Der Einfluss von Wolken auf den Strahlungsantrieb der Erde

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den quantitativen Abschätzungen der Strahlungsbilanzen und der Effekte von Wolken auf den Strahlungshaushalt der Erde. Die Untersuchungen wurden am Boden, am Oberrand der Atmosphäre und für die Atmosphärensäule durchgeführt. Zusätzlich wurden bodennahe Strahlungsflüsse vom Einfachsäulenmodell ECHAM5 simuliert. Die Datengrundlage bilden radiometrische Messungen während fünf transatlantischer Fahrten auf dem Forschungseisbrecher POLARSTERN und der korrespondierenden Satellitenfernerkundung durch MSG. Zur optischen Beobachtung des bewölkten Himmels wurde eine seefeste automatische Wolkenkamera entwickelt, aus deren Wolkenfotos die Bedeckungsgrade und Wolkentypen berechnet werden. Die atmosphärischen Temperatur- und Feuchteprofile sowie der Flüssigwasserpfad wurden mittels Mikrowellenradiometer hochfrequent gemessen. Das Nettobudget am Boden wird von der solaren Komponente dominiert und beträgt im Mittel 144 W/m², wobei Cirren im solaren Spektralbereich eine geringe und Stratus eine hohe Extinktion hervorrufen. Am Oberrand der Atmosphäre überwiegt in tropischen Tagessummen der Strahlungsflüsse meist die solare Komponente. Hier ergibt sich eine Nettobilanz von 37 W/m². Die Atmosphärensäule verliert ständig thermische Energie und besitzt eine nur geringe Absorption von solarer Strahlung. Das atmosphärische Nettobudget beträgt -100 W/m². Am Boden haben die tiefsten Wolken im langwelligen Spektralbereich den größten positiven Wolken-Strahlungs-Effekt. Im Solaren verursachen Wolken mit sehr hohen optischen Dicken bei hohem Sonnenstand stark negative Effekte. Der mittlere Nettoeffekt liegt am Boden bei -34 W/m². Zur Berechnung des Wolken-Strahlungs-Effektes am Boden konnte eine neue Parametrisierung eingeführt werden, die auf dem Wolkenbedeckungsgrad und dem Sonnenzenitwinkel basiert. Am Oberrand der Atmosphäre werden Strahlungsflüsse für wolkenfreie Bedingungen teilweise ungenau approximiert. Der mittlere Nettoeffekt beträgt -3 W/m². Cirren haben hier einen geringen solaren sowie einen starken langwelligen Effekt und wirken als einziger Wolkentyp erwärmend auf das Klima der Erde. In der Atmosphärensäule sind die langwelligen Wolken-Strahlungs-Effekte von optisch dichten und tiefen Wolken stark negativ. Mittlere solare Effekte aller Wolkentypen sind positiv. Der Nettoeffekt liegt bei -4 W/m². Die solaren Wolken-Strahlungs-Effekte am Boden auf Basis von ECHAM5-Simulationen zeigen eine um etwa 20 W/m² stärkere Abschattung als in Messungen. Die langwelligen Mittel unterscheiden sich kaum. Unter Anwesenheit von Cirrus und Stratus arbeitet die Modellphysik mit der einzelnen planparallelen Wolkenschicht relativ genau; hier liegen die modellierten Effekte bei denen der Messungen. Konvektive Wolken, vor allem Stratocumului, werden in ihren mittleren solaren Effekten am Boden um bis zu 120 W/m² überschätzt.