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Die direkte Strahlungswirkung von Aerosolteilchen auf ein Klimamodell

Anke Maria Allner
2000
Zusarnmenfassung Ziel cler vorliegenden Arbeit uncl cler heutigen Aerosolforschung ist es, die geographische und zeitliche Var-iation der Strahlungseigenschaften atmosphärischer Aerosole in l{limarnoclellen zu berücksichtigen, also clen Strahlungsantrieb cler Aerosole zu bestimmen uncl clar-aus clie l{limawirkung abzuschätzen. Da eine interaktive Berüclisichtigung von Aerosolen in ihlel Gesamtheit einschließlich Entstehung, Tra,nsport uncl Räckkopplungen aufgruncl del Komplexität in
more » ... ität in Klimamodellen nicht rnögiich ist, wirci cler Globale Aerosolclatensatz (GADS) (I(öpke et al. (1997)) fär cliese Untersuchungen benutzt. Dieser', auf Messungen uncl realistischen Modellannahmen ba,sierende Datensatz, beinhaltet natürliches und anthropogenes Aerosol und läßt sich ohne großen Rechenzeitaufivancl in I{limarnodellen berücksichtigen. Das wird in dieser Arbeit ausfiïhllich beschrieben, die sich wie folgt glieclert: Mit einem ó-Eclclingion-Strahlungstranspoltmoclell wird cler Strahlungsantrieb durch Aelosol in Abhängigkeit von der Oberflächenalbedo uncl dem Zenitwinkel abgeschåtzt. Für ein mittleles Aerosol erhalten r,vir irn globalen Mittel einen negativen kurzwelligen Strahlungsantrieb, cler regional inhomogen ist. In Abhängigkeit vom Sonnenwinkel, der Boclenalbedo und clen optischen Eigenschaften des Aerosols kann der Antrieb sowohl negativ als auch positiv sein. Die Abhängigkeiten sind nicht linear. Der clirelite Aelosolstrahlungsantrieb wirkt sich auf die Temperatur aus. Anhand einer vertikalen Säule cles Klimamodells (ECHAMID) werden die Auswirkungen des Aerosoistrahlungsantriebs auf clie cliabatischen Prozesse und die Temperatur berechnet. Eine veränclerte Aerosolzusammensetzung a1s Folge cler Inclustrialisierung ist eine mögliche IJrsache für' clie Reclulition cler Globalstrahlung. Die in clieser Arbeit vorgestellte Sensitivitätsstuclie mit dem ECHAMID für mittlere nördliche Breiten ergibt, claß die Änclelung cler Aelosolzusarnrnensetzung zu einer Recluktion der Globalstrahlung um 16 Wf nf in Jahresmittel ftihrt. Del Vergleich mit clel Literatur zeigt, daß die clirekte Strahlungswirkttng von Aerosol hier einen Anteil von bis m 20% an der Recluktion clel Globalstlahlung ausrnach.t. Die veränclelte Aerosolzusammensetzung fährt zul Elwärmung der bodennairen Schichten um 0.3 K, verursacht clurch clen erhöhten R.ußanteil. Es folgt, daß Ruß zur Bestimmnng cler Iilimawirkung anthlopogener Aerosole zu berücksichtigen ist. Del Globale Aerosolclatensatz wircl in clas globale Zirkulationsmoclell (ECHAM4) integriert. Aus clen Teilchenzahlen der GADS Aerosolkomponenten werclen Massenmischungsvelhältnisse bestimmt uncl die optischen Eigenschaften der Aelosole an clie Spektralbeleiche cles ECHAM4 angepasst. Der direkte Aerosolstra,hlungsantrieb wircl für clie wolkenfreien Gebiete bestimmt, Riïckkopplungsmechanismen werclen ausgeschlossen. Im globalen Mittel beträgt der gesamte kulzwellige Strahlungsantrieb clurch GADS am Oberrand der Atmosphär'e im Januar -1.4 IMf nf , -2.I lVf nz2 im Juli. Die Sonnenstrahlung wircl am Boden im globalen Mittei im Ja,nual um -4.3 Wf nz2, im Juli um -6.5 Wf m,2 reduziert. 