Atmosphärenbedingte Erhöhungen der solaren Einstrahlung

Schade, Nils H.

In dieser Arbeit wird der Einfluss der bewölkten Atmosphäre auf die solaren Einstrahlung am Boden untersucht. Die zugrundeliegenden Messkampagnen wurden im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit des Leibniz - Instituts für Meereswissenschaften (IFM-GEOMAR) mit dem Institut für Medizinische Klimatologie der Universität Kiel in den Sommern 2004 und 2005 auf der Nordseeinsel Sylt durchgeführt. Dabei wurde der Wolkenkamera-Prototyp des IFM-GEOMAR zur Erfassung der Wolken verwendet. Zur Bestimmung der Güte der Bedeckungsgradbestimmungen aus den Kamerbildern wurden Vergleiche mit synoptischen Beobachtungen des Deutschen Wetterdienstes DWD vom nahegelegenen Flughafen Sylt angestellt, sowie für die Kampagne 2005 mit einem neuen Verfahren, dem APCADA-Algorithmus nach Dürr und Philipona (2004). Die Übereinstimmung der aus den Kamerabildern resultierenden Bedeckungsrade mit den synoptischen Beobachtungen beträgt 72(85) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Verglichen mit den Beobachtungen unterschätzt APCADA die Bedeckungsgrade in 47 % aller Fälle mit Übereinstimmung von 60(74) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Für Fälle ohne hohe Wolken, die APCADA nicht erkennen kann, erreicht APCADA deutlich bessere Übereinstimmungen mit 73(90) % innerhalb ± 1(2) Achtel. Diese Ergebnisse sind etwas schlechter als die Resultate von Dürr und Philipona (2004). Insgesamt ergeben also die Bedeckungsgrade aus den Kamerabildern, zumindest tagsüber, die bessere Wolkenklimatologie. Dank der zeitlich hochaufgelösten Strahlungsmessungen konnten Strahlungserhöhungen im Sichtbaren von maximal 522 W/m2 gegenüber der theoretischen Referenzstrahlung bei wolkenfreiem Himmel festgestellt werden, der zur Zeit größte international veröffentlichte Wert. Erhöhungen > 400 W/m2 treten, wie Fallstudien zeigen, bei recht unterschiedlichen Bedeckungssituationen auf. Die Dauer solcher Erhöhungen ist abhängig von deren Stärke und beträgt maximal 20 Sekunden für Erhöhungen > 400 W/m2 und 140 Sekunden für Erhöhungen > 200 W/m2. Selbst über längere Zeiträume (1h) gemittelt ergeben sich noch Erhöhungen von 50 W/m2. Im hautwirksamen UV-Bereich (Er-UV) treten zeitgleich Erhöhungen auf, maximal wurden 32 mW/m2 gemessen. Die relative Erhöhungen sind indess deutlich geringer als im Sichtbaren, maximal 59 % gegenüber 82 %. Diese Werte treten aber fast nur bei tiefstehender Sonne auf, wo die Gefahr für die menschliche Haut (Sonnenbrand) gering ist. Im Mittel wurden die stärksten Erhöhungen sowohl im Sichtbaren als auch im Er-UV-Bereich bei fast komplett bedecktem Himmel, mit Altocumuluswolken nahe der Sonnenscheibe erreicht, sowie bei tiefstehenden Cumuluswolken (z.B. Estupinan et al., 1996). Abschließende Strahlungstransportrechnungen für bewölkte 3D-Atmosphären mit dem am IFM-GEOMAR entwickelten Modell GRIMALDI bestätigen die beobachtete Wellenlängenabhängigkeit der relativen Strahlungserhöhungen (siehe auch Lovengreen et al., 2005) und stimmen zumindest im Sichtbaren relativ gut mit den Messungen überein. Zudem wird deutlich, dass diffuse Streuung bei allen untersuchten Wellenlängen einen erkennbar stärkeren Anteil an Strahlungserhöhungen hat, als Reflexion an Wolkenseiten, was die Messergebnisse bereits vermuten ließen.

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Schade, Nils: Atmosphärenbedingte Erhöhungen der solaren Einstrahlung. 2009.

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