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3.2.3 Lösung der Strahlungstransportgleichung

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In der STG (Gl. 3.11) wird ein Ort in einer gegebenen Atmosphäre nur durch seine optische Dicke, d.h. eine Information bezüglich der Höhe definiert. Das bedeutet, dass keine horizontalen Unterschiede der Atmosphäreneigenschaften berücksichtigt werden. Die Atmosphäre wird als horizontal homogen angesehen und damit als „eindimensional“ (1D) angenommen. Diese Annahme ermöglicht, die Quellterme relativ einfach zu bestimmen, da die umgebenden Volumina in einer Schicht die gleichen Strahlungseigenschaften aufweisen wie das Volumen selbst, dessen Strahlung berechnet wird. In der Satellitenmeteorologie wird ganz überwiegend mit solchen eindimensionalen Modellen gearbeitet, begründet durch die relativ geringe von diesen Modellen benötigte Rechenzeit. Die heute üblichen 1D-Strahlungstransportmodelle berücksichtigen Mehrfachstreuung ebenso wie anisotrope Reflexion am Boden. Trotzdem liegen ihre Rechenzeiten für die Lösung der STG im Bereich von nur Sekunden.

Für die Verwendung eindimensionaler Modelle spricht auch, dass die Annahme einer variablen dreidimensionalen Verteilung der Atmosphärenparameter im Bildpunkt zu so vielen zusätzlichen Freiheitsgraden führen würde, dass eine Invertierung des Signals praktisch unmöglich wird. Weiter gilt, dass die Annahme von horizontaler Homogenität für sehr viele meteorologische Anwendungen gerechtfertigt ist, da die Variation der Atmosphäreneigenschaften horizontal ganz entscheidend kleiner ist als vertikal. Nicht gültig ist sie natürlich bei durchbrochener Bewölkung. Wolken können deshalb in 1D- Strahlungsübertragungsmodellen nur als Schichtwolken behandelt werden, wobei Höhe, Erstreckung und Tropfeneigenschaften dieser Wolken jedoch wieder detailliert und mit höhenabhängigen Werten berücksichtigt werden können. Ein hochwertiges und gut nutzbares 1D-Strahlungsübertragungsmodell ist DISORT, das z. B. im Rahmen des libRadtran Software Packages (Mayer and Kylling, 2005; www.libradtran.org) frei verfügbar ist.

Sehr viel rechenaufwendiger sind dreidimensionale Modelle (3D), die es ermöglichen, den Strahlungstransport in einer Atmosphäre mit horizontal variablen Eigenschaften zu berechnen. Hierzu müssen dann die Eigenschaften der Atmosphärenparameter und des Bodens auch in drei Dimensionen angegeben werden – eine Information die für aktuelle Situationen im Allgemeinen nicht verfügbar ist. 3D-Modelle kommen in der Satellitenmeteorologie deshalb in erster Linie im Rahmen von Sensitivitätsstudien zum Einsatz, um die Grenzen und Unsicherheiten der eindimensionalen Modelle zu ermitteln. Auch für 3D-Modellierung stehen gute numerische Rechenmethoden zur Verfügung, wie das Program MYSTIC ( Mayer, 2009).

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