Strahlungsparameterisierung von der. Oberfläche bis zur Mesopausenregion. Eine neue kontinuierliche. Rahel Knöpfel und Erich Becker

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1 Eine neue kontinuierliche Strahlungsparameterisierung von der Oberfläche bis zur Mesopausenregion Rahel Knöpfel und Erich Becker (Knöpfel & Becker, 2010, JQSRT, eingereicht)

2 Inhalt Motivation Neues vereinfachtes Strahlungsschema Resultate bei grober Auflösung Zusammenfassung

3 Hintergrund: Spektrum [ blau: UV, rot: IR ] Thermosphäre Mesosphäre Stratosphäre Troposphäre 0 km Strahlungshaushalt der (mittleren) Atmosphäre 340 W/m W/m2 240 W/m 2 Licht und UV Strahlung Wärmestrahlung CO 2, O3, H 2 O H2O Sensible W. Latente W. 90 km 50 km 10 km O 2 Dissoziation O3 +10 W/m 2-10 W/m W/m W/m W/m 2 H 2 0, CO 2 Wolken 370 W/m W/m W/m 2-70 W/m W/m W/m 2 Treibhauseffekt -100 W/m 2

4 Ziel der Entwicklung eines neuen Strahlungstransferschemas für globale Simulationen Sehr hoch aufgelöste globale Simulationen (T300/L200) von Dynamik und Strahlung Anforderungen an den Strahlungstransfer: - kontinuierlich von der Oberfläche ( Sumpf-Ozean ) bis zur unteren Thermosphäre - überschaubar (mechanistisch) und numerisch effizient - konsistente Berücksichtigung der Abweichungen vom Gray Limit und LTE Wir leiten vereinfachte Transfergleichungen her, die wir dann numerisch von der Oberfläche bis zur unteren Thermosphäre integrieren Vorteile gegenüber konventionellen Verfahren Keine approximierte Auswertung von komplizierten Transmissionsfunktionen Keine Interpolation zwischen vorgegebenen thermodynamischen Zuständen der Atmosphäre notwendig Einheitliche Strahlungflussberechnung über den gesamten Höhenbereich sowie über den Frequenzbereich

5 Strahlungsheizraten für Atmosphäre und Oberfläche U, D = aufwärtige und abwärtige Energieflussdichten im langwelligen Bereich (Wm -2 ) S = abwärtige solare Energieflussdichte (Wm -2 ) cooling to space U, D aus Strahlungstransfergleichung (RTE) S mit Beer-Bougert-Lambert Gesetz, solarer Zenitwinkel Absorptionskoefizient, k i freie Parameter c a Absorberverteilung, energetische Aufteilung in 5 Bänder

6 Strahlungstransfer im langwelligen Bereich ω non-lte Parameter, keine Streuung im LTE! Näherungen: planparallel, keine Azimutabhängigkeit, Eddingtion- Näherung für Zenitabhängigkeit, Integration über oberen und unteren Halbraum monochromatische Eddington-Gleichungen im p-system: Reynoldszerlegung und Mittelung über ein Frequenzband k:,,, X = U, D, κ Näherungen: Störungen mit Elsasserband -> Transfergleichungen für gemittelte Strahlungsflüsse und Störungsamplituden

7 Mittlere Strahlungsflüsse Störungsamplituden Randbedingungen: D k = d k = 0 für p = 0 und U k = B k, u k = 0 für p = p s Grauheits-Parameter: y = γ k (T,p) / δ k -> Abweichung vom Gray Limit

8 Frequenzbänder, Absorber und Streualbedo Langwellige Bänder O 3 H 2 O(1) H 2 O(2) CO μm 6.3 μm >15 μm 15 μm Absorptionskoeffizient Vorgeschriebene Absorberverteilungen c a Stratosphärische O 3 -Verteilung im Juli Troposphärische H 2 O-Verteilung im Juli Zeitunabhängiges CO 2 -Profil Aus HITRAN: Bandstärke, Voigt-Linienbreite γ k = γ k (p,t), Linienabstand Streualbedo (2-Niveau-Modell) Aufteilung der Sonnenstrahlung in 4 absorbierende und 1 durchgehendes Band δ k Spontane Emission Inel. Stösse 1. O 2 Dissoziation (UV) 4. H 2 0 Absorption in der Troposphäre (VIS) 2. O 3 Hartley-Huggins Band (UV) 5. Rest 3. O 3 Chapuis Band (VIS)