1. Einleitung 2 1. Einleitung Effízient in Bezug auf clie Rechenzeit von Klimamodellen bedeutet, daß es sinnvoll ist, insofern man sich nicht für prozessorientierte Details der Aerosolphysili intelessiert, zu einem rnehr ocler weniger fixen Aerosol äberzugehen. Ein derartiger Ansatz wircl derzeit im globalen Klimamodell ECHAM des MPI Hamburg angewenclet, cler jedoch bereits in clen siebziger Jahren entwickelt wurde, und vom l(onzept hel mittlerweile veraltet ist. Bei clieser Nlethode werden die globalen Verteilungen cler optischen Eigenschaften fünf velschieclener Aerosole sowie dreier Hintergruncl-Aerosole im Sirahlungstransport berticksichtigt. Die optischen Eigenschaften cler Aerosole wurden von Shettle uncl Fenn (1976) aus Messungen abgeleitet. Die globalen Verteilungen clieser Aerosole entstanclen auf der Gruncllage von Empfehlungen cles WCP 12 Reports (1980). Zwätzlich wurden Plausibilitåtsannahmen gemacht, um das Aerosol im l(limamodell zu beriïclisichtigen. Dieses lionzept ermöglicht içeinerlei Rückschlüsse auf tatsächliche Ma,ssenmischungsverhältnisse ocler Teilchenzahlen. Auch ist keine Flexibilität volgesehen. Das becleutet, clal3 man keine Sensitivitätsstuciien beziïglich einzelnel Aelosole dulchfähren kann. Jedoch stellen sie eine Vergleichsbasis, einen Referenzzustancl clar. Da,s von Toon nncl Pollack (1976) entwickelte Nloclell mittlerer atmosphärischer Aerosole ist ebenfalls veraltet. Zum heutigen Zeitpunkt gibt es ebenso keine globalen flächendeckenclen Messungen von Aerosolzusarnmensetzungen uncl optischen Eigenschaften. Eine globale Znsammenstellung exisitierender Messungen cler Aelosole, sowohl ihrer mikrophysikalischen Eigenschaften als auch clel optischen, uncl Transportlechnungen sincl in clem Globalen Aerosoldatensa,tz (GADS) nach liöpke et al. (1997) enthalten. Daher bietet sich GADS derzeit zur Berücksichtigung von Aerosolen in I{limamoclellen an. El basiert auf ciem l(onzept der externen Mischung intern gemischter Aelosole. Es werclen alle Aerosolkomponenten eingeschlosse,n, clie fär clie Atmosphäre reprä,sentativ sincl. Sie werden charakterisiert durch ihle Größenverteilung und ihren Brechungsindex in Allhängigkeit von der Wellenlänge. Diese Aerosole resultieren aus Quellen am Boden und cler freien Atmosphäre, Umwancllungsuncl Senkenprozessen. Basierencl auf cler Mie-Theorie wulclen fär clie Aerosolkomponenten clie optischen Eigenschaften zwischen 0.3 uncl 4A ¡tm in 8 verschieclene Feuchteklassen berechnet. Zusätzlich zu den optischen Eigenschaften liegt die globale Velteilting clel Aerosolkonrponenten auf einem 5 x 5 Gracl Gitter für Winter uncl Sommer vor. Ebenfalls berücksichtigt sincl clie Veltikalprofile del Aerosolverteilungen. Dieser Aerosoldatensatz eignet sich claher gut zur Integration in das globale spelitrale Zirhulationsmoclell ECHAM (Roeckner et al., 1996) arn DI(RZ in Hamburg. GADS kann in clie T21-Version mit 19 Niveaus cles ECHAM übelnommerì werden. Die optischen Eigenschaften cler Aerosollcomponenten werden im Strahlungscode direkt verwenclet. Aufgruncl der Stukturierung von GADS ist es möglich, Abschätzungen zum Strahlungsantlieb sowohl clurch clas Gesamtaerosol als anch durch jecle Komponente einzeln clulchznfälrren. Die Ergebnisse können ebenso zw Yeúfrzierung weiter entwickeltel Aelosoltransportrnoclelle irerangezogen werclen. Außerclem hönnen anhand cler Rechnungen rnit cler l-climensionalen Version cles ECHAM uncl clel Velrvenclung von GADS die Auswirkungen cles direkten Strahlungsantriebs von Aerosolen, z.B. auf clie R,eduktion clel Globalstlahlung, interpretiert werden. 1.2. Wissenssta,nd t J Das stratosphärische Aerosol gilt ftir eine vulkanisch ungestörte Stratosphåre ohne Vulkaneinfluss und ohne Flugzeugabgase. 3. Der mittlere giobale Aerosolstrahlungsantrieb 9
doi:10.17617/2.3204530 fatcat:4guwg226zng75cp4gde67ful5y