Solar Monte Carlo Radiative Transfer Simulations in Saharan Dust Plumes

Torge, Antje

Radiative fields of three-dimensional inhomogeneous Saharan dust clouds have been calculated at solar wavelengths by means of a Monte Carlo radiative transfer model. Scattering properties are taken from measurements in the SAMUM campaigns, from light scattering calculations for spheroids based on the MISCHKA code, from Mie Theory for spheres and from the Geometric Optics Method assuming irregular shaped particles. Optical properties of particles with different projected area equivalent shapes are compared. Large differences in optical properties are found especially in the phase functions. Modelled scattering properties are compared to laboratory measurements with good agreement. Results of radiative transfer calculations based on the Monte Carlo Method are shown exemplarily for one dust cloud simulated by the cloud resolving atmospheric circulation model COSMO-MUSCAT. Shape induced differences in the radiation fluxes are pronounced, for example, the domain averaged normalized radiance is about 20% lower in the case of a dust plume consisting of spheroids or irregular particles compared to spheres. Further the modelled radiative fields are compared to simulated fields from COSMO-MUSCAT and to satellite measurements with the SEVIRI instrument onbord the MSG satellite. In some cases the patterns of the radiative fields agree quiet well, especially with the simulated fields from COSMO-MUSCAT. But because by uncertainties in particular in the input data, the modelled radiative fields do not agree very well with most of the satellite measured fields. The satellite measurements are also used to compare with the measured radiances from an aircraft. There good agreements are found. In the Monte Carlo radiative transfer calculations the horizontal photon transport can be switched of, which was used for investigations on its effect (3D-effect) on the reflected radiance fields. The 3D-effect is only notable at the largest gradients in optical thickness. For example, the reflectance at low sun position differs locally about 25% when horizontal photon transport is accounted for. 'Sharp edges' due to 1D calculations are smoothed out in the 3D case.

Die solaren Strahlungsfelder einer dreidimensionalen Saharastaubwolke wurden mit einem Monte Carlo Strahlungstransportmodellberechnet. Die benötigten Streueigenschaften wurden aus Messungen in den SAMUM Kampangen ermittelt und durch Lichtstreuberechnungen, für Spheroide basierend auf dem MISCHKA Code, für Kugeln mithilfe von Mie Theorie und mit der Methode der geometrischen Optik für irregulär geformte Teilchen ergänzt. Die optischen Eigenschaften von Partikeln mit unterschiedlichen Formen aber gleichen Projektionsflächen wurden verglichen und es wurden besonders in den Streufunktionen deutliche Unterschiede fest gestellt. Modellierte Streueigenschaften wurden mit Labormessungen verglichen und gute Übereinstimmungen konnten festgestellt werden. Die Ergebnisse der Strahlungstransportrechnungen mit der Monte Carlo Methode wurden exemplarisch für eine Staubwolke gezeigt, die vom Wolken auflösenden athmosphärischen Zirkulationsmodell COSMO-MUSCAT simuliert wurde. Ausgeprägte forminduzierte Unterschiede in den Strahlungsflüssen sind beispielsweise in den normierten Strahldichten, die über das Modellgebiet gemittelt wurden, vorhanden. Bei einer Staubwolke aus elliptischen oder unregelmäßigen Teilchen sind diese ungefähr 20% kleiner als bei Staubwolken, die aus kugelförmigen Teilchen bestehen. Weiterhin werden die modellierten Strahlungsfelder mit simulierten Feldern aus COSMO-MUSCAT und Satelliten-Messungen des MSG-Satelliten verglichen. Vor allen mit den den simulierten Strahlungsfeldern aus COSMO-MUSCAT stimmen die Monte Carlo modellierten Felder gut überein. Durch Unsicherheiten, insbesondere in den Eingabedaten, stimmen die modellierten Strahlungsfelder jedoch nicht sehr gut mit den vom Satelliten gemessenen Feldern überein. Die Satelliten-Messungen werden auch verwendet, um sie mit den Radianzen aus Flugzeugmessungen zu vergleichen, wobei sich gute Übereinstimmungen ergaben. In den Monte Carlo Strahlungstransportrechnungen kann der horizontale Photonentransport aus geschaltet werden. Dies wurde für Untersuchungen seines Einflusses (3D-Effekt) auf die reflektierten Strahldichtefelder eingesetzt. Der 3D-Effekt ist nur an den größten Gradienten der optischen Dicke relevant. Zum Beispiel unterscheidet sich das Reflexionsvermögen bei niedrigen Sonnenstand lokal um etwa 25%, wenn der horizontale Photonentransport berücksichtigt wird. "Scharfe Kanten" aufgrund der 1D Berechnungen werden in der 3D-Variante geglättet.

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Torge, Antje: Solar Monte Carlo Radiative Transfer Simulations in Saharan Dust Plumes. 2013.

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