Bachelorarbeit

am Institut für Meteorologie

der Universität Leipzig

über das Thema

Analyse von Trends solarer Strahlung über

Osteuropa vor und nach den 1980'er Jahren

in Abhängigkeit von Atmosphärendynamik

vorgelegt von

Christian Markwitz

Matrikelnummer: 2502100

Betreuer: Prof. Dr. Johannes Quaas

Zweitgutachter: Dr. Marc Salzmann

16. Juli 2013

Zusammenfassung

Aufgrund der zunächst zunehmenden und später abnehmenden Aerosolemissionen vor

und nach den 1980'er Jahren, speziell über Osteuropa, wurde erst ein abnehmender und

folgend ein zunehmender Trend der Globalstrahlung beobachtet. Diese Trends sind ein-

deutig für Strahlungsmessungen bei unbewölktem Himmel. Für Fälle gesamten Him-

mels (sowohl bewölkter, als auch unbewölkter Himmel) sind diese Trends ebenfalls zu

erkennen. Dennoch sind sie auf Grund der starken natürlichen Variabilität von Wolken

kritischer zu betrachten. Denn Wolken nehmen sehr unterschiedliche Formen an und

be�nden sich in allen Höhen der Troposphäre. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, wurde

in ab- und aufwärtsgerichtete Vertikalbewegung unterschieden. Es wurden Modelldaten

der Globalstrahlung bei unbewölktem und gesamtem Himmel aus dem CMIP5 - Projekt

(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) genutzt. Zur Unterteilung in unter-

schiedliche Vertikalbewegungen wurden Vertikalwinddaten in 500 hPa ebenfalls aus dem

CMIP5 Modellvergleichsprojekt als Unterscheidungsmerkmal genommen. Um die An-

wendbarkeit der Modellergebnisse zu überprüfen, wurden Messdaten der GEBA (global

energy balance archive) Globalstrahlung mit Hilfe von Vertikalwinddaten aus dem ERA

- Interim Reanalysenprojekt in gleiche Bedingungen unterteilt.

Aus der Unterteilung resultiert eine Steigerung der Verdunklungstrends insbesondere

bei gesamtem Himmel und aufwärtsgerichteter Bewegung von drei der vier betrachteten

Modelle. Der Ein�uss indirekter Aerosole�ekte kommt zum Tragen.

In der Aufhellungsphase wird für den unbewölkten Fall bei abwärtsgerichteten Bedin-

gungen ein geringerer allgemeiner Anstieg der Globalstrahlung erzielt, ebenfalls für die

gleichen drei Modelle. Der Ein�uss direkter Aerosole�ekte ist am gröÿten.

Abstract

Over Eastern Europe the aerosol emissions show clear signals. First an increasing and

then a decreasing trend before and after the 1980's. Consequently the down welling solar

radiation at surface decreases from 1960 until 1980 and increases from 1990 until 2005.

These trends are quite clear for radiation measurements under clear sky conditions. For

cloudy conditions the trends are also observed, but to a smaller degree, in result of the

natural variability of clouds. Clouds show di�erent properties and are at all regions of

the troposphere. To obtain clear and reliable results, the subject was to select the solar

radiation at surface in cases with down- and upward motion. In principle down welling

solar radiation (all- and clear - sky conditions) data from the CMIP5 project (Coupled

Model Intercomparison Project Phase 5) is used in the present study. For the selection

into di�erent vertical motions vertical velocity data at 500 hPa from the CMIP5 project

is used. To �nd out the correctness of the model results, the comparison with observations

is quite useful. Therefore global radiation data from the global energy balance archive

(GEBA) and vertical velocity data at 500 hPa from the ERA - Interim reanalysis project

is used. The selection showed, that the trends are better, both for the dimming and the

brightening period. The reduction in the dimming period is quite stronger for three of

the the four models at all - sky conditions with upward motion. The in�uence of indirect

aerosol e�ects is possible. Interestingly the clear - sky case in the brightening period

shows the best results. For downward motion it shows lower increasing trends for the

same three models, as without any selection. The in�uence of direct aerosol e�ects seems

to be bigger in the models.

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 1

2. Theoretische Grundlagen 5

2.1. Aerosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. Aerosol Optische Dicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3. Verdunklung und Aufhellung der Globalstrahlung . . . . . . . . . . . . . 7

2.4. Vertikalbewegung in der Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4.1. Kinematische Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.4.2. Vertikalbewegung und Aerosol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Geographische Einordnung 17

4. Modelle und benutzte Daten 18

4.1. CMIP5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2. ERA - Interim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

4.3. Global Energy Balance Archive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5. Datenanalyse 23

6. Ergebnisse 25

6.1. Unbewölkter Himmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.2. Gesamter Himmel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

6.3. Modelle und Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

v

7. Diskussion 42

8. Ausblick 44

9. Literaturverzeichnis 45

10.Abbildungsverzeichnis 50

A. Anhang 52

vi

1. Einleitung

Die zum Erdboden gelangende solare Strahlung ist der wichtigste Antrieb für die Exis-

tenz von Leben auf der Erde und für das Vorhandensein von klimatischen Bedingungen.

Die den Erdboden erreichende solare Strahlung stellt die wichtigste Komponente des

Energiehaushaltes der Erde dar. Durch sie werden auf der Erde ablaufende Prozesse,

wie Evaporation und dem damit verbundenen Wasserkreislauf, dem P�anzenwachstum,

der Photosynthese und die Regelung der bodennahen Lufttemperatur erst in Gang ge-

setzt. Auch aus wirtschaftlicher Sicht ist die solare Strahlung von groÿer Bedeutung,

einmal für die Umstellung der Energiegewinnung auf erneuerbare Energien, oder für

die landwirtschaftliche Produktion. Gravierender sind die Folgen für die Menschen, die

Umwelt und die Wirtschaft, wenn die solare Strahlung über einen längeren Zeitraum

Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen können auf natürlichen Veränderungen,

die die Erdatmosphäre betre�en, basieren wie zum Beispiel auf Vulkanausbrüchen oder

auf Veränderungen der die Erde umgebenden Planeten [Wild, 2009] und Sterne. Ins-

besondere die Folgen des regelmäÿig auftretenden 11 Jahres Sonnen�eckenzyklus, der

eine Schwankung von ± 1 W m−2 [Wild, 2009] erzeugt. Allerdings gibt es Hinweise

darauf, dass die solare Strahlung durch die Verschmutzung der Atmosphäre aufgrund

menschlicher Aktivitäten ebenfalls beein�usst wird. Die den Erdboden erreichende sola-

re Strahlung setzt sich aus einem direkten und einem di�usen (durch Streuprozesse an

Wolkentropfen und Aerosolpartikeln) Anteil zusammen. Die Summe beider Anteile wird

als Globalstrahlung bezeichnet. Die Schwankungen der Globalstrahlung resultierend aus

menschlichen Aktivitäten stellen den Hauptschwerpunkt in der vorliegenden Arbeit dar.

In den zurückliegenden Dekaden unterlag die Globalstrahlung über Land�ächen syste-

1

matischen Schwankungen. Durch Messungen und Modellrechnungen wurden diese mehr-

fach bestätigt. Vor den 1990'er Jahren wurde über Europa ein Negativtrend (bezeich-

net als �global dimming� [Wild, 2009], [Norris und Wild, 2007], im Folgenden immer

Verdunklung) und danach ein starker Positivtrend (bezeichnet als �global brightening�

[Wild, 2009], [Norris und Wild, 2007], im Folgenden immer Aufhellung) beobachtet.

In Abildung 1.1 sind Zeitreihen ausgewählter europäischer Stationen des GEBA Ar-

chivs dargestellt. Beschriebene Entwicklungen sind sehr gut zu erkennen bei betrachten

des geglätteten Durchschnitts über alle 10 dargestellten Stationen. Im hier betrachte-

Abbildung 1.1.: Darstellung von Messreihen 10 ausgewählter Stationen, mit geglättetem Trend über

alle Stationen.

