Ozonsimulationen mit ICON für die Verbesserung von UV-Vorhersagen

Ozon (O₃) in der Stratosphäre absorbiert die biologisch schädliche ultraviolette Strahlung der Sonne (den größten Teil der UV-B-Strahlung) und verhindert, dass sie die Erdoberfläche erreicht. Die energiereiche UV-Strahlung kann das genetische Material in den Zellen von Pflanzen und Tieren, sowie von Menschen zerstören. Ohne die stratosphärische Ozonschicht wäre das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, nicht möglich.

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt UV-Indexkarten zur Verfügung, um die Bevölkerung bezgl. hoher UV-Belastungen zu informieren und zu warnen [1]. Dazu werden Daten aus dem golobalen Vorhersagemodell ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic model) [2], externe Ozondaten und ein eigenes UV-Modell verwendet, um eine Vorhersage des UV-Index zu erstellen, der z.B. auf der DWD-Webseite als Vorhersage visualisiert wird.

In diesem Projekt wird in Zusammenarbeit mit dem DWD ein selbstkonsistentes System entwickelt, um UV-Indexkarten vollständig mittels ICON zu generieren. Zu diesem Zweck wird ein linearisiertes Ozonschema (LINOZ) [3] für tägliche Ozonvorhersagen optimiert. Dies geschieht als Erweiterung der ICON-ART Struktur [4] [5] (ART: Aerosols and Reactive Trace gases). Für die Berechnung von UV-Strahlungsflüssen und -indizes wurde ein Strahlungstransportmodell für Sonnenstrahlung (Cloud-J) [6] implementiert und angepasst. Da das gesamte System als effiziente Lösung für UV-Indexvorhersagen dem DWD zur Verfügung gestellt werden soll, wird besonders Wert auf eine umfassende Funktionalität bei sehr geringem Rechenaufwand gelegt. Ein wichtiger Teil der Arbeit ist daher auch die Validierung und Optimierung der Verfahren und Abläufe, um zuverlässige und qualitativ hochwertige Vorhersagen zu erstellen.

Wir präsentieren erste Ergebnisse des von ICON-ART modellierten UV-Strahlungsflusses durch die Atmosphäre auf globaler Skala und über ausgewählten Gebieten, dessen tageszeitliche Variation, sowie den Einfluss von Wolken auf die UV-Intensität.

Anmerkung:

Dieses Projekt wird durch den Deutschen Wetterdienst im Rahmen der Extramuralen Forschung mit folgender Nummer gefördert: 4819EMF03.

Referenzen:

[1]  https://kunden.dwd.de/uvi/index.jsp

[2]   Zängl, G., et al., The ICON (ICOsahedral Non-hydrostatic) modelling framework of DWD MPI-M: Description of the non-hydrostatic dynamical core. Q.J.R. Meteorol. Soc., 141(687), 563-579 (2014)

[3]   McLinden, C. A., et al., Stratospheric ozone in 3-D models: A simple chemistry and the cross-tropopause flux, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 105(D11), 14653-14665 (2000)

[4]  Rieger, D., et al., ICON-ART - A new online-coupled model system from the global to regional scale, Geosci. Model Dev., 8(6), 1659-1676 (2015)

[5]  Schröter, et al., ICON-ART 2.1: a flexible tracer framework and its application for composition studies in numerical weather forecasting and climate simulations. Geosci. Model Dev., 11(10), 4043-4068 (2018)

[6]  Prather, M.J., Photolysis rates in correlated overlapping cloud fields: Cloud-J 7.3c. Geosci. Model Dev., 8(8), 2587-2595 (2015)