Der Einfluss des dreidimensionalen Strahlungstransportes auf Wolkenbildung und -entwicklung

In der vorliegenden Arbeit wurde der Einfluss des dreidimensionalen
Strahlungstransportes, insbesondere der differentiellen
Einstrahlung, auf die Wolkenbildung und -entwicklung untersucht.
Hierzu wurde ein Verfahren zur Berechnung der Bestrahlungsstärke am
Boden unter inhomogener Bewölkung entwickelt und in das
Grobstruktursimulationsmodell EULAG implementiert. Durch Vergleich
von Simulationen mit der originalen Modellversion und dem
weiterentwickelten Modell wurde der Einfluss der differentiellen
Einstrahlung, verursacht durch Wolkenschatten, auf die konvektive
Grenzschicht untersucht. Das Verfahren beruht auf der tilted
independent column approximation (TICA). Hierbei werden einzelne
Säulen, die in Richtung der Sonne ausgerichtet sind, betrachtet und
für diese die Strahlung unabhängig voneinander berechnet. Die
Methode wurde optimiert, parallelisiert und dadurch so stark
beschleunigt, dass die Rechenzeiten der in dieser Arbeit
durchgeführten Simulationen mit EULAG-TICA nur maximal 3% über
denen mit EULAG ohne Strahlung liegen. Durch Vergleich mit exakten
dreidimensionalen Strahlungstransportrechnungen wurde gezeigt, dass
die TICA eine sehr gute Näherung zur Berechnung solarer
Bestrahlungsstärken am Boden für unterschiedliche Wolkensituationen
und verschiedene Sonnenzenitwinkel darstellt. Hingegen ist die
verbreitete independent column approximation (ICA) zur Berechnung
von Bestrahlungsstärken am Boden nur für im Zenit stehende Sonne
geeignet, da die ICA aufgrund der Beschränkung auf den
Strahlungstransport in senkrechten Säulen keinen realistischen
Schatten produziert. Die berechnete Bestrahlungsstärke wurde an die
Modellphysik gekoppelt durch die Anpassung des Wärmeflusses am
Boden. Dieser wirkt sich auf die Temperatur in der Atmosphäre aus.
Anhand von Vergleichen mit Messreihen unter gleichen
Wolkenbedingungen wurde gezeigt, dass die durch die Wolkenschatten
verursachten Temperaturfluktuationen am Boden in Simulationen mit
EULAG-TICA realistisch sind. Zur Untersuchung des Einflusses der
differentiellen Einstrahlung auf die Wolkenbildung wurden
Simulationen einer einzelnen konvektiven Wolke durchgeführt. Der
Einfluss auf die Wolkenentwicklung wurde anhand von Simulationen
der konvektiven Grenzschicht untersucht. Die Simulationen mit und
ohne Wolkenschatten zeigen deutliche Unterschiede. Im Bereich des
Wolkenschattens ist der Aufwind wie erwartet schwächer ausgeprägt
als in der Referenzsimulation ohne Schatten. Als Folge des
schwächeren Aufwindes reicht die Wolke in den Simulationen mit
Schatten weniger hoch und weist daher ein geringeres Volumen und
einen geringeren Flüssigwasserpfad auf. Ist das Wolkenwachstum nach
oben durch eine Inversion begrenzt, so wie in der konvektiven
Grenzschicht, zeigen sich kaum Unterschiede im Bedeckungsgrad und
Wolkenvolumen zwischen den Berechnungen mit und ohne
Wolkenschatten. In jedem Fall hat die differentielle Einstrahlung
jedoch einen starken Einfluss auf die Zirkulation. Vertikalprofile
der horizontalen Windgeschwindigkeiten zeigen mittleren Wind von
der Wolke in Richtung ihres Schattens in Höhe der Wolken und in
entgegengesetzter Richtung in Bodennähe. Dies bedeutet, dass die an
konvektiven Wolken vorhandene Zirkulation (aufsteigende Luft
unterhalb der Wolke, Ausfließen in der Höhe der Wolke aus der Wolke
heraus in alle Richtungen, absinkende Luft neben der Wolke und am
Boden Luftbewegung von allen Seiten unter die Wolke) in Richtung
des Schattens orientiert wird. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse
eine Bewegung der Wolken weg von ihrem Schatten, bzw. eine
Auflösung der Wolken oberhalb ihres Schattens und Wolkenwachstum
auf der der Sonne zugewandten Seite. Steht die Sonne im Zenit ist
die Lebensdauer der einzelnen Wolken kürzer. Sie lösen sich
schneller wieder auf, da der sie bildende Aufwind durch den
Schatten abgeschwächt wird.