Quelle: www.meteoschweiz.admin.ch [Seiz und Foppa, 2007]

ten Zusammenhang beschreibt global nicht die globale Skala sondern die Globalstrahlung

[Wild, 2009]. Als Ursache der Trends werden die zu- bzw. abnehmenden Aerosolkonzen-

trationen im europäischen Raum angenommen. Aerosole können das Klima beein�ussen.

Sie streuen und absorbieren Sonnenlicht und reduzieren so die Globalstrahlung. Dieser

2

E�ekt wird als direkter Aerosole�ekt (DAE) bezeichnet [Ruckstuhl et al., 2010]. Ab-

sorbierende Aerosole, wie z.B. Ruÿ, erwärmen die mittlere Troposphäre, während der

Erdboden gekühlt wird. Dadurch wird die Wolkenentstehung unterdrückt und bestehen-

de Wolken zum Au�ösen gezwungen (semidirekter Aerosol E�ekt (SAE))

[Ackerman et al., 2000]. Indirekte Aerosole�ekte (IAE) treten auf, wenn Aerosole als

Wolkenkondensationskeime (cloud condensation nuclei, CCN) agieren. Der Anstieg der

Aerosolpartikelkonzentration in einem konstanten Volumen Wolkenluft führt zur Beein-

�ussung optischer Wolkeneigenschaften, wie die Erhöhung der Wolkenalbedo

[Twomey, 1977], die Verlängerung der Wolkenlebenszeit [Albrecht, 1989] und dem

verzögerten Ausregnen der Wolke [Borys et al., 2000] [Borys et al., 2003]

[Muhlbauer und Lohmann, 2008] [Zubler et al., 2011b]. DAE'e werden besser ver-

standen, da sie bei komplett unbewölktem Himmel beobachtet werden. IAE'e hingegen

weisen Unsicherheiten auf, resultierend aus der natürlichen Wolkenvariablität. Wolken

zeigen in ihrer Bescha�enheit sehr unterschiedliche Formen auf. Sie bilden keine einheit-

liche Schicht, die die solare Strahlung gleichmäÿig reduziert. Viel mehr ist der Himmel

von Wolkenlücken durchbrochen und durch Streuprozesse an Wolkenrändern kann es

vorkommen, dass die solare Strahlung am Boden erhöhte Werte als normal annimmt.

Deshalb bedarf es tiefgründigerer Untersuchungen wie in Klima- und Wettermodellen

diese natürliche Wolkenvariabiblität berücksichtigt werden kann und somit diese Fehler-

quelle reduziert werden kann.

Ziel dieser Arbeit ist es einen Eindruck zu bekommen wie sich Trends der Globalstrah-

lung über die Verdunklungs- und Aufhellungsphase verändern, wenn man in groÿskali-

ges Absinken und Aufsteigen unterteilt. Weiterhin soll herausgefunden werden wie gut

oder wie schlecht die Modelle die AE'e in die Berechnungen einbeziehen. Dazu wurden

Globalstrahlungsdaten bei unbewölktem- und bei gesamtem Himmel genutzt. Als Aus-

wahlkriterium dafür dienten Vertikalwinddaten auf 500 hPa. In einem zweiten Schritt

wurden Modellergebnisse mit Messreihen der Globalstrahlung verglichen. Diese Messrei-

hen von 52 Stationen des Global Energy Balance Archive (GEBA) wurden anhand von

Vertikalwinddaten des ERA - Interim Reanalysenprojekt in benannte Vertikalbewegun-

3

gen unterteilt.

In Kapitel 2 werden notwendige Grundlagen erläutert, während weiterführende Infor-

mationen zur betrachteten Region in Kapitel 3 zu �nden sind. Benannte Modelle und

die Technik der Datenanalyse be�nden sich in den Kapiteln 4 und 5. Eine detaillierte

Präsentation der Ergebnisse be�ndet sich im Kapitel 6, gefolgt von einer Diskussion und

abschlieÿenden Betrachtungen der Thematik in Kapitel 7 und 8.

4

2. Theoretische Grundlagen

2.1. Aerosol

Aerosol �ist die Dispersion von �üssigen oder festen Teilchen in einem Gas, üblicherweise

in Luft� [Scherrer]. Es beschreibt die Mischung aus den Aerosolpartikeln und der sie

umgebenden Luft. Aerosolpartikel stammen aus einer breiten Palette natürlicher und

anthropogener Quellen. Unterschieden wird zwischen primären und sekundären Aeroso-

len. Primäre Aerosole entstehen direkt an der Quelle, wie z.B. bei der unvollständigen

Verbrennung fossiler oder biogener Brennsto�e entstehende Ruÿ- und Aschepartikel,

über weite Strecken transportierter Mineralstaub aus der Sahara oder der Gobi. Auch

Seesalz, Vulkanasche oder biogene Sto�e wie Pollen, Bakterien und Pilzsporen gehören

dazu. Sekundäre Aerosole sind �Partikel, die durch die Nukleation oder das Zusammen-

wachsen von gasförmigen Molekülen entstehen, wie es häu�g bei anthropogenen Emis-

sionen geschieht.� [Graedel und Crutzen, 1994] Von besonderer Bedeutung ist das

Ammoniumsulfat (NH4)2SO4. Gebildet wird es aus dem bei der Verbrennung fossiler

Brennsto�e entstehenden Schwefeldioxid SO2 und dem in der Landwirtschaft und Indus-

trie freigesetzten Ammoniak NH3.[Graedel und Crutzen, 1994] Für das menschliche

Auge sind diese Partikel nicht sichtbar. Die Partikelgröÿe variiert zwischen 0,5 nm und

mehreren 10µm, wobei in drei Hauptgruppen unterschieden wird. Aitken Kerne reichen

von 0,01 bis 0,1 µm, groÿe Kerne von 0,1 bis 2 µm und Riesenkerne sind gröÿer als 10

µm [DWDa]. Eine durchschnittliche Anzahlkonzentration wird von 102 bis 105 Partikel

pro cm3 und eine Massenkonzentration von 1 bis 100 µg m−3 [Pöschl]angegeben. Diese

Werte sind Richtwerte und können je nach meteorologischer Situation schwanken.

5

2.2. Aerosol Optische Dicke

Die Aerosol Optische Dicke (AOD) ist bei der Betrachtung von Schwächungen der Strah-

lungsintensität besonders bedeutsam. Sie wird auch als optische Trübung bezeichnet. Bei

Durchtritt einer aerosolhaltigen Schicht wird die solare Strahlung durch Streu- und Ab-

sorptionsprozesse abgeschwächt. Diese Abschwächung wird als Extinktion bezeichnet.

[Kraus, 2004] Die AOD ist das vertikale Integral des Extinktionskoe�zienten σExt ab-

hängig von der Wellenlänge λ. Dieser Extinktionskoe�zient wird aus der Summe des

Streukoe�zienten σStr und dem Absorptionskoe�zienten σAbs gebildet. Somit lautet die

AOD τ

τ(λ) =

∫ z2

z1

σExt dz (2.1)

Bei Kenntnis der AOD, kann einerseits die Abschwächung der Globalstrahlung und

andererseits bei Kenntnis der Strahlungsintensität am Boden die AOD selbst nach dem

Lambert - Beer'schen Gesetz berechnet werden:

I(λ) = I0(λ)e−τ(λ)·m (2.2)

In dieser Gleichung stellt I0 die Strahlungsintensität in [Wm−2] am Oberrand der At-

mosphäre und I die Strahlungsintensität nach Durchtritt der aerosolführenden Schicht

dar. I0 wird als die Solarkonstante bezeichnet. Sie wird de�niert als die �Strahlungs�uss-

dichte der von der Sonne kommenden und über alle Wellenlängen integrierten Strahlung,

die extraterrestrisch (am Oberrand der Atmosphäre) von einer senkrecht zur Strahlrich-

tung orientierten Fläche beim mittleren Abstand Sonne-Erde von 1.496·108m empfangen

wird.�[Kraus, 2004] m ist ein Faktor zur Berücksichtigung des Zenithwinkels θ mit 1cos(θ)

.

