Aufgaben mit MODTRAN 5 als Abschluss der Vorlesung Strahlung des WS 2011/12

Aufgaben mit MODTRAN 5 als Abschluss der Vorlesung Strahlung des WS 2011/12 Allgemeines und Aufteilung Ich habe 5 Aufgaben zusammengestellt, die von den Gruppen gelöst, in einem Bericht abgegeben und präsentiert werden sollen. Die Gruppeneinteilung ist auf dem FTP Server als Gruppeneinteilung_2011.pdf in ftp://ftp.pmodwrc.ch/pub/claus/vorlesung2011/zu finden.. Bericht Die Abgabe und Präsentation der Berichte der einzelnen Gruppen wird am 9. März ab 9h15 im Computerraum stattfinden (erste Sommersemester Woche). Der Bericht jeder Gruppe soll als pdf file abgegebn werden folgende Struktur haben: 1. Kurze Beschreibung des Problems, 2. Resultate der Rechnungen in Tabellenform und graphisch, 3. Allgemeine Diskussion der Resultate mit Bezug auf die Vorlesung, a... Individuelle Beiträge Die Punkte 1, 2 und 3 sind gemeinsam abzufassen. Angehängt können dann noch zusätzliche Resultate und Kommentare der einzelnen Teilnehmer (mit Namen) angefügt werden. Die allgemeinen Resultate werden dann am Seminar vom Gruppenleiter präsentiert, weitere Kommentare/Resultate von den entsprechenden Autoren. Der Bericht soll als Text am Tag der Präsentation an alle Teilnehmer abgegeben werden und in pdf auf einem Stick an mich abgegeben werden. Die pdf-file kann auch in das ftp directory Resultate auf dem geheimen ftp://ftp.pmodwrc.ch/stealth/132250_claus/modtran5/ geschrieben werden: Aufgaben Das MODTRAN Manual und das Fortranprogram zum Lesen von binär Daten kann vom unsichtbaren Directory ftp://ftp.pmodwrc.ch/stealth/132250_claus/modtran5/manual heruntergeladen werden. Alle anderen Daten sind öffentlich und stehen in ftp://ftp.pmodwrc.ch/pub/claus/vorlesung2011/modtran_etc zur Verfügung: Die Modelle (ab 6.Februar 2012) sind im Unterdirectory Modelle und die Spektraldaten in Spektraldaten. In allen Aufgaben wird die thermische und die Sonnenstrahlung (gestreut und direkt) berechnet und wir interessieren uns vor allem für Flüsse bei verschiedenen Zuständen der Atmosphäre. Neben den Davoser Modellen habe ich auch noch die 6 Standardmodelle für unsere Zwecke angepasst. Diese habe ich gemäss Vorlesung 2 geglättet und für die unterstenschichten die Laps Rate konstant nach unter verlängert, um die Modelle für eine klare Atmosphäre, wie die Davoser Modelle anzupassen. Weiter habe ich für jedes Modell die Temperatur bis zur Tropopause um dem erwarteteten Betrag erhöhht, wobei die relative Feuchte konstant gehalten wird. Alle Modelle wurden hydrostatisch ausgeglichen, sind also valable Schönwettermodelle. Zudem habe ich mit der gleichen Prozedur Tropen modelle mit Oberflächentemperaturen von 275 bis 305K in Schritten von 5K erstellt, die für die Aufgabe 1 gebraucht werden. Alle Modelle können als Modell 7 eingelesen werden. Die Fig. 1 zeigt das Resultat für die Standard Modelle (werde diese Abbildung auch in Vorlesung 2 einfügen). Für die Davoser Modelle wurden auch neu die Temperaturen entsprechend den erwarteten Veränderung bei Verdoppelung des Treibhauseffektes mit 4.0, 3.5 und 3.0K für So, Fa und Wi berechnet (die Filenamen sind entsprechend angepasst). Die Rechnungen werden für vertikalen Pfad vom Boden nach dem Weltraum mit 1cm Auflösung gemacht (ToA Spektrum: SUN01kurucz2005 ( t" in der Sequenz t 4 f f f und auf Karte 1A1 1") und die Solarkonstante

Figure 1 Neu angepasste Standard-Modelle für klare Atmosphäre -2 wird auf den mittleren Wert von 1366.2 Wm gesetzt. Das heisst die Karten 1, 1A, 1A1 und 2 sehen in etwa so aus: M 7 3 2 0 0 0 0 0 0 1 1 1.00-5 fff 8 1 365.000 0.00000 0.00000 t 4 f f f 1366.2 1 01_2008 Um eigene Spektren einzulesen muss auf Karte 1A1 ein Filename anstelle der 1" eingegeben werden. Das Directory ist als default Data im MODTRAN Baum d.h. die Files müssen auch dort abgespeichert werden. Folgende Files stehen zur Verfügung stehen: SUN01LEANMax.dat, SUN01LEANMin.dat. Für die Geometrie der Sonnenstrahlung und die Berechnung der Flüsse können die Karten 3, 3A1 und 3A2 und 4 als Bespiel dienen: Blick in den Zenit, Sonne im Süden bei 60 Grad Zenitwinkel (muss für die Aufganben z.t. angepasst werden): 0.000 0.000 2 2 93 0 180.0 60.0 100.0 33000.0 5.0 5.0RN WTAA T1 Für die Aerosole (Rural mit hoher Sichtweite) und für Wolken soll das Bespiel mit einem Altostratus gelten: 1 0 1 0 2 0.000.000.000.000 0.00-9.000-9.000-9.000-9 -9-9.000-9.000-9.000-9.000-9.000-9.000 Einige der Parameter müssen noch für die entsprechenden Aufgaben geändert werden (z.b. der Wellenlängenbereich). Zum besseren Verständnis der Bedeutung der einzelnen Parameter sollten sie anhand des UserManuals allgemein nachvollzogen werden, bzw entsprechend geändert werden. Die für die Aufgaben wichtigen Resultate befinden sich in *.tp6 am Ende und in *.flx (spekralen Füsse, durch T1 (Karte 4) wird nur die untereste und oberste Schicht ausgegeben).

