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Modellierung des indirekten Strahlungseffekts des Hintergrundaerosols in Österreich

Neubauer, David (2009) Modellierung des indirekten Strahlungseffekts des Hintergrundaerosols in Österreich.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Hitzenberger, Regina

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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29484.99404.504754-0
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Abstract in German

Aerosolpartikel und Treibhausgase sind die beiden wichtigsten Faktoren die zum anthropogenen Klimawandel beitragen. In dieser Arbeit wird der indirekte Aerosoleffekt simuliert. Die Effekte von schwarzem Kohlenstoff werden untersucht. Üblicherweise verwenden Modelle Aerosol- und Wolkendaten die unabhängig voneinander gemessen wurden. Das Modell, das in dieser Arbeit entwickelt wurde verwendet simultan gemessene Werte für das Aerosol und die daraus hervorgehende Wolke. Die Aerosol- und Wolkendaten die im Modell verwendet werden, wurden im Rahmen des FWF Projekt P 131 43-CHE im Jahr 2000 in einer Messkampagne auf einem Berg in der Nähe von Wien (Rax, 1680 m ü.d.M.) gewonnen. Das Simulationsmodell besteht aus zwei Teilen, einem Wolkentröpfchenwachstumsmodell und einem Strahlungsmodell. Das Wachstumsmodell für die Wolkentröpfchen berechnet die Wolkentröpfchengrößenverteilung für gemessene Aerosolpartikelgrößenverteilungen. Der gemessene Flüssigwassergehalt der realen Wolken gibt vor welche der berechneten Wolkentröpfchengrößenverteilungen für die weiteren Rechnungen verwendet werden. Das Strahlungsmodell berechnet dann den Strahlungsantrieb für diese Wolkentröpfchengrößenverteilungen. Das Wolkenmodell ist ein Wolkenpaketmodell, das ein aufsteigendes Luftpaket beschreibt welches die Wolkentröpfchen enthält. Turbulente Diffusion (die wichtig für stratiforme Wolken ist) ist durch einen einfachen Ansatz realisiert. Das Modell beinhaltet Nukleation, Kondensation, Koagulation und Strahlungseinflüsse. Durch die Erwärmung/Abkühlung der Tröpfchen durch Strahlung kann sich die Temperatur und die kritische Übersättigung der Tröpfchen ändern. Für die Strahlungstransferrechnungen wurde das frei erhältliche Strahlungstransferprogramm ‚Streamer’ für diese Arbeit angepasst. ‚Streamer’ berücksichtigt die Streuung und Absorption durch atmosphärische Gase und Aerosolpartikel im ganzen Spektralbereich. Für die Albedo der Erdoberfläche gibt es vordefinierte Typen oder die Albedo kann angegeben werden. Die Strahlungseigenschaften der Wolken hängen von den Einzelstreuparametern der Wolkentröpfchen ab, die wiederum von der chemischen Zusammensetzung der Wolkentröpfchen abhängt. In dieser Arbeit wird angenommen, dass die Wolkentröpfchen aus Wasser und schwarzem Kohlenstoff bestehen. Verschiedene Mischungsarten für schwarzen Kohlenstoff in den Wolkentröpfchen werden für die Berechnungen verwendet. Die Absorption von Sonnenstrahlung kann sich stark erhöhen wenn schwarzer Kohlenstoff in den Tröpfchen ist.\\ Die Sensitivitätsanalyse hat ergeben, dass der Strahlungsantrieb des indirekten Effekts stark von der geometrischen Wolkendicke, der Kurzwellen-Albedo der Erdoberfläche und der Auftriebsgeschwindigkeit des Wolkenpakets abhängt. Für eine Wolkendicke von 100 m, eine Auftriebsgeschwindigkeit von 0,35 m/s und eine Kurzwellen-Albedo von 0,35 (Eis) beträgt der Strahlungsantrieb -0,57 W/m², für eine Kurzwellen-Albedo von 0,0 (frischer Schnee) beträgt er -0,15 W/m² im Mittel für die gesamte Dauer der Messkampagne. Der schwarze Kohlenstoff bewirkt einen positiven Strahlungsantrieb von 0,02 W/m².

Schlagwörter in Deutsch

indirekter Aerosoleffekt / Wolkensimulation / Wolkenmodellierung / schwarzer Kohlenstoff / kohlenstoffhältiges Aerosol / Aersosol-Klima Interaktion

Abstract in English

Aerosols and greenhouse gases are the two most important contributors to the anthropogenic climate change. The indirect aerosol effect is simulated in this study. The effects of black carbon are investigated. Usually, models use measured aerosol data as input, and their predictions are compared to cloud parameters measured independently from the aerosol measurements. The model developed in this study uses simultaneously measured values for the aerosol and the subsequent cloud. This way, more realistic predictions for the indirect aerosol effect can be expected. The model uses data from an earlier intensive measurement campaign at an Austrian background site. The aerosol and cloud data are taken from the FWF project P 131 43 – CHE and had been collected in 2000 at a measurement site on a mountain in the proximity of Vienna (Rax, 1680 m a.s.l.). The simulation model consists of two parts, a cloud droplet growth model and a radiative model. The growth model for cloud droplets computes the cloud droplet distribution originating from a measured aerosol distribution. The calculated cloud droplet size distributions that are used for further calculations are selected according to the measured liquid water content of the real-world cloud. The radiative model then computes the radiative forcing using the calculated cloud droplet size distribution. The cloud model is a cloud parcel model which describes an ascending air parcel containing the droplets. Turbulent diffusion (important for stratiform clouds) is realized through a simple approach. The model includes nucleation, condensation, coagulation and radiative effects. Because of radiative heating/cooling of the cloud droplets the temperature and the critical super-saturation of the droplets can change. For radiative transfer calculations, the radiative transfer code of the public domain program ‘Streamer’ was adapted for this study. ‘Streamer’ accounts for scattering and absorption of radiation in the whole spectral region by gases and particles. Built-in types of surface albedo as well as other values can be chosen. The radiative properties of the cloud depend on the single scattering properties of the cloud droplets, which in turn depend on the composition of the cloud droplets. In this study the cloud droplets are assumed to consist of water and black carbon. Different mixing types of black carbon in the cloud droplets are used for the calculations. The absorption of solar radiation of a cloud droplet can be significantly increased by black carbon. Sensitivity analysis showed that the radiative forcing due to the indirect effect depends strongly on the geometrical cloud thickness, shortwave surface albedo and on the rate of ascent. For 100 m cloud thickness, 0.35 m/s rate of ascent and a shortwave surface albedo of 0.35 (ice) the radiative forcing is -0.57 W/m² and -0.15 W/m² for a shortwave surface albedo of 0.9 (fresh snow), on average for the whole measurement campaign. Black carbon causes a positive forcing of 0.02 W/m².

Schlagwörter in Englisch

indirect aerosol effect / cloud simulation / cloud modelling / black carbon / carbonaceous aerosol / aerosol-climate interactions

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Neubauer, David
Title: Modellierung des indirekten Strahlungseffekts des Hintergrundaerosols in Österreich
Umfangsangabe: 245 S. : graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2009
Language: ger ... Deutsch
Supervisor: Hitzenberger, Regina
Assessor: Feichter, Johann
2. Assessor: Szymanski, Wladyslaw
Classification: 33 Physik > 33.00 Physik: Allgemeines
43 Umweltforschung, Umweltschutz > 43.47 Globale Umweltprobleme
AC Number: AC08155450
Item ID: 8313
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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