τ nimmt Werte gröÿer oder kleiner 1 an, bei τ = 1 nimmt die Strahlungsintensität am

6

Boden um 1/e, ca. 36 % ab. Ist τ � 1 spricht man von optisch dünn und ist τ � 1

spricht man von optisch dick [Feichter]. Gemessen werden kann die AOD mit soge-

nannten Sonnenphotometern (siehe Abbildung 2.1 auf Seite 7). Hierbei wird die direkte

Sonnenstärke oder direkte solare Strahldichte erfasst. Das Gerät wird immer direkt auf

die Sonne �xiert und es misst mit Hilfe von Interferenz�ltern bei gewünschter Wellen-

länge. Das Spektrum reicht von 350 bis 1050 nm. Mit Gleichung (2.2) und der Kenntnis

von I0 und I lässt sich die AOD berechnen.[Herber]

Abbildung 2.1.: Darstellung eines Sonnenphotometers zur Messung der direkten Sonnenstärke.

Quelle: www.rg-messtechnik.de [Herber]

2.3. Verdunklung und Aufhellung der Globalstrahlung

In den zurückliegenden Dekaden gab es teils starke Schwankungen der Globalstrahlung

am Boden. Dabei wurden Trends vor und nach den 1980'er Jahren deutlich. Zwischen

1960 und 1980 wurde eine Abnahme - global dimming - und zwischen 1990 und 2005

eine Zunahme - global brightening - der solaren Globalstrahlung beobachtet.

Diese Trends wurden durch eine Änderung der Durchlässigkeit der Erdatmosphäre, der

AOD, verursacht. Gründe hierfür sind Wechsel optischer Wolkeneigenschaften oder dem

7

Bedeckungsgrad. Weiterhin spielen Variabilitäten von Massenkonzentrationen und opti-

schen Eigenschaften atmosphärischen Aerosols eine entscheidende Rolle. Diese Ein�üsse

wirken in der Erdatmosphäre. Auÿeratmosphärische Variabilitäten können aufgrund des

geringen Ein�usses für die Verdunklung und Aufhellung vernachlässigt werden. Gut ab-

sorbierende Gase (aktive Klimagase), wie zum Beispiel Wasserdampf weisen ebenfalls

Variabilitäten auf. Im Gegensatz zur terrestrischen Strahlung ist der Ein�uss auf die

solare Strahlung jedoch gering. Aerosole stellen den gröÿten Ein�uss dar.[Wild, 2009]

Der Beitrag von Aerosol zur Verdunklung und Aufhellung

Die Globalstrahlung kann direkt durch Aersole beein�usst werden, weil sie Strahlung

streuen und/oder absorbieren und somit weniger an der Erdober�äche ankommt (DAE)

[Ruckstuhl et al., 2010]. In Regionen mit starken Ruÿemissionen wird der SAE de�-

niert. Durch die Absorption solarer Strahlung wird die mittlere Atmosphäre erwärmt und

dadurch stabilisiert. Das führt zur Wolkenau�ösung und die Entstehung neuer Wolken

wird unterdrückt [Ackerman et al., 2000]. Andererseits wird sie indirekt beein�usst,

durch die Eigenschaft des Aerosols als CCN. Das heiÿt, zur Entstehung eines Wolken-

tropfens und weiteren Niederschlagsbildung werden Aerosolpartikel benötigt, an welchen

der reine Wasserdampf kondensieren kann.

Im Fall eines festen Volumens Wolkenluft sei die Flüssigwasserkonzentration konstant

und die Anzahl der enthaltenen Aerosolpartikel gering. Dann kondensiert das Flüssig-

wasser auf den wenigen Partikeln und in der Wolke be�nden sich Tropfen mit gröÿeren

Tropfenradien. Steigt die Partikelkonzentration an, so kondensiert das Flüssigwasser

auf wesentlich mehr Partikel und die Tropfenradien nehmen ab. Die Wolkenre�ektivität

(Wolkenalbedo) steigt an (Wolkenalbedo- oder Twomeye�ekt, 1. IAE) [Twomey, 1977].

Die Wolkenalbedo ist ein Indiz für die in den Weltraum re�ektierte solare Strahlung. Wei-

terhin wird das Ausregnen der Wolke verzögert [Borys et al., 2000] [Borys et al., 2003]

[Muhlbauer und Lohmann, 2008] [Zubler et al., 2011b] und die Wolke bleibt länger

in der Atmosphäre bestehen (Wolken Lebenszeit- oder Albrechte�ekt, 2. IAE)

[Albrecht, 1989].

8

Eine schematische Zusammenfassung aller E�ekte �ndet sich in Abbildung 2.2.

Abbildung 2.2.: Darstellung aller benannten Aerosole�ekte.

Quelle: IPCC AR 4 [WMO]

Ein weiteres Resultat aus der Zu- bzw. Abnahme der Aerosole ist der kühlende oder

wärmende E�ekt am Boden. Aus der reduzierten oder erhöhten Globalstrahlung folgt,

dass sich die bodennahen Luftschichten weniger oder mehr erwärmen. Dieser E�ekt

tritt nur regional auf. Global gesehen wird eher ein ansteigender Trend der Mittel-

temperatur verzeichnet. Nach Messungen um 0,8 K von 1960 - 2000 [IPCC, 2007].

Die Auswirkungen der einzelnen E�ekte sind abhängig von der Aerosolanzahlkonzen-

tration. Diese war in den vergangenen Dekaden von Schwankungen geprägt. Das lag

an den für heutige Verhältnisse rückständischen Technologien. Zur Energieerzeugung

wurden früher wie heute fossile Brennsto�e wie Kohle, Holz und Erdöl verwendet. Im

Unterschied zu heute wurden die Abgase früher unge�ltert in die Umwelt entlassen.

Auch die Zunahme des Verkehrs trug entscheidend dazu bei. Beispielsweise wurde in

[Stanhill und Moreshet, 1992] eine Zeitreihe der Globalstrahlung für Bet Dagan in

Israel ausgewertet. Für den Zeitraum 1958 - 1985 wurde eine Strahlungsabnahme um 58

Wm−2 verzeichnet, welche sehr stark mit obigem erhöhten Verkehrsaufkommen korre-

liert. Generell geht man davon aus, dass die Abnahmen auf das Aerosol zurückzuführen

sind. Direkte Messreihen der Aerosolanzahlkonzentration sind nicht �ächendeckend vor-

handen. Also muss man sich auf indirekte Hinweise stützen wie dem Bedeckungsgrad,

welcher durch Beobachtungen bestimmt wird oder der globalen Mitteltemperatur, wel-

9

che nur regional betrachtet werden muss, um als Indiz für Aerosolzu- oder -abnahme zu

gelten.

Die folgende Trendumkehr von der Verdunklung zur Aufhellung ist, resultierend aus

der verbesserten Messtechnik und dem dichteren Messnetz, besser dokumentiert. Diese

korreliert sehr stark mit der Reduktion der Schwefeldioxid - und Ruÿemissionen, spezi-

ell über Europa. Hier wurde eine Schwefeldioxidreduktion von 73 % zwischen 1980 und

2004 [Stjern et al., 2011] ermittelt. Während in Westeuropa (in [Stjern et al., 2011]

auf Frankreich, Spanien und Irland bezogen) die Trendumkehr parallel zu den Trends

gesamt Europas einsetzte, verschob sich diese in Osteuropa ( in [Stjern et al., 2011]

auf Polen und die Tschechische Republik bezogen) in die späten 1980'er Jahre durch den

politischen und wirtschaftlichen Wandel in der Region. In Abbildung 2.3 sind jeweils für

West- und Osteuropa die Schwefeloxidemissionen und der Anteil Schwefel am gesam-

ten Aerosol in einem festen Volumen dargestellt. In Prozent ausgedrückt bedeutet das

Abbildung 2.3.: a) Flächenmittel der SOx Emissionen für 1980, 1985 und 1990 - 2007, und b) Anteil

Schwefel am gesamten Aerosol in µg m−3 von 1978 - 2007 für Westeuropa (Frankreich,

Spanien und Irland) und Osteuropa (Polen und Tschechische Republik)

Quelle: [Stjern et al., 2011]

eine Abnahme der Emissionen (Anteil Schwefel am gesamten Aerosol) für Westeuropa

von 72 % (59 %) und für Osteuropa von 90 % (82 %) [Stjern et al., 2011]. Grün-

de für diese starken Abnahmen waren zum Einen oben benannte wirtschaftliche - und

ökonomische Veränderungen und zum Anderen das Inkrafttreten von Luftreinhaltungs-

gesetzgebungen. Die Auswirkungen der starken Reduktion in Europa zeigten sich sogar

10

im kanadischen Teil der Arktis. Die Schwefel - Aerosolkonzentration nahm hier um 29

% und die Ruÿ - Aerosolkonzentration um 60 % zwischen 1989 und 2002 ab. Bestätigt

wurden diese Trends durch Aerosol - und Globalstrahlungsmessungen. Berechnungen

durch Rückwärtstrajektorien ergaben, dass die Abnahme auf eine reduzierte Advektion

der Aerosolemissionen aus Europa und der ehemaligen Sowjetunion zurückzuführen ist

[Wild, 2009]. Deutlich wird, dass das Problem der Verdunklung und Aufhellung verur-

sacht durch Aerosol ein globales Phänomen ist. Reduktionen der Schadsto�emissionen

auf einem Kontinent haben auch Auswirkungen auf das Klima anderer Regionen.