Der Treibhauseffekt ist die Differenz der langwelligen Aufwärtsflüsse am Boden und der bei 100km. Das langwellige Wolkenforcing entspricht der Veränderung des Traibhauseffektes und das kurzwellige die Veränderung der kurzwelligen Ausstrahlung bei 100km im Vergleich zur Einstrahlung (Albedo berechnen). Natürlich ist das Wolkenforcing für 100% Wolkenbedeckung. Der Wellenlägenbereich für die Berechnung der kurz- und langwelligen Forcing soll von 400-33000 cm (300-25000) nm und mit einer Auflösung von 1 oder 5cm (für einen run der Aufgabe soll getestet werden, ob die Resultate im IR mit 5cm genügen, wie im obigen Beispiel angenommen; für das kurzwellige Spektrum ist 5cm auf jeden Fall genügend). Zur Errinnerung: Die Fehlermeldungen sind eigentlich nicht existent. Ein häufiger Fehler entsteht durch falsches Format in den Steuerkarten und es ist dann nicht immer klar, welche Karte betroffen ist. Es kommt dann nach Doppelklick auf Mod5.1b_qwin.exe ein FORTRAN Input Conversion Error, der nur sagt, dass es in tp5 passiert. Mit dem dann schon bestehenden tp6 Ausdruck kann man in etwa lokalisieren wo. Wichtig ist, die Formate müssen exakt den Vorgaben entsprechen, ev. fehlt auch eine Zusatz-karte, nachschauen und nicht verzweifeln. Wenn alles richtig läuft heisst es im MODTRAN Fenster unten rechts Running und wenn man mehrere tp5 in MOD5ROOT.IN hat erscheint die Meldung, dass das Programm eben mit der nächsten File weitermacht. Am Ende wird Running durch Finished ersetzt und es erscheint ein kleines Fenster das besagt es sei fertig (wenn alles gut ging steht error code 0", sonst irgend eine Zahl) und dann das Fenster mit OK schliessen. Aufgabe 1 Wir untersuchen den Treibhauseffekt über dem tropischen Meer und versuchen die ERBE Daten zu erklären, wie sie in Abb. 12.11 dargestellt sind. Für den Ozean nehmen wir die Albedo 57 (als -57 in Karte 1) aus Data/spec_alb.dat. Dort sind viele z.t. sehr detaillierte Albedo Spezifikationen (bitte anschauen, es ist eine ASCII File) vorhanden. Zudem rechnen wir die Kolonnen-Aufheizrate aus und vergleichen die Daten mit Abb.11.7 (für a): der Betrag des Wassergehalts steht im Filenamen, oder auch tp6 unter TOTAL COLUMN ABSORBER AMOUNTS). Weiter soll das kurz- und langwellige Wolkenforcing für hohe dicke Cumulus Wolken (Card2, Icld=1) zwischen 8 und 14km (Card2A, CTHI=6, CALT=8) und den default optischen Eigenschften (entsprechende Konstanten wählen, gemäss Anleitung). Die Sonne ist im Zenit mit Zenitwinkel 0.0 anzunehmen. Aufgabe 2 Wir untersuchen den Treibhauseffekt und das Wolkenforcing über Meer für die 5 Modelle Tropical, MidLatutude Sommer und Winter und Subarctic Sommer und Winter mit 0K und +Delta. Zudem soll der CO 2 Gehalt normal 365 und erhöht 665ppm betragen. Das heisst wir rechnen für jedes Modell 3 Fälle: 0K/365ppm, und +Delta/365ppm und +Delta/665ppm. Für den Ozean nehmen wir die Albedo 57 (als -57 in Karte 1) aus Data/spec_alb.dat. Dort sind viele z.t. sehr detaillierte Albedo Spezifikationen (bitte anschauen, es ist eine ASCII File) vorhanden. Für die Sonne soll für Tropen, MidLat und SubArktik Winter und Sommer je mit Zenitwinkeln von 0, 68 und 22 bzw 83 und 37 Grad gerechnet werden. Zusätzlich soll der Treibhauseffekt und das Wolkenforcing auch an der Tropopause berechnet werden. Die Referenz ist immer das Resultat des 0K/365ppm Modelles. Als Wolken sollen die Standardfälle ICLD = 2, 3 oder 5 die Wolken mit verschieden