Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät

Institut für Atmosphärenphysik

Fachgebiet: Atmosphärenphysik

Betreuer: Prof. Dr. Erich Becker



Rahel Knöpfel
(e-mail: knoepfel@iap-kborn.de )

An Idealized Radiative Transfer Scheme for Use in an Atmospheric General Circulation Model From the Surface up to the Mesopause Region

The main purpose of this work is to develop a new continuous radiation scheme of medium complexity for use in atmospheric general circulation models. In addition the primitive equations and the radiative transfer equation, which are solved by such models, are derived in a unified manner from statistical mechanics and therewith put into a broader theoretical and conceptual framework. The radiation parameterization consists of each one set of idealized transfer equations for the long-wave and short-wave regime. These transfer equations extend continuously from the surface up to the lower thermosphere, including deviations from the gray limit and local thermodynamic equilibrium in the long-wave regime, as well as the complete surface energy budget. The strategy is to account for the fundamental differences between the troposphere and middle atmosphere with regard to the radiative transfer problem in a general and straight-forward fashion, i.e., by one set of transfer equations that holds for the entire altitude range. This new approach avoids the calculation of complicated transmission functions and allows to obtain radiative fluxes and heating rates at the same high numerical resolution that is applied for the dynamics of the model. Applying the new radiation scheme in a mechanistic general circulation model together with prescribed concentrations of the radiatively active constituents shows quite reasonable results. The north-south asymmetry in planetary wave sources is found to be a plausible explanation for the pronounced annual cycle of the radiation budget at the top of the atmosphere that is seen in the model. In the vicinity of the summer mesopause, doubling the CO2 amount leads to an upward shift of the residual circulation which counteracts the raditively induced positive temperature change.

Hauptziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer neuen Strahlungsparametrisierung mittlerer komplexität für die Anwendung in globalen atmosphärischen Zirkulationsmodellen. Um den Gültigkeitsbereich solcher Modelle aufzuzeigen, wurden die hydrodynamischen Gleichungen sowie die Strahlungstransfergleichung aus der statistischen Physik hergeleitet und in einem allgemeineren theoretischen Zusammenhang betrachtet. Die neue Strahlungsparametrisierung setzt sich zusammen aus jeweils einem System von Transfergleichungen für den langwelligen und den kurzwelligen Frequenzbereich. Für die langwellige Strahlung werden Abweichungen vom lokalen thermodynamischen Gleichgewicht und vom grauen Grenzfall allgemein berücksichtigt und die Bodenenergiebilanz wird mit berechnet. Das neue Konzept der Strahlungsparametrisierung ist, mit nur einem einzigen Satz von Transfergleichungen, der für den gesamten Höhenbereich gültig ist, die grundsätzlich unterschiedlichen physikalischen Prozesse und Bedingungen in der Troposphäre und der mittleren Atmosphäre zu beschreiben. So kann auf die sonst übliche Auswertung von komplizierten Transmissionsfunktionen verzichtet werden und die Strahlungsflüsse und Heizraten können mit derselben hohen numerischen Auflösung, die für die Dynamik verwendet wird, berechnet werden. Erste Anwendungen der neuen Strahlungsparametrisierung in einem mechanistischen Modell mit vorgeschriebenen Absorber -Konzentrationen zeigen vielversprechende Resultate. Der aus ersten Simulationen erhaltene Jahresgange der Energiebilanz an der Atmosphärenobergrenze kann mit der Nord-Südasymmetrie der planetaren Wellen in der Troposphäre erklärt werden. Bei einer Verdoppelung des CO2-Gehaltes verschiebt sich die residuelle Zirkulation im Bereich der Sommermesopause nach oben und wirkt damit der positiven strahlungsbedingten Temperaturänderung entgegen.