2.4. Vertikalbewegung in der Atmosphäre

Neben der Kenntnis des horizontalen Windfeldes ist es von entscheidender Bedeutung

mehr über Vertikalbewegungen in der Atmosphäre zu wissen. Diese Windkomponente

liegt von der Gröÿenordnung her im Bereich mehrerer Zentimeter pro Sekunde. Dennoch

ist dieser Wert skalenabhängig. Die Vertikalbewegungen in einer Cumulonimbuswolke

sind stärker als bei einer ruhigen sommerlichen Wetterlage. Durch den Gebrauch von

monatlichen Mittelwerten haben solche Variabibilitäten keinen Ein�uss. Deshalb erge-

ben sich eher geringe Werte im Vergleich zu den horizontalen Komponenten, die mehrere

Meter pro Sekunde erreichen. Aufgrund der durchschnittlich geringen Gröÿenordnung

ist es schwierig den Vertikalwind direkt zu messen. Somit ist es nötig durch Zuhilfenah-

me der horizontalen Komponenten eine Approximation aufzustellen. Zur Annäherung

des vertikalen Windfeldes bietet sich die kinematische Methode an, bei welcher durch

Integration der Kontinuitätsgleichung der Vertikalwind bestimmt wird. Gebräuchlich ist

die Darstellung des Vertikalwindes in Druckkoordinaten beschrieben als ω(p). Zu beach-

ten ist bei dieser Darstellung das etwas verwirrende Vorzeichen. Während ein positiver

Wert abwärtsgerichtete Bewegung bedeutet, stellt ein negativer Wert aufwärtsgerichtete

Bewegung dar. Dieser Zusammenhang ergibt sich aus Druckzunahme im Fall von Hoch-

druckgebieten oder Druckabnahme im Fall von Tiefdruckgebieten. Eine Abhängigkeit

zwischen Vertikalwind in Druck- ω(p) und in karthesischen Koordinaten w(z) ergibt sich

11

durch folgende Darstellung aus dem [Holton und Hakim, 2013] Kapitel 3.

Omega durch das totale Di�erential als die Druckänderung pro Zeiteinheit dargestellt,

ergibt

ω =Dp

Dt=∂p

∂t+ V · ∇p+ w(

∂p

∂z) (2.3)

Den Horizontalwind als geostrophisch (Kräftegleichgewicht aus Druckgradient- und Co-

rioliskraft) angenommen und in geostrophische und ageostrophische (Abweichungen vom

geostrophischen Wind) Windkomponente V = Vg + Vag zerlegt. Für die geostrophische

Komponente ergibt sich Vg = (ρf)−1kx∇p = 0 aus Gründen der Vektoranalysis. Damit

folgt für obige Darstellung mit ageostrophischer Windkomponente und der hydrostati-

schen Approximation ∂p∂z

= −ρg.

ω =∂p

∂t+ Vag · ∇p− gρw (2.4)

Nach der Skalenanalyse jeder Komponente von Gleichung 2.4, ergibt sich für letzteren

Teil bei einer Änderung des vertikalen Windfeldes von rund 100 hPad−1 folgender Zu-

sammenhang

ω = −ρgw (2.5)

2.4.1. Kinematische Methode

Die Annäherung des Vertikalwindes ergibt sich durch die Integration der Kontinuitäts-

gleichung in Druckkoordinaten vom Referenzniveau ps bis zu einem beliebigen Niveau

p, wie in [Holton und Hakim, 2013] dargestellt.

∫ p

ps

(∂u∂x

+∂v

∂y+∂ω

∂p

)dp = 0 (2.6)

Daraus folgt für ω auf einem beliebigen Druckniveau p

ω(p) = ω(ps) + (ps − p)(∂〈u〉∂x

+∂〈v〉∂y

)p

(2.7)

12

Die mit gewinkelten Klammern versehenen Gröÿen stellen den druckgewichteten Durch-

schnitt der horizontalen Windkomponenten u und v dar. Gleichung 2.7 mit obigem

Zusammenhang 2.5 in karthesischen Koordinaten dargestellt ergibt

w(z) =ρ(zs)w(zs)

ρ(z)− ps − pρ(z)g

(∂〈u〉∂x

+∂〈v〉∂y

)(2.8)

z und zs sind die Höhen der Druckniveaus p und ps. ρ(z) und ρ(zs) sind jeweils die

Dichten in der Referenzhöhe z und am Boden. g stellt die Erdbeschleunigung dar. Aus

Gleichung 2.8 folgt somit, dass eine Konvergenz des Horizontalwindes am Boden eine Zu-

nahme des Vertikalwindes mit der Höhe erzeugt. Integriert man vom Boden w(zs = 0)=0

bis in die Höhe z, so ergibt sich ein negativer Wert des Mittelwertes der Horizontalwind

- Divergenz. In diesem Fall ist w(z) positiv und die Luftmasse steigt auf. Zu beobach-

ten häu�g im Zusammenhang groÿskaliger Tiefdruckkomplexe. Bei einer Divergenz am

Boden ergibt sich ein negatives w(z) (Absinken), resultierend aus einem positiven Wert

des Mittelwertes der Horizontalwind - Divergenz, wie es im Zusammenhang groÿskali-

ger Hochdruckkomplexe zu beobachten ist. Für die Unterteilungen in Hoch- und Tief-

druckwetterlagen bietet sich der Vertikalwind in 500 hPa an. Auf diesem Niveau ist der

Horizontalwind annähernd divergenzfrei. Eine schematische Beschreibung �ndet sich in

Abbildung 2.4. Diese Annäherung des Vertikalwindes erfordert eine sehr genaue Messung

der horizontalen Windkomponenten. Der Horizontalwind ist annähernd ageostrophisch,

wobei die geostrophische Komponente wie oben dargestellt divergenzfrei ist. Damit geht

nur die ageostrophische Komponente in die Berechnungen ein. Wichtig ist an dieser

Stelle zu sagen, dass diese hergeleitete Approximation generell nicht in Klima- oder

Regionalmodellen benutzt wird. Sie dient an dieser Stelle nur zur Verdeutlichung des

Prinzips, welches hinter der Vertikalbewegung steckt.

13

Abbildung 2.4.: Schematische Darstellung der horizontalen Konvergenzen und Divergen sowie der

ausgleichenden Vertikalbewegungen.

Quelle:www.deutscher-wetterdienst.de[DWDb]

2.4.2. Vertikalbewegung und Aerosol

Zu klären ist inwieweit ein Zusammenhang zwischen der Vertikalbewegung und dem

hier vorliegenden Problem des Aerosols besteht. Es ist bekannt, dass mit aufwärts- und

abwärtsgerichteten Vertikalbewegungen Materie transportiert wird. Der vertikale Trans-

port von Wasserdampf in höher gelegene Schichten ist für die Wolkenbildung von ent-

scheidender Bedeutung. Genauso wird der Transport von Aerosolpartikeln in die obere

Troposphäre begünstigt oder gehemmt. Die Prozesse sind jeweils von der vorherrschen-

den Wetterlage abhängig.

