Dissertation (Metadaten)
Titel:Der Einfluss von Wolken auf den Strahlungsantrieb der Erde
 
Autor:John Kalisch
 
URN:NBN:urn:nbn:de:gbv:8-diss-69003
 
Fakultät:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC Sachgebiet:500 Naturwissenschaften
 
Datum der mdl. Prüfung:30.09.2011
 
Referent(in):Prof. Dr. Andreas Macke
Korreferent(en) Korreferentin:Prof. Dr. Manfred Wendisch
 
Beschreibung (original):Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den quantitativen Abschätzungen der Strahlungsbilanzen und der Effekte von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Erde. Die Untersuchungen wurden am Boden, am Oberrand der Atmosphäre und für die Atmosphärensäule durchgeführt. Zusätzlich wurden bodennahe Strahlungsflüsse vom Einfachsäulenmodell ECHAM5 simuliert. Die Datengrundlage bilden radiometrische Messungen während fünf transatlantischer Fahrten auf dem Forschungseisbrecher POLARSTERN und der korrespondierenden Satellitenfernerkundung durch MSG. Zur optischen Beobachtung des bewölkten Himmels wurde eine seefeste automatische Wolkenkamera entwickelt, aus deren Wolkenfotos die Bedeckungsgrade und Wolkentypen berechnet werden. Die atmosphärischen Temperatur- und Feuchteprofile sowie der Flüssigwasserpfad wurden mittels Mikrowellenradiometer hochfrequent gemessen. Das Nettobudget am Boden wird von der solaren Komponente dominiert und beträgt im Mittel 144 W/m², wobei Cirren im solaren Spektralbereich eine geringe und Stratus eine hohe Extinktion hervorrufen. Am Oberrand der Atmosphäre überwiegt in tropischen Tagessummen der Strahlungsflüsse meist die solare Komponente. Hier ergibt sich eine Nettobilanz von 37 W/m². Die Atmosphärensäule verliert ständig thermische Energie und besitzt eine nur geringe Absorption von solarer Strahlung. Das atmosphärische Nettobudget beträgt -100 W/m². Am Boden haben die tiefsten Wolken im langwelligen Spektralbereich den größten positiven Wolken-Strahlungs-Effekt. Im Solaren verursachen Wolken mit sehr hohen optischen Dicken bei hohem Sonnenstand stark negative Effekte. Der mittlere Nettoeffekt liegt am Boden bei -34 W/m². Zur Berechnung des Wolken-Strahlungs-Effektes am Boden konnte eine neue Parametrisierung eingeführt werden, die auf dem Wolkenbedeckungsgrad und dem Sonnenzenitwinkel basiert. Am Oberrand der Atmosphäre werden Strahlungsflüsse für wolkenfreie Bedingungen teilweise ungenau approximiert. Der mittlere Nettoeffekt beträgt -3 W/m². Cirren haben hier einen geringen solaren sowie einen starken langwelligen Effekt und wirken als einziger Wolkentyp erwärmend auf das Klima der Erde. In der Atmosphärensäule sind die langwelligen Wolken-Strahlungs-Effekte von optisch dichten und tiefen Wolken stark negativ. Mittlere solare Effekte aller Wolkentypen sind positiv. Der Nettoeffekt liegt bei -4 W/m². Die solaren Wolken-Strahlungs-Effekte am Boden auf Basis von ECHAM5-Simulationen zeigen eine um etwa 20 W/m² stärkere Abschattung als in Messungen. Die langwelligen Mittel unterscheiden sich kaum. Unter Anwesenheit von Cirrus und Stratus arbeitet die Modellphysik mit der einzelnen planparallelen Wolkenschicht relativ genau; hier liegen die modellierten Effekte bei denen der Messungen. Konvektive Wolken, vor allem Stratocumului, werden in ihren mittleren solaren Effekten am Boden um bis zu 120 W/m² überschätzt.
 
(übersetzt):The aim of this study is to estimate radiative budgets and radiative effects by clouds onto the radiation balance of the earth. The estimation was performed at the surface, the top of the atmosphere and for the atmospheric column. In addition, the surface radiative fluxes have been simulated by the single column model ECHAM5. The robust data base of the radiative measurements was set up along five cruises of the icebreaker POLARSTERN and the corresponding satellite remote sensing by MSG. A full sky imager for a rough offshore application was developed to derive the total cloud amount and the cloud type. Utilizing a microwave radiometer, the atmospheric temperature and humidity profiles as well as the liquid water path were measured continuously. The surface net budget is dominated by the solar radiative component with a mean value of 144 W/m², whereas the solar impact is high for cirrus and low for stratus. At the top of the atmosphere the solar fluxes are predominantly within the daily net budgets at tropical latitudes. This results in a radiative forcing of 37 W/m². The atmospheric column shows a strong thermal emittance and a slight solar absorption. Its net heat loss amounts to a total of -100 W/m². The strongest surface cloud longwave effects were determined in the presence of low level clouds. Clouds with a high optical density induce strong negative solar effects when the solar altitude is high. The mean surface net effect is -34 W/m². For the purpose of calculating the mean surface net effect, a new parametrization was created, considering the total cloud amount and the solar zenith angle. At the top of the atmosphere the clear sky radiative fluxes are approached inaccurately. The average atmospheric cloud effect is -3 W/m². Cirrus clouds have little atmospheric solar effects and strong longwave effects, thus cirrus is the only cloud type causing a heating of the climate. The atmospheric longwave effects are highly negative for optical thick low level clouds. Mean atmospheric solar effects are positive for each cloud type. The atmospheric net effect is -4 W/m².\\ Based on ECHAM5 simulations, the surface solar effects are about 20 W/m² higher than the measured effects. Surface longwave effects are simulated well. Under existence of cirrus and stratus the model physics with its single cloud layer works exactly. The surface solar effects of convective clouds, especially stratocumulus, show a large overestimation of up to 120 W/m².
 
Schlagworte:Strahlungshaushalt, Strahlungsbilanz, Einstrahlung, Wolken-Strahlungs-Effekt, Wolkenkamera, ECHAM
 
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