9 Kühlungsorn Mechanistic general Circulation Model (KMCM) Dynamischer Kern standard spektral (Simmons & Burridge, 1981, MWR) Auflösung für Testsimulationen: - Spektrale Abbruch-Wellenzahl: T32-70 Hybrid-Schichten im Bereich zwischen 0 und 120km Parametrisierungen Strahlung Turbulente Diffusion mit konsistenter Berücksichtigung der Dissipation Latente Heizraten: vorgeschrieben in den Tropen, selbstinduziert in mittleren Breiten, einfacher Jahresgang, in der Bodenbilanz berücksichtigt Schwerewellen: extended Doppler-spread (Becker & McLandress, 2009, JAS) einfaches Schema für orographische Schwerewellen

10 Juli-Klimatologien bei grober Auflösung Zonal gemittelte Temperatur (K) im Juli Zonal gemittelter Zonalwind (ms -1 ) und Stromfunktion (10 9 kgs -1 ) im Juli Zonal gemittelte SW Heizraten (Kd -1 ) im Juli Zonal gemittelte LW Heizraten (Kd -1 ) im Juli

11 15km Strahlungsbilanz an der Atmosphärenobergrenze Jährlich gemittelte Strahlungsflüsse (Wm -2 ) Absorbierte Sonnenstrahlung Energie- Defizit Abgestrahlte Wärmestrahlung Nettoeffekt Energie- Defizit Der Energie-Überschuss in niederen Breiten und die Energiedefizite in hohen Breiten kompensieren sich exakt im klimatologischen Gleichgewicht. Energie- Überschuss Wärmebilanz in der unteren Atmosphäre Jahresmittel der diabatischen Heizraten (Kd -1 ) Jahresmittel der dynamischen Heizraten (Kd -1 ) 15km

12 Abhängigkeit der CO 2 Heizraten von der inelastischen Stossrate C 21 = k 21 [M] CO 2 15 μm Heizrate (Kd -1 ) im Juli für 1xk 21 O Stösse ω < 1 ω 1 CO 2 15 μm Heizrate (Kd -1 ) im Juli für 2xk 21 ω < 1 Einfluss der Abweichungen vom Gray Limit auf das H 2 O Rotationsband Abkühlung durch das H 2 O Rotationsband (Kd -1 ) im Juli Abkühlung durch das H 2 O Rotationsband (Kd -1 ) im Juli für eine graue Atmosphäre

13 Verdoppelung der CO 2 -Konzentration Temperaturunterschied 630 ppmv ppmv CO 2 im Juli Zonalwindunterschied 630 ppmv ppmv CO 2 im Juli Jahresgang des Zonalwindes bei 70 N Jahresgang des Zonalwindes bei 70 N für 315 ppmv CO 2 für 630 ppmv CO 2

14 Zusammenfassung Überschaubare Strahlungsparametrisierung mit 4 langwelligen Frequenzbändern und einfache Absorption in 4 energetischen solaren Bändern. Einheitlich und kontinuierlich von der Oberfläche bis zur unteren Thermosphäre! Non-LTE durch Streualbedo aus 2-Niveau-Modell für alle 4 langwelligen Bänder Frequenzvariationen innerhalb der langwelligen Bänder: selbstkonsistente Berechnung durch zusätzliche Transfergleichungen Resultate bei grober Auflösung (T32L70) vernünftig und mit anderen Modellen vergleichbar Numerisch effizient, zukünftig auch für hochaufgelöste Simulationen anwendbar

15 Danke für Ihre Aufmerksamkeit

16 Diskussion Kurzwelliger Albedoeffekt von Wolken nur implizit berücksichtigt Treibhauseffekt von Wolken bislang nicht berücksichtigt Das Elsasser Bandmodell ist für einige Bänder bei kleinem Grayness-Parameter zu einfach (Random- Lorentz-Malkmus model allgemeiner anwendbar) (noch) keine expliziter Feuchtigkeitszyklus in der Troposphäre Tracer Transport und Chemie in der MLT (noch) nicht berücksichtig Bandstärken im kurzwelligen Bereich sind konstante, freie Parameter. Streuung von kurzwelliger Strahlung am Boden, Wolken, Molekülen und Aerosolen nicht berücksichtigt.