Für den unbewölkten Fall werden folgende Ergebnisse erwartet.

Bei abwärtsgerichteter Bewegung entsteht eine Inversionsschicht. In dieser sammeln sich

Aerosolpartikel verstärkt und Streu- bzw. Absorptionsprozesse können wirken. Der Ein-

14

�uss durch DAE'e wird verstärkt.

Eine aufwärtsgerichtete Bewegung ermöglicht eine gute Durchmischung der Atmosphäre

und damit ein besseres Verteilen der Aerosolpartikel. Diese können als CCN agieren und

die Beein�ussung der Globalstrahlung durch IAE'e wird begünstigt.

Da von vollkommen unbewölktem Himmel ausgegangen wird, ist anzunehmen, dass die

Beein�ussung der Globalstrahlung durch DAE'e am gröÿten ist. Für die Verdunklungs-

phase wird bei abwärtsgerichteter Bewegung eine stärkere und für aufwärtsgerichtete

Bewegung eine schwächere Abnahme der Globalstrahlung als ohne Unterteilungen erwar-

tet. Aus der ohnehin schon starken Zunahme der Aerosolpartikel, sowie dem Betrachten

unbewölkten Himmels folgt, dass die Wahrscheinlichkeit für das Wirken von DAE'en

gröÿer ist als für IAE'e.

Im Hinblick auf die Aufhellungsphase wird für abwärtsgerichtete Bewegung eine schwä-

chere und für aufwärtsgerichtete Bewegung eine stärkere Zunahme der Globalstrahlung

als ohne Unterteilungen erwartet. Es wird für diesen betrachteten Zeitraum ein Anstieg

der Globalstrahlung beobachtet, resultierend aus der verringerten Aerosolpartikelkonzen-

tration in der Atmosphäre. Dennoch sind die Bedingungen für das Wirken von DAE'en

besser, aufgrund des betrachteten unbewölkten Himmels.

Für den gesamten Himmel ergeben sich nach der Theorie folgende Möglichkeiten.

Bei abwärtsgerichteter Bewegung entsteht ebenfalls eine Inversionsschicht, die Aerosol-

partikel sammeln sich darin und bestehende Wolken werden zunehmend zum Au�ösen

gezwungen. DAE'e können die Globalstrahlung beein�ussen. Bei aufwärtsgerichteter Be-

wegung �ndet eine gute Durchmischung der Atmosphäre statt und die Beein�ussung der

Wolke durch als CCN wirkende Aerosole wird verstärkt (IAE'e).

Da nun vom gesamten Himmel (bewölkter und unbewölkter Himmel) ausgegangen wird,

ist die Spezialisierung auf einen dominierenden AE noch mehr von der vorherrschenden

vertikalen Ausrichtung der Atmosphäre abhängig.

Es kann in der Verdunklungsphase bei abwärtsgerichteter Bewegung eine stärkere Ab-

nahme erwartet werden als ohne Unterteilungen resultierend aus DAE'en. Tendenziell

15

wird die Wolkenentstehung gehemmt und bestehende zum Au�ösen gezwungen, wegen

der Durchmischung mit weniger feuchter Luft. Bei aufwärtsgerichteter Bewegung kann

ebenfalls eine stärkere Abnahme vermutet werden als ohne Unterteilungen, aufgrund der

Beein�ussung durch IAE'e.

Der generell beobachtete Anstieg der Globalstrahlung in der Aufhellungsphase kann um

einiges geringer ausfallen als ohne Unterteilungen, wenn abwärtsgerichtete Bewegung

vorherrscht. DAE'e können trotz der allgemein beobachteten abnehmenden Aerosole-

missionen einen Ein�uss haben. Bei aufwärtsgerichteter Bewegung kann ebenfalls ein

geringerer Anstieg der Globalstrahlung als ohne Unterteilung durch IAE'e erwartet wer-

den.

Für den betrachteten gesamten Himmel kommt es verstärkt darauf an in welchem Maÿ

die AE'e, die Aerosolpartikelkonzentrationen und der Bedeckungsgrad berücksichtigt

wurden.

Die Tatsache, dass für die Trendrechnungen Monatsmittel genutzt wurden macht die

Entscheidung für einen dominierenden E�ekt nicht leichter. So wurden nur Durch-

schnittswerte über einen Monat genommen, in denen sich kurzlebigere Wetterereignisse,

wie Hoch- und Tiefdruckgebiete herausmitteln.

16

3. Geographische Einordnung

Aus Messungen der letzten Dekaden wurden besonders in der osteuropäischen Region

starke Strahlungsveränderungen verzeichnet. Die Variabilität anthropogenen Aerosols

stellt hier einen Grund dar. Das Aerosol nahm bis in die späten 1980'er Jahre konti-

nuierlich zu und danach rapide ab. Sowohl die starken Braunkohlevorkommen in dieser

Region, als auch die damit verbundene hohe Anzahl an Kohlekraftwerken sorgten für die

reichen Schwefelemissionen. Die starke Verschmutzung sorgte für sauren Regen und dem

Absterben von Wald�ächen. Auf Grundlage von Satellitenmessungen wurde deutlich,

dass im Zeitraum 1972 - 1989 50 % des dort vorherrschenden Nadelwaldes vernichtet

wurde [Stjern et al., 2011]. Mit dem politischen und ökonomischen Wandel 1989 hat

sich die Situation normalisiert und der Anstieg der Globalstrahlung ist im Vergleich zu

einer sauberen Region sehr stark.

In den folgenden Ausführungen wird hauptsächlich die Rede von Europa sein. Konzen-

triert wurde sich auf eine Region von 70◦N − 35◦N und 25◦W − 40◦E. Betrachtet man

die AOD Zu- bzw. Abnahmen, dargestellt in Abbildungen 6.1 und 6.2, über der Region,

so sind die Trends mit Kern über Ost- und Zentraleuropa ersichtlich. Diese Trends wei-

ten sich bis nach Skandinavien und dem Mittelmeerraum aus. Aufgrund der Tatsache,

dass die Entwicklungen über die gesamt betrachtete Fläche ähnlich sind, ist die Wahl

des Kartenausschnittes gerechtfertigt.

17

4. Modelle und benutzte Daten

In der vorliegenden Bachelorarbeit wurden zur Analyse der Trends über Osteuropa einer-

seits die Globalstrahlung bei gesamt bedeckten Bedingungen (rsds, downwelling short-

wave radiation at surface, hier immer als Fall von gesamt bedecktem Himmel bezeichnet)

inW m−2 und andererseits bei komplett unbewölkten Bedingungen (rsdscs, downwelling

shortwave radiation at surface in clear sky) inW m−2 betrachtet. Die Unterteilung in un-

terschiedliche Wetterlagen wurde mit dem Vertikalwind in Pa s−1 auf 500 hPa durchge-

führt. Genutzt wurden dafür Vertikalwinddaten von 4 Modellen aus dem CMIP5 Projekt.

Zum Vergleich der Modelldaten wurden Messdaten der Globalstrahlung bei bewölkten

Bedingungen vom Global Energy Balance Archive (GEBA) mit Vertikalwinddaten des

ERA - Interim Reanalysenprojekt ebenfalls in unterschiedliche Vertikalbewegungen un-

terteilt. Zur Verdeutlichung der anfänglichen Zu- und folgenden Abnahme des troposphä-

rischen Aerosols wurde die AOD bei 550 nm simuliert, aus benanntem CMIP5 Projekt

verwendet. Alle Daten lagen als Monatsmittel vor. Globalstrahlungs-, Vertikalwind- und

AOD - Daten vom CMIP5 Projekt waren von 1850 - 2005 für eine unterschiedlich groÿe

Zahl an Läufen erhältlich. Vertikalwinddaten aus dem ERA - Interimprojekt und Global-

strahlungsdaten von GEBA waren nur für die betrachtete Aufhellungsphase vorhanden.

Im Folgenden werden das CMIP5 Projekt, das ERA - Interim Reanalysenprojekt und

GEBA näher erläutert.