Basishöhen representieren. Zusätzlich könnte noch ICLD = 1 gerechnet werden für die Tropen und so mit einer oberen Grenze bei 10km. Graphisch könnte die Spektralverteilung der Flussdifferenz Boden/100km bzw Tropopause dargestellt werden. Da die mit Messinstrumenten gemessen Werte meist das kurz- und langwellige nicht nach Sonne und IR trennen, sondern bei 2500nm, besteht die Möglichkeit aus den spektralen Flüssen diese Aufteilung nachzuvollziehen und dann mit den integrierten Resultaten der Sonne und im IR zu vergleichen. Zudem soll die Veränderung der Aufheizraten (integriert über die Wellenlängen, ev. aufgeteilt in kurz und langwellig durch Sonne/IR und/oder bei 2400nm) disktiert werden. Aufgabe 3 Diese Aufgabe ist sehr ähnlich der zweiten, es geht aber um die Höhenabhängigkeit des Treibhauseffektes und des Wolkenforcing und es wird mit den neuen Davosermodellen gerechnet. Wiederum werden für jedes Modell und Höhe drei Fälle behandelt: 0K/365ppm, und +Delta/365ppm und +Delta/665ppm. Wir rechnen mit den Höhen 600m (etwa Innsbruck), 1600m (etwa Davos) und 2600m (ein Gipfel in der Umgebung). Hier ist zu beachten, dass MODTRAN5 die GNDALT bei Modell 7 ignoriert und als Boden immer die untereste Schicht nimmt. Das heisst die Modellatmosphären müssen entsprechend unten abgeschnitten werden (auch die Anzahl der Levels muss dann entsprechend geändert werden). Bei den Wolken verwenden wir ICLD=2, 5 und 18. Beim letzteren Fall (Zirren) lassen wir die Normwerte, d.h. Karte 2A: 0.0000 0.0000 0.00000, bei den beiden andern müssen wir die Höhe CALT (Wolkenbasis über Grund) ändern, Für die beiden Wolkenfälle sieht die Karte 2A mit der Höhe über Boden mit 2.4km, 2.0km und 1.0km (dargestellt im Format F8.3 als h.hhhh)

folgendermassen aus: ICLD=2: 0.000 h.hhhh 0.000-9 -9-9.000-9.000-9.000 0.000 1.000 1.000 ICLD=5: 0.000 h.hhhh 0.000-9 -9-9.000-9.000-9.000 0.000 1.000 1.000 Die Referenz ist jeweils das Modell mit 0K/365ppm bei der entsprechenden Höhe. Da wir uns nun in den Alpen befinden, wenden wir für die verschiedenen Jahreszeiten und Höhen verschiedene Bodenalbedo an, Wir verwenden die in Data/spec_alb.dat verfügbaren Albedo Spezifikationen, die z.t. wesentlich detaillierter sind als die standardmässigen (bitte anschauen, es ist eine ASCII File). Die Wintermodelle haben immer Schnee, 600m, 1600m 55 (old snow) und 2600m 59 (fresh snow), Im Herbst und Sommer verwenden wir für 600m 50 (grassland), für 1600m 41 (evergreen needle forest) und für 2600m 56 (Barren Desert). Für die Sonne soll für Winter, Herbst und Sommer je mit Zenitwinkeln von 60, 45 und 30 Grad gerechnet werden. Die Resultate sollen analog zur Aufgabe 2 dargestellt und diskutiert werden. Ebenso sind weitere Vergleiche der Höhenabhängigkeit interessant. Die Diskussion wird sich vorwiegend um die Höhenabhängigkeit drehen. Da die mit Messinstrumenten gemessen Werte meist das kurz- und langwellige nicht nach Sonne oder IR trennen, sondern bei 2500nm besteht die Möglichkeit aus den spektralen Flüssen diese Aufteilung nachzuvollziehen und dann mit den Resultaten des tp6 zu vergleichen. Weiter soll die Veränderung der Aufheizraten (integriert über die Wellenlängen, ev. aufgeteilt in kurz und langwellig durch Sonne/IR und/oder bei 2400nm) der verschiedenen Wolken (Abb. 6.6) diskutiert werden. Aufgabe 4 Bei dieser Aufgabe geht es um die Höhenabhängigkeit der Globalstrahlung am Boden. Wir rechnen mit den normalen