Optische Eigenschaften und Strahlungswechselwirkung von Aerosol unter wolkenfreien Bedingungen über Deutschland

Der Strahlungseffekt aus Aerosol-Strahlungs-Wechselwirkung beeinflusst den Energiehaushalt am Erdboden und ist daher von Bedeutung für unser Verständnis des Klimasystems und von großem Interesse für den Bereich der erneuerbaren Energien. In dieser Studie wird der Strahlungseffekt unter wolkenfreien Bedingungen insbesondere im Hinblick auf saisonale und regionale Variationen für die Region Deutschland und das Jahr 2015 an der Erdoberfläche sowie im oberen Bereich der Atmosphäre mit zwei komplementären Ansätzen untersucht.

Zum einen wird ein Ensemble von empirischen Modellen, die Aerosole explizit berücksichtigen, verwendet, um die optische Tiefe und die direkte Strahlungswirkung von Aerosol am Boden mithilfe einer Fehlerminimierung zu ermitteln. Hierbei werden Messungen der solaren Einstrahlung an 25 Stationen des Beobachtungsnetzes des Deutschen Wetterdienstes (DWD) als Datengrundlage verwendet. Unter Anwendung eines Erkennungsalgorithmus werden dabei wolkenlose Situationen identifiziert. Die verwendeten empirischen Modelle sind MMAC, MRM v6.1, METSTAT, ESRA, Heliosat-1, CEM und das vereinfachte Solis-Modell. Die zugrundeliegenden Annahmen über Aerosol- und atmosphärische Eigenschaften in diesen Modellen werden kritisch analysiert und diskutiert.

Im zweiten Ansatz werden explizite Strahlungstransfersimulationen des Strahlungseffekts unter Verwendung der CAMS-Reanalyse genutzt. Die optischen Eigenschaften des Aerosols, welche als Eingangsgrößen aus der CAMS-Reanalyse bezogen werden (Optische Tiefe des Aerosols, Angström Exponent, Einzelstreualbedo und Asymmetrieparameter), werden zunächst mit den direkten Sonnen- und Inversionsprodukten von AERONET bewertet. Die größte Inkonsistenz wurde bei der Aerosol-Absorption festgestellt, die von der CAMS-Reanalyse um etwa 30 % überschätzt wird. Weiterhin wird die Sensitivität der Simulationen auf Unsicherheiten in den Eingangsgrößen untersucht, und damit die resultierende Unsicherheit im Strahlungseffekt abgeschätzt. Die Unsicherheit wird auf -1,5±7,7 Wm^-2 am Boden und auf 0,6±3,5 Wm^-2 am Oberrand der Atmosphäre geschätzt. Nach Korrektur von systematischen Abweichungen in der CAMS-Reanalyse hat Aerosol im Jahre 2015 einen mittleren abkühlenden Strahlungseffekt von -10,6 Wm^-2 am Boden und -6,5 Wm^-2 am Oberrand der Atmosphäre. Es resultiert ein wärmender Strahlungseffekt von 4,1 Wm^-2 der kompletten Atmosphäre.

Die Ermittlung des Aerosol-Strahlungseffekts mit empirischen Modellen zeigt ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den Strahlungstransfersimulationen. Der Jahreszyklus kann allerdings, durch die festen Aerosol-Charakterisierung in den Modellen, nicht reproduziert werden. Von der Auswahl der vorgestellten empirischen Modelle zeigen die Modelle ESRA und MRM v6.1 die größte Übereinstimmung.