18

4.1. CMIP5

Das Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) ist ein Modellvergleich-

sprojekt. Die Modellergebnisse wurden von 20 Klimamodelliergruppen von allen Tei-

len der Welt zusammengetragen und liefern eine Vielzahl an Informationen. Gegründet

wurde das Programm vom Program for Climate Model Diagnoses and Intercomparison

(PCMDI). Es wird eine Vielzahl meteorologischer Daten zum freien Gebrauch bereitge-

stellt. In Tabelle 4.1 sind die in der vorliegenden Arbeit benutzten Modelle vorgestellt.

Modell Institution

GISS-E2-R National Aeronautics and Space Administratio (NASA)

Goddard Institute for Space Studies (GISS), New York, NY, USA

CanESM2 Canadian Centre for Climate Modelling and Analysis, Victoria, BC, Canada

GFDL-CM3 National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)

Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL), Princeton, NJ, USA

MIROC-ESM Atmosphere and Ocean Research Institute (AORI),

The University of Tokyo, Chiba, Japan

National Institute for Environmental Studies (NIES) , Ibaraki, Japan

Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology (JAMSTEC),

Kanagawa, Japan

Tabelle 4.1.: Darstellung aller benutzter Modelle mit Institution

Das Programm soll ein groÿes Informationsspektrum ermöglichen und ist für den

zukünftigen fünften verö�entlichten Report vom Intergovernmental Panel of Climate

Change (IPCC) von groÿer Bedeutung. Alle Artikel die in diesem Report enthalten sind,

werden sich auf die Ergebnisse der Modelle aus dem CMIP5 Projekt stützen.

Ziele des Programms sind:

1. eine Bewertung der verantwortlichen Prozesse für Modellunterschiede zu bekom-

men, welche durch den Kohlensto�zyklus und durch Wolkenrückkopplugen beein-

19

�usst werden.

2. zu verstehen, warum es bei den verschiedenen Modellen Unterschiede gibt.

Die Daten des Projektes sollen sichere Klimawandelexperimente und -simulationen in

den nächsten 5 Jahren ermöglichen. Einerseits bietet das Programm ein System, wel-

ches Daten auf mittelfristigen (bis 2035) bis längerfristigen (bis 2100) Skalen bereitstellt

[Taylor]. Andererseits wurde in den enthaltenen Modellen versucht, das Klima des

20. Jahrhunderts so genau wie möglich zu reproduzieren. Dabei wurden alle natürlichen

und anthropogenen Antriebe wie der Wechsel von atmosphärischen Treibhausgasen, Ae-

rosolkonzentrationen und damit verbundene Aerosole�ekte (siehe Tabelle 4.2), die Ver-

änderung der Landwirtschaft und die natürliche Variabilität der solaren Strahlung be-

rücksichtigt [Wild und Schmucki, 2010]. Zusammengefasst unter dem Projektnamen

�historical�.

Modell DAE SAE 1.IAE 2.IAE Referenz

GISS-E2-R x - - - [Schmidt et al., 2006]

CanESM2 x - x - [Arora et al., 2011], [Ma et al., 2010]

GFDL-CM3 x - x x [Donner et al., 2011]

MIROC5 x x x x [Watanabe et al., 2010], [Takemura et al., 2009]

Tabelle 4.2.: Alle in den Modellen berücksichtigte direkte und indirekte Aerosole�ekte

Damit hilft das Programm die Vertrauenswürdigkeit und Korrektheit der in der Vergan-

genheit durchgeführten Simulationen einzuschätzen. Unterschiede, welche bei Modellen

des CMIP5 auftreten, werden im Zusammenhang der hier vorliegenden Bachelorarbeit

diskutiert.

20

4.2. ERA - Interim

ERA - Interim ist ein Reanalysenprojekt vom European Centre of Medium - Range

Weather Forecasts (ECMWF). Es sind Daten vom 01.01.1989 bis in die heutige Zeit

erhältlich. Dieses Projekt löst das ERA - 40 Reanalysenprojekt ab, welches den Zeiraum

1957 bis 2002 abdeckt. Reanalysedaten werden mit Wettervorhersagemodellen berechnet,

in die Beobachtungsdaten unterschiedlichster Typen und Quellen eingebunden werden.

Die unterschiedlichen Parameter werden auf globale Gitter und verschiedene Drucknive-

aus gelegt. Dabei werden die Modelle über einen langen Zeitraum zurückgerechnet. Der

Vorteil ist, dass zwischen vorhandenen Beobachtungsdaten extrapoliert wird. Weiterhin

wird versucht, eine nicht vorhandene Gröÿe für einen Gitterpunkt aus einer Vielzahl an

vorhandenen Parametern zu berechnen. Um das zu ermöglichen, kommt es sowohl auf

die Korrektheit, Vollständigkeit und die Übereinstimmung mit physikalischen Gesetzen

der reanalysierten Bereiche als auch auf die Qualität des Models an [Dee, 2011]. Ziel

ist es, einen räumlich und zeitlich hoch aufgelösten, homogenen Datensatz zu erhalten,

dessen berechnete Gröÿen mit den physikalischen Gesetzen und Messungen in Einklang

stehen.[ZMAW]

21

4.3. Global Energy Balance Archive

Im Global Energy Balance Archive (GEBA) sind monatliche Energie�üsse von rund

1.600 Stationen weltweit archiviert [Norris und Wild, 2007]. Die Unterteilung in un-

terschiedliche Vertikalbewegungen der Messdaten wurde mit obigen Vertikalwinddaten

aus dem ERA - Interim Projekt vorgenommen. Da die Vertikalwinddaten nur für die

Aufhellungsphase vorhanden waren, können Modellergebnisse schlieÿlich nur mit Mess-

ergebnissen über diese Periode und bei gesamtem Himmel verglichen werden. Genutzt

wurden 52 Stationen über ganz Europa verteilt. Es wurde darauf Wert gelegt, dass

diese Stationen konstante Messreihen vorweisen können. In Abbildung 4.1 sind die 52

benutzten GEBA Stationen markiert.

Abbildung 4.1.: Darstellung der in die Berechnungen eingegangenen GEBA Stationen.

Quelle: eigene Anfertigung

22

5. Datenanalyse

Sowohl für die Globalstrahlung, als auch für den Vertikalwind standen für jedes der

Modelle eine Vielzahl von Läufen zur Verfügung. Aus diesen wurde zunächst mit dem

Datenbearbeitungsprogramm Climate Data Operators (CDO) der Durchschnitt gebildet,

um einen zu vergleichenden Datensatz zu erhalten. In einem zweiten Schritt wurde die

Land�äche Europas extrahiert. Die monatlich gemittelt vorliegenden Vertikalwinddaten

wurden als Auswahlgröÿe genutzt, um die Globalstrahlungsdaten jeweils für unbewölk-

ten und gesamten Himmel in verschiedene Vertikalbewegungen zu unterscheiden. Die

Maske sah vor, dass Werte kleiner 0 Pa s−1 für Aufwärtsbewegung und Werte gröÿer

0 Pa s−1 für Abwärtsbewegung stand. Diese unterteilten Daten wurden folgend in Jah-

resmittel umgerechnet. Aus welchen anschlieÿend Flächenmittel über die Land�ächen

Europas gebildet wurden. Die Methode der linearen Regression diente zur Berechnung

der Trends aus den Flächenmitteln. Konkret wurden die Trends für die Zeiträume 1960

- 1980 und 1990 - 2005 berechnet. Damit waren die Verdunklungs- und Aufhellungs-

periode abgedeckt. Die zum Vergleich benutzten Zeitreihen der Globalstrahlung von 52

GEBA Stationen wurden ähnlich analysiert. Dennoch mussten Modell- und Messda-

ten kombiniert werden. Für jede Station benötigte man die exakten Vertikalwinddaten

vom Modell. Dazu wurde die Distanz zu allen die Station umgebenden Gitterpunkte

berechnet. Von dem Gitterpunkt, welcher die geringste Entfernung zur Station hatte,

wurden die Vertikalwinddaten genutzt und auf diese Koordinate überschrieben. Da die

meteorologische Situation meistens in naher Reichweite gleich der an der Station ist,

ist die benutzte Methode gut anwendbar. Die darauf folgende Auswertung basiert auf

der gleichen Verfahrensweise, wie für die Modelldaten. Um zu verstehen, wie die Trends

23

berechnet wurden, wird die Methode der linearen Regression nach [Schönwiese, 2013]

näher erläutert.

