Entwicklung und Evaluierung einer Modellhierarchie zur Simulation der aktinischen Strahlung in aerosolbelasteter und bewölkter Atmosphäre

Abstract

Das Verstaendnis der in der Atmosphaere stattfindendenOzonproduktions- und Ozonabbaumechanismen ist eines derwichtigsten Ziele der aktuellen Umweltforschung. Da Ozon inder Atmosphaere ausschliesslich durch photochemischeProzesse gebildet wird, ist die Kenntnis der aktinischenStrahlung eine grundlegende Voraussetzung fuer die Prognosevon Ozonkonzentrationen. Die vorliegende Arbeit befasst sichdaher mit der Modellierung der aktinischen Strahlung alsBasis zur Untersuchung photochemischer Prozesse. Dazu wurde eine Modellhierarchie entwickelt, welcheausgehend von der Berechnung der optischen Eigenschaften deratmosphaerischen Extingenten den Strahlungstransport in derAtmosphaere bestimmt. Dazu wurden verschiedeneStrahlungstransportmodelle verwendet, welche sich durch dieLoesungsmethode der Strahlungstransportgleichung und dieAnzahl der raeumlichen Dimensionen unterscheiden. Zur Ueberpruefung der entwickelten Modellhierarchie und zurUntersuchung des Einflusses der verschiedenen Extingentenauf das atmosphaerische Strahlungsfeld wurden zahlreicheSensitivitaetsstudien durchgefuehrt. Dabei zeigte sich, dasssich der Einfluss von Ozon fast ausschliesslich auf denAnteil der Strahlung mit Wellenlaengen kleiner 340 nmauswirkt. Bei der Untersuchung des Einflusses vonAerosolpartikeln und Wolkentropfen auf die aktinischeStrahlung wurde festgestellt, dass die chemischeZusammensetzung, das Vertikalprofil, die Groesse und dieGroessenverteilung der Partikel einen entscheidendenEinfluss nehmen. Eine Evaluierung des 1-dimensionalenStrahlungstransportmodells an Hand von Vergleichen mit denErgebnissen anderen Strahlungstransportmodelle undverschiedenen Messungen ergab, dass die entwickelteModellhierarchie sehr zuverlaessige Resultate liefert. Die Effekte durchbrochener Bewoelkung konnten mit einer2-dimensionalen Simulation untersucht werden. DieUntersuchungen zeigen, dass die haeufig durchgefuehrteapproximative Betrachtung von partieller Bewoelkung mit1-dimensionalen Strahlungstransportmodellen im Vergleich zuden Ergebnissen der 2-dimensionalen Simulation grosse Fehlerverursacht, da die Effekte an den seitlichen Wolkenraendernvon den 1-dimensionalen Strahlungstransportmodellen nichtberuecksichtigt werden koennen.

The understanding of atmospheric ozone production andreduction mechanisms is one of the most important goals ofcurrent ecology. Since ozone is produced by photochemicalprocesses only the knowledge of actinic radiation is a basicrequirement for the forecasting of ozone concentration. Thisdissertation is concerned with the modeling of actinicradiation as the basis for the investigation ofphotochemical processes. Therefore a model hierarchy was developed for thedetermination of atmospheric radiative transfer based ondetailed calculation of the optical properties of aerosolparticles and cloud drops. Different radiative transfermodels were employed which differ in the solution method ofthe radiative transfer equation and the number of spatialdimensions. For the verification of the developed model hierarchy andthe investigation of the influence of different extinctionparameters on the radiation field numerous sensitivitystudies were carried out. It emerged that ozone affectsradiation with wavelengths shorter 340 nm only. Theinvestigation of the aerosol and cloud drop influence on theactinic radiation showed that the crucial parameter are thechemical composition, the vertical profile, and the size andsize distribution of the particles. Since the evaluation of the 1-dimensional radiative transfermodel by comparison of the simulation results with severalmeasurements and results of other radiative transfer modelsyielded good agreement it can be expected that the modelhierarchy delivers reliable results. The effects of broken cloud fields were investigated with a2-dimensional simulation. The approximate treatment ofbroken cloud fields with 1-dimensional radiative transfermodels causes distinct deviations as compared to the resultsof the 2-dimensional simulation. This is caused by theeffects at the lateral cloud faces. Theses effects can notbe taken into account by 1-dimensional radiative transfermodels.