Band 14 (M. Sommer, 2009)
Quantifizierung der räumlichenund zeitlichen Variabilitäten desStrahlungsflusses in Europa
Bestimmung mittels ISCCP-Daten
ISBN 978-3-86780-154-6
Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.)
eingereicht an der Fakultät
Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften der Technischen Universität Dresden
Kurzfassung
Im Rahmen des Projektes Quantification of Uncertainties In
Regional Climate and climate change Simulations (QUIRCS) wurde
ein Strahlungsdatensatz für die Validierung bzw. den Vergleich
mit regionalen Klimamodellen benötigt. Dieser sollte alle
Strahlungsbilanzkomponenten am Boden und am Oberrand der
Atmosphäre enthalten, räumlich mindestens mit 1/2° und zeitlich
sechsstündig aufgelöst sowie für 15 Jahre verfügbar sein. Ein
alle diese Kriterien erfüllender Datensatz stand nicht zur
Verfügung. Daher wurde als Ziel für diese Arbeit definiert: ein
optimiertes Verfahren zur Bestimmung der benötigten
Strahlungsflussdichten zu entwickeln, diese abzuleiten und
statistisch hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen
Variabilitäten auszuwerten. Die Untersuchungen dieser Arbeit
wurden für den 21-jährigen Zeitraum 1984 bis 2004 und für den
Großraum Europa durchgeführt.
Als Datengrundlage fanden die komprimierten
Satellitenbeobachtungen des International Satellite Cloud
Climatology Project (ISCCP) Verwendung. Hierbei wurde der
europäische Meteosat-Ausschnitt des ISCCP-DX-Datensatzes als
hauptsächlicher Eingangsdatensatz gewählt, da er den
Anforderungen von QUIRCS gerecht wird. Die Analyse der
Eingangsparameter zeigt verschiedene zeitliche Änderungen,
welche auch räumlich heterogen ausgeprägt sind. So weist z. B.
der Wolkenbedeckungsgrad in begrenzten Teilregionen sehr
unterschiedliche Trendverhalten mit starken Abnahmen im Sommer
(besonders im mediterranen Raum) und deutlich geringeren
Zunahmen im Herbst (u. a. in Mitteleuropa) auf. Weiterhin ist
eine Verschiebung der Häufigkeitsverteilung der optischen Dicke
hin zu dickeren Wolken zu beobachten. Dabei verlagert sich in
Mitteleuropa der Median zwischen den ersten und letzten 10
Jahren des betrachteten Zeitbereiches signifikant
um +0,6. Zu beachten ist hierbei, dass der Median einen sehr
starken Jahresgang mit Werten zwischen 10,0 im Winter und
weniger als 5,0 im Sommer besitzt. Die Analyse der
Bodenoberflächentemperatur zeigt eindeutig eine Erwärmung an,
welche in Extremfällen +0,1 K/a übersteigt. Im Gegensatz zu
vergleichbaren Projekten wurde für die Bestimmung der
Strahlungsflussdichten ein zweistufiger Lösungsansatz gewählt,
um die Rechenzeit zu optimieren. Es wurden im
Vorfeld Strahlungstransfersimulationen mittels des
Strahlungstransfermodelles Streamer durchgeführt. Getrennt für
den kurz- und langwelligen Spektralbereich wurden zwei
mehrdimensionale Lookup-Tabellen erstellt. Weiterhin wurde ein
Algorithmus entworfen, mit dem aus den zur Verfügung stehenden
Beobachtungsdaten unter Zugriff auf die Lookup-Tabellen alle
Strahlungsbilanzkomponenten am Boden und am Oberrand der
Atmosphäre bestimmt werden. Die
gewählten Freiheitsgrade und Auflösungen der Tabellen beruhen
auf Sensitivitätsuntersuchungen der Parameter, welche den
atmospherischen Zustand beschreiben, bezüglich ihres Einflusses
auf die simulierten Stahlungsflussdichten.