Liegt eine Stichprobe in einer genügend groÿen (n > 30) zweidimensionalen Grundge-

samtheit vor, so kann einerseits die Beziehung zwischen den Variablen (Korrelation)

untersucht werden und andererseits die Art der Beziehung (Regression). In der folgen-

den Ausführung wird die Regression der abhängigen Variable a auf die unabhängige

Variable b untersucht. Die Gleichung der linearen Regression a = A + B · b beschreibt

diesen Zusammenhang gut. a stellt darin die Zielgröÿe (als Prädiktand bezeichnet) in

Form einer Schätzgröÿe und b die Ein�ussgröÿe (als Prädiktor bezeichnet) dar. A ist

der Achsenabschnitt und B die Geradensteigung. Um eine Aussage tre�en zu können,

ob sich eine Gröÿe über einen längeren Zeitraum geändert hat, ist die zu berechnende

Geradensteigung der wichtigste Wert. Eine Gleichung ergibt sich wie folgt:

Bab =SabS2b

=1

n−1

∑(aj − a)(bj − b)

1n−1

∑(bj − b)2

=�erklärte Varianz�

�Gesamtvarianz�(5.1)

a und b sind die Mittelwerte.

Alle in dieser Arbeit benutzten Karten und Graphiken wurden mit dem Darstellungs-

programm NCAR Command Language (NCL) erstellt, mit dem es auch möglich war,

einzelne Berechnungen vorzunehmen.

24

6. Ergebnisse

Bei Betrachten von Ab- bzw. Zunahmen von Globalstrahlung aufgrund zu- und abneh-

mendem troposphärischen Aerosols, dient die AOD als gutes Hilfsmittel, um das zu

verdeutlichen. In Abbildung 6.1 wird der Trend der AOD über die Verdunklungsphase

global und für Europa dargestellt. Für Europa zeigen die Modelle jedoch die eindeutigs-

ten Trends. Deshalb ist es besonders interessant, hier weitere Analysen vorzunehmen.

Während GISS-E2-R die AOD Zunahme über Europa mit einem Maximum von 0,15 pro

Dekade am stärksten repräsentiert, so liegt GFDL-CM3 maximal um 0,07 pro Dekade.

Die Zunahme der AOD ist ebenfalls in anderen Regionen zu beobachten wie in den USA,

Südafrika, Ozeanien und China.

Mit dem wirtschaftlichen und politischen Umbruch 1989 in Osteuropa ist eine abrupte

Trendumkehr zur Abnahme der AOD zu beobachten. Das verdeutlicht der Trend der

AOD über die Aufhellungsphase global und für Europa in Abbildung 6.2. MIROC5 mit

einem Minimum von -0,32 pro Dekade und GISS-E2-R mit -0,24 pro Dekade präsentie-

ren die stärkste Abnahme über Staaten wie Polen, Tschechien und der ehemaligen DDR.

Die hier benannten Modelle zeigen sehr eindeutige Trends im Einklang mit den Unter-

suchungen in [Zubler et al., 2011a]. Darin wurden die stärksten AOD Trends über die

Aufhellungsphase (in benannter Referenz von 1973 - 1998) ebenfalls für Zentral- und

Osteuropa mit -0,1 beobachtet. Während in den USA die Trendumkehr auch zu beob-

achten ist, setzt sich der Positivtrend in Staaten wie Indien oder China fort. Für die in

dieser Arbeit betrachtete Region Europas sind die AOD Trends eindeutig. Im Folgenden

soll auf diese Trends aufbauend die Entwicklung der Globalstrahlung für unbewölkten

und gesamten Himmel betrachtet werden.

25

Abbildung 6.1.: Darstellung der AOD Trends global und über Europa für die Verdunklungsphase.

26

Abbildung 6.2.: Darstellung der AOD Trends global und über Europa für die Aufhellungsphase.

27

6.1. Unbewölkter Himmel

Für den unbewölkten Himmel sind die Trends der Globalstrahlung in der Verdunklungs-

und Aufhellungsphase am eindeutigsten. In Abbildung 6.3 sind diese Trends über den

gesamten Globus für die betrachteten Zeiträume bei unbewölktem Himmel dargestellt.

Auf dieser globalen Darstellung wird deutlich, dass die Verdunklung für den unbewölkten

Abbildung 6.3.: Darstellung der Globalstrahlungstrends für die Verdunklungs- und Aufhellungsphase

bei unbewölktem Himmel für alle Modelle.

Fall ein sich auf die Land- und Meeresober�ächen der Nordhemisphäre beziehendes Phä-

nomen ist. Für die Südhemisphäre ist ein für Land- und Meeresober�ächen leicht zuneh-

mender Trend erkennbar. Für Industrienationen wie Russland, China und die USA wer-

den die abnehmenden Trends in den einzelnen Modellen deutlich. Die stärksten Trends

28

zeigen GISS-E2-R und GFDL-CM3 über der zu betrachtenden Region Ost- und Zentral-

europas. Über dieser Region wurde die Zunahme troposphärischen Aerosols verstärkt

beobachtet und in GISS-E2-R wurde nur der DAE in den Berechnungen berücksichtigt.

Das heiÿt der Ein�uss des DAE'es ist als am gröÿten einzuschätzen. In GFDL-CM3 wur-

den zusätzlich zum DAE noch die IAE'e berücksichtigt, worauf geschlossen werden kann,

dass IAE'e ebenfalls einen Ein�uss auf die Reduktion der Globalstrahlung bei betrachte-

tem unbewölkten Himmel haben. Vergleichend der Beschreibung für die AOD, in welcher

die Modelle erst einen schwachen Anstieg und folgenden rapiden Abfall berechneten,

sieht es für die Globalstrahlung aus. Für diese ist in der Aufhellungsphase ein deutlicher

Anstieg zu verzeichnen. Dieser Anstieg erstreckt sich über weite Teile der Welt. Aus-

genommen Staaten wie China, Indien und Ozeanien, in welchen sich der Negativtrend

fortsetzt. Deutlich zeigen das ebenfalls GISS-E2-R und GFDL-CM3. Alle betrachteten

Modelle zeigen, unabhängig von der Stärke, klare Tendenzen für den europäischen Raum.

Die Trends für diesen Raum sind in Abbildung 6.4 deutlicher dargestellt. Man erkennt

bei betrachten der Abbildungen, dass über den Verdunklungszeitraum Unterschiede zwi-

schen den Modellen bestehen. Das zeigt sich in der Flächenmittelung über alle Trends

europäischer Land�ächen. GISS-E2-R mit -1,82 Wm−2dec−1 (Verdunklungsphase) re-

präsentiert die Abnahme am stärksten. Die Dominanz des DAE'es wird insbesondere

hier deutlich, weil dieser als einziger E�ekt in den Berechnungen berücksichtigt wurde

und der unbewölkte Himmel betrachtet wurde. Die anderen Modelle hingegen zeigen

einen geringeren Negativtrend um die -0,9 Wm−2dec−1.

Die zunehmenden Trends über den Aufhellungszeitraum zeigen wesentlich stärkere Trends.

Ein sprunghafter Anstieg ist insbesondere über Zentral- und Osteuropa in der vorliegen-

den Abbildung zu erkennen. Resultierend aus der berücksichtigten Abnahme des tropo-

sphärischen Aerosols. MIROC5 zeigt den stärksten Positivtrend von 3,58 Wm−2dec−1

ähnlich dem von GISS-E2-R mit 3,43 Wm−2dec−1. CanESM2 mit 2,90 und GFDL-CM3

mit 2,53 Wm−2dec−1 liegen in der gleichen Gröÿenordnung. Zusammengefasst sind die

�ächengemittelten Globalstrahlungstrends in Tabelle A.1 für die Verdunklungs- und Auf-

hellungsphase.

29

Abbildung 6.4.: Darstellung der Globalstrahlungstrends für die Aufhellungs- und Verdunklungsphase

bei unbewölktem Himmel über Europa.

