewichte) der Winkel
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θ = θ0 nein ● Eingabe Einfachst
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Die zugrundeliegende Idee der ZSA g
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Tabelle 2.1: Zusammenfassung der Di
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In Zwei-Strom-Approximationen wird
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Die effektive optische Dicke e ist
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3 Bedeutung gängiger Parametrisier
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Emissionsgrad ε Diffusivitätsfakt
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3.2 Die Phasenfunktion und die dara
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exakten Mie-Rückstreufunktion. Die
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