Davosermodellen und wieder für Höhen 600m, 1600m und 2600m, für 0K und +Delta (siehe auch Bemerkung in Aufgabe 3 wegen GRDALT). Zudem rechnen wir für 600m noch mit dem Davosermodellen Su,Fa und Wi cyc. Wir verwenden die in Data/spec_alb.dat verfügbaren Albedo Spezifikationen, die z.t. wesentlich detaillierter sind als die standardmässigen (bitte die ASCII File anschauen). Die Wintermodelle haben immer Schnee, 600m, 1600m 55 (old snow) und 2600m 59 (fresh snow), Im Herbst und Sommer verwenden wir für 600m 50 (grassland), für 1600m 41 (evergreen needle forest) und für 2600m 56 (Barren Desert). Weiter soll der Einfluss von Zirren mit ICLD=0, 18 (wie in Aufgabe 3 Karte 2A beachten) und Vulkanaerosolen mit IVULCN =1 und 8. Die tropsphärischen Aerosole bleiben gleich mit IHAZE=1 für 1600, 2600m und für das 600m soll IHAZE=2 sein (weniger Sichtweite). Für die Sonne soll für Winter, Herbst und Sommer je mit Zenitwinkeln von 60, 45 und 30 Grad gerechnet werden. Als Resultate sind die Spekralverteilung der Flüsse am Boden (diffus and direkt) und ihre Aenderung unter den verschiedenen Bedingungen darzustellen und zu diskutieren. Zudem soll noch die Veränderung der Aufwärmrate im atmosphärischen Fenster (2.5-5.1 ìm) bei Aenderung des Ozongehaltes (Modelle mit und ohne cyc) für 600m Höhe dargestellt und diskutiert werden. Weiter soll auch der Einfluss von Ozon auf den Treihauseffekt diskutiert werden. Aufgabe 5 Bei dieser Aufgabe geht es auch um die Höhenabhängigkeit der Erythem gewichteten UV-Strahlung am Boden (Spektralbereich: 250-400nm, Filterfile: Erythemkurve.flt, Auflösung 1nm, d.h. mit FLAGS=NTAA T und FMHW=1) und zwar die auffallende wie auch die reflektierte Strahlung auf eine Horizotalfläche. Wir rechnen mit den Davosermodellen (normal und _cyc) und wieder für Höhen 600m, 1600m und 2600m, für 0K und +Delta (siehe auch Bemerkung in Aufgabe 3 wegen GRDALT). Wir verwenden die in Data/spec_alb.dat verfügbaren Albedo Spezifikationen, die z.t. wesentlich detaillierter sind als die standardmässigen (bitte die ASCII File anschauen). Die Wintermodelle haben immer Schnee, 600m, 1600m 55 (old snow) und 2600m 59 (fresh snow), Im Herbst und Sommer verwenden wir für 600m 50 (grassland), für 1600m 41 (evergreen needle forest) und für 2600m 56 (Barren Desert). Zudem wollen wir den Einfluss der Sonnenaktivität bestimmen: Das heisst, wir rechnen mit zwei verschiedenen spektralen Verteilungen (Lean Max/Min Spectren: SUN01LEAN2002.dat und SUN01LEAN2008.dat) entsprechend der Spektralverteilung bei Minimum der Sonnenaktivität. Zusammen mit SUN01LEAN2002.dat verwenden wir die Modelle mit dem Suffux cyc, um die entsprechend beobachtete O 3 Veränderung einzubeziehen. Weiter soll der Einfluss von Zirren mit ICLD=0, 18 (wie in Aufgabe 3 Karte 2A beachten) und Vulkanaerosolen mit IVULCN =1 und 8. Die tropsphärischen Aerosole bleiben gleich mit IHAZE=1 für 1600, 2600m und für das 600m soll IHAZE=2 sein (weniger Sichtweite). Für die Sonne soll für Winter, Herbst und Sommer je mit Zenitwinkeln von 60, 45 und 30 Grad gerechnet werden. Als Resultate sind die UV Spekralverteilung der Flüsse am Boden (diffuse and direkt) und ihre Aenderung unter den verschiedenen Bedingungen (2002 und 2008 Spektren, Höhe).

Sollten noch Fragen auftauchen, bitte bei mir melden: cfrohlich@pmodwrc.ch oder claus.fr@bluewin.ch, oder auch telephonisch +41 81 417 51 36. Davos Wolfgang, 2. Februar 2012 Claus Fröhlich