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Photon pathlengths distributions for cloudy skies : Oxygen A-band measurements and radiative transfer model calculations

Funk, Oliver

German Title: Photonen-Weglängenverteilungen bei bewölktem Himmel : Sauerstoff-A-Banden-Messungen und Modellrechnungen zum Strahlungstransport

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Abstract

Der kurzwellige Strahlungstransport in der Atmosphäre stellt eine der bedeutenden Unsicherheiten in den gegenwärtigen Klimamodellen dar. Diese Unsicherheiten werden zum Teil einer vereinfachten Beschreibung von Wolkeninhomogenitäten zugeschrieben. Thema dieser Arbeit ist die Untersuchung des Strahlungstransports durch Betrachtung der Weglängenverteilung solarer Photonen, einer Observablen die direkt mit der atmosphärischen Absorption verknüpft ist. Dazu wurde eine verbesserte Methode zur Bestimmung der Weglängenverteilung mittels hochauflösender Spektroskopie der Sauerstoff A-Bande entwickelt. Die Methode wird durch Simulationen mit einem Monte Carlo Modell (MC), welches speziell zur Berechnung von Weglängenverteilungen entwickelt wurde, validiert. Diese Simulationen schließen ein Modell für anomale Diffusion, beschrieben durch Levy Flüge ein. Zudem wird eine Methode präsentiert, die effektive optische Dicke von Wolkenschichten durch Angleichung der gemessenen differentiellen Transmissionen mit einem Diskrete-Ordinate Strahlungstransportmodell zu bestimmen. Diese Methoden werden auf Messungen angewandt, die während der CLARE Kampagne 1998 durchgeführt wurden. Die Ergebnisse für einige exemplarische Fälle werden vorgestellt. Die vertikale Wolkenstruktur, gemessen mit einem Wolkenradar, wird zur Initialisierung der Strahlungstransportrechnungen (MC und Diskrete-Ordinate) für einen Vergleich der Weglängenverteilungen, verwendet. Für horizontal homogene Wolken ergibt sich eine gute Übereinstimmung. Die abgeleiteten optischen Dicken der Wolken sind in guter Übereinstimmung mit dem gemessen Flüssigwassergehalt. Die Ergebnisse dieser Arbeit unterstreichen, dass die Weglängenverteilung eine Observable darstellt, die gut zur Überprüfung von Strahlungstransportmodellen geeignet ist.

Translation of abstract (English)

The short wave radiative transfer (RT) represents a major uncertainty in current climate models. These uncertainties are suppose to be partly caused by simplifications in the treatment of cloud inhomogeneities and the cloud morphology. The subject of this thesis is the study of radiative transfer by inspection of the pathlengths distribution of of the solar photons, an observable that is directly related to the atmospheric absorption. A refined method for the retrieval of the pathlengths distribution by high resolution spectroscopy of the oxygen A-band is developed. The method is validated by simulations with a Monte Carlo (RT) model, developed specifically for the calculation of pathlengths distributions. These simulations include a model for anomalous diffusion, described by Levy flights. Additionally a new method to measure the effective optical thickness of cloud layers is presented, based on fitting the measured differential transmissions with a discrete ordinate RT model, is presented. These methods are applied to measurements, conducted during the CLARE field campaign, 1998. Results for some exemplary cases are presented. The vertical cloud structure, measured with a cloud radar, is used to initialize the RT calculations (MC and discrete ordinate) for a comparison with the measured pathlengths distributions. For horizontally homogeneous cases a good agreement is found. The retrieved cloud optical thicknesses are in agreement with liquid water path measurements. This study approved, that the photon pathlengths distribution is an observable, well suited for the validation of RT models.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Platt, Prof. Ulrich,
Date of thesis defense: 29. November 2000
Date Deposited: 28. Dec 2000 00:00
Date: 2000
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlungstransport, Wolke
Uncontrolled Keywords: A-band, Pathlengths, Clouds, radiative transfer
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