Die Analyse der abgeleiteten Strahlungsflussdichten zeigt
verschiedene räumliche und zeitliche Variabilitäten. So weist
z. B. die Globalstrahlung in der südlichen Hälfte des
Untersuchungsgebietes eine signifikante Zunahme mit Werten
zwischen +0,25 und +1,0 W/m2a auf. Diese Zunahme korreliert mit
der Abnahme der Wolkenbedeckung in der Region. Analog zur
aufgezeigten Erhöhung der Oberflächentemperatur ändert sich die
direkt abhängige langwellige Ausstrahlung am
Boden signifikant. Die Vergleiche mit den alternativen
Strahlungsdatensätzen ISCCP-FD und Surface Radiation Budget
(SRB) zeigen für mehrere Größen sehr gute Übereinstimmungen.
Einzelne Größen weisen aber sehr unterschiedliche Güten auf. So
wurde z. B. die Globalstrahlung um ca. 10 % überschätzt, was
wahrscheinlich auf eine zu geringe atmosphärische Feuchte im
Modell zurückzuführen ist. Die Ergebnisse der Arbeit zeigen
aber, dass die Globalstrahlung durch eine
zusätzliche Korrektur so optimiert werden kann, dass sie in der
diagnostizierten Spannweite zwischen
ISCCP-FD und SRB liegt und ebenfalls die Differenz zu den
in-situ Messungen innerhalb des Global Energy Balance Archive
(GEBA) stark reduziert werden.
Abstract
A radiation dataset for the validation and comparison of
regional climate models was required for
the project Quantification of Uncertainties In Regional Climate
and climate change Simulations
(QUIRCS). This dataset was to include all components of the
desired radiation budget at the top
of the atmosphere and the surface. It needed to be available
for a 15 years period with a spatial
resolution better than 0.5 degrees and a temporal resolution of
six hours. At the beginning of the
project such a highly resolved dataset was not available. The
aim of the present study was the
development of a method for the determination of the radiant
flux densities and its application
in order to derive radiation budget components for an area
covering great parts of Europe and
the Mediterranean within a 21 years period starting 1984.
Furthermore, spatial and temporal
variabilities found in this data were characterized.
An important data basis for my method was the Meteosat DX
dataset of the International
Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) since it fulfils
the above mentioned requirements
concerning the spatial and temporal resolution. This study
focusses on Europe (30◦N – 65◦N,
15◦W – 45◦E) where the dataset is characterized by variability
on different spatial and temporal
scales. I found significant trends over the 21 years time
period in the cloud coverage which
for instance greatly decreases in the Mediterranean region in
summertime, whereas it slightly
increases in Central Europe in autumn. Analysing the
probability distribution functions of cloud
optical depth over Central Europe for two consecutive 10 years
periods reveals a shift to higher
values. This is accompanied by a significant increase of the
median of +0.6. The annual cycle
of this parameter is with a minimum of 5 in summertime and a
maximum of 10 in wintertime
rather large. A long-term trend was observed in time series of
the surface temperature which in
certain cases exceeded +0.1 K/a.
In contrast to other approaches the present study uses a
two-step-procedure to derive radiant
flux densities. This was essential to minimize the computing
time. In the first step the 1D
radiative transfer model ’Streamer’ was used to calculate the
radiant flux densities for numerous
atmospheric situations described by a set of varying parameters
like cloud properties, surface
albedo and temperature, etc. The results were stored in
multidimensional look-up tables for
shortwave and longwave components. The second step assigned to
every pixel the radiant flux
density derived from the look-up tables by an interpolation
between the sampling points enclosing
the observational data. The dimensionality and resolution of
the look-up tables rely on sensitivity
studies analysing the impact of parameters describing the
atmospheric state on the simulated
radiation quantities.
In a similar fashion to the parameter of the employed dataset
also the derived radiant flux
densities vary an various temporal and spatial scales. For
example, the global irradiance exhibits
a significant trend ranging from 0.25 to 1.0 W/m2a in the
southern part of the domain. This
increase is correlated with the above mentioned reduction of
cloudiness in this area. The rising
surface temperatures found in the satellite dataset result in
significant increases of outgoing
longwave radiation. Comparisons of my results with other
radiation datasets like ISCCP FD
and the Surface Radiation Budget (SRB) demonstrate good
agreement for several parameters.
However, some parameters like the global irradiance differ
substantially, which is probably due to
an underestimation of moisture in my model. This bias of about
10 % can be corrected sufficiently
so that the values are located within the range formed by ISCCP
FD and SRB data and also the
differences to in-situ measurements of the Global Energy
Balance Archive (GEBA) are reduced.