30

Fallunterscheidung

Durch die Unterteilung in groÿskaliges Aufsteigen und Absinken wurde in einem zweiten

Schritt die Veränderung der Globalstrahlungstrends und die Dominanz der AE'e unter-

sucht. In Abbildungen 6.5 und 6.6 sind die �ächengemittelten Globalstrahlungstrends

für ab- bzw. aufwärtsgerichtete Bewegung bei unbewölktem Himmel dargestellt. Deut-

lich wird, dass die Ergebnisse konsistent sind in Hinblick auf die Ab- bzw. Zunahme

der Strahlung. Dennoch entsprechen sie nicht immer den angenommenen theoretischen

Vorstellungen.

Die Annahme für die Verdunklungsphase, dass bei abwärtsgerichteter Bewegung ein stär-

kerer und bei aufwärtsgerichteter Bewegung ein schwächerer Trend als ohne Unterteilung

erzielt wird, wurde von keinem der Modelle bestätigt. Die Trends zeigen eher gegen-

sätzliche Entwicklungen. GISS-E2-R soll mit -1,43 Wm−2dec−1 bei abwärtsgerichteter

Bewegung und -2,2 Wm−2dec−1 bei aufwärtsgerichteter Bewegung als Beispiel dienen.

Im Hinblick auf die Aufhellungsphase wurden die Annahmen, dass bei abwärtsgerich-

teter Bewegung eine schwächere Zunahme und bei aufwärtsgerichteter Bewegung eine

stärkere Zunahme erwartet wird, von GISS-E2-R, CanESM2 und GFDL-CM3 bestä-

tigt. Für GISS-E2-R wurde bei abwärtsgerichteter Bewegung ein geringerer Anstieg von

2,85 Wm−2dec−1 und bei aufwärtsgerichteter Bewegung ein stärkerer Anstieg von 3,94

Wm−2dec−1 als ohne Unterteilungen erreicht. Für CanESM2 und GFDL-CM3 sind die

gleichen Entwicklungen erkennbar.

Eine Zusammenfassung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei ab- und auf-

wärtsgerichteter Bewegung �ndet sich in Tabelle A.2.

31

Abbildung 6.5.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei unbewölktem Himmel

für abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung über Europa für die Verdunklungs-

phase.

Abbildung 6.6.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei unbewölktem Himmel

für abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung über Europa für die Aufhellungsphase.

32

Zusammenfassung

Betrachtet wurden Globalstrahlungstrends bei unbewölktem Himmel. Alle Modelle zeig-

ten die Ab- bzw. Zunahme der Globalstrahlung. Wurde jedoch die Unterteilung in un-

terschiedliche Vertikalbewegungen vorgenommen, resultierten Tendenzen. GISS-E2-R,

CanESM2 und GFDL-CM3 zeigten für die Verdunklungsphase gegensätzliche, dennoch

einheitliche Trends. Einer schwächeren Abnahme der Globalstrahlung bei abwärtsge-

richteter stand einer stärkeren Abnahme bei aufwärtsgerichteter Bewegung als ohne Un-

terteilungen gegenüber. Selbige Modelle erfüllten die Vorstellungen jedoch in der Auf-

hellungsphase. Insofern, dass bei abwärtsgerichteter Bewegung eine schwächere und bei

aufwärtsgerichteter Bewegung eine stärkere Globalstrahlungszunahme als ohne Unter-

teilung erzielt wurde.

33

6.2. Gesamter Himmel

Die gleichen Analysen wie für den unbewölkten Himmel wurden für den gesamten Him-

mel durchgeführt. Trotzdem sich der gesamte Himmel aus unbewölktem und bewölktem

Himmel zusammensetzt, ergaben die Analysen ähnliche Ergebnisse wie für den unbe-

wölkten Himmel. Das zeigt die Abbildung 6.7 mit der globalen Darstellung der Global-

strahlungstrends für die benannten Zeiträume.

Abbildung 6.7.: Darstellung der Globalstrahlungstrends für die Verdunklungs- und Aufhellungsphase

bei gesamtem Himmel für alle Modelle.

Die abnehmenden und zunehmenden Trends der Verdunklungs- und Aufhellungspha-

se sind sowohl für die Nord- als auch für die Südhemisphere zu beobachten. Sichtbare

Abnahmen treten über Ländern wie den USA, China, Indien, Teilen Mittel- und Südame-

34

rikas auf. Für den europäischen Raum zeigen insbesondere GISS-E2-R und GFDL-CM3

die stärksten Strahlungsabnahmen aus den zunehmenden Aerosolemissionen resultie-

rend. Im Gegensatz zu den abnehmenden Trends sind die zunehmenden Globalstrah-

lungstrends eindeutiger. Der Positivtrend der Aufhellungsphase wird in allen Modellen

für Regionen wie die USA, Südafrika und weite Teile Zentral- und Osteuropa klar dar-

gestellt. Interessanterweise setzt sich der Negativtrend in Indien, China und Ozeanien

fort.

Besonderes Augenmerk soll auf den europäischen Raum gerichtet werden, denn hier

sind die Globalstrahlungstrends am markantesten. Dargestellt sind diese in Abbildung

6.8 für alle benannten Modelle. Nach einer Flächenmittelung über alle Trends ergaben

sich für den Verdunklungszeitraum die stärksten Strahlungsabnahmen von -1,5 und -1,4

Wm−2dec−1 für MIROC5 und GFDL-CM3. Beide Modelle sind die Einzigen, die in den

Berechnungen sowohl den DAE als auch beide IAE'e berücksichtigen. Da vom gesamten

Himmel ausgegangen wird, kann vermutet werden, dass die Abnahme der Globalstrah-

lung durch IAE'e nun einen verstärkten Ein�uss haben.

Nach den eher schwachen Strahlungsabnahmen folgten ähnlich dem unbewölkten Fall

teils rapide Anstiege. Wie schon in der Verdunklungsphase zeigen MIROC5 mit 4,93 und

GFDL-CM3 mit 3,22 Wm−2dec−1 über den Aufhellungszeitraum die stärksten Trends.

Für GISS-E2-R mit 1,7 und CanESM2 mit 1,87 Wm−2dec−1 ergeben sich geringere Po-

sitivtrends.

35

Abbildung 6.8.: Darstellung der Globalstrahlungstrends für die Verdunklungs- und Aufhellungsphase

bei gesamtem Himmel über Europa.

36

Fallunterscheidung

Die Unterteilung in groÿskaliges Aufsteigen und Absinken wurde ebenfalls für den ge-

samten Himmel vorgenommen. In Abbildungen 6.9 und 6.10 sind �ächengemittelte Glo-

balstrahlungstrends für ab- bzw. aufwärtsgerichtete Bewegung bei gesamtem Himmel

dargestellt. Interessanterweise fallen die Ergebnisse ähnlich dem unbewölkten Himmel

aus.

Die Modelle stellen sowohl die abnehmenden als auch die zunehmenden Trends dar,

zeigen dennoch Unterschiede auf. In der Verdunklungsphase ergibt sich für alle vier

Modelle bei abwärtsgerichteter Bewegung eine geringere Abnahme und für drei Mo-

delle (GISS-E2-R, CanESM2 und GFDL-CM3) bei aufwärtsgerichteter Bewegung eine

stärkere Abnahme. Das stellten CanESM2 und GFDL-CM3 mit Werten von 1,4 und

-1,32 Wm−2dec−1 für abwärtsgerichtete Bewegung und -1,6 und -1,66 Wm−2dec−1 für

aufwärtsgerichtete Bewegung am besten dar. Der beobachtete zunehmende Trend des

troposphärischen Aerosols über diesen Zeitraum kann die Abnahme der Globalstrah-

lung sowohl durch DAE'e als auch IAE'e beein�usst haben. Insbesondere CanESM2 und

GFDL-CM3 berücksichtigen in den Berechnungen neben dem DAE auch IAE'e. Das

zeigt sich durch die verstärkte Abnahme in beiden Modellen. Für GISS-E2-R steht einer

geringeren Abnahme von -0,83Wm−2dec−1 für abwärtsgerichtete Vertikalbewegung eine

stärkere Abnahme von -1,2Wm−2dec−1 als ohne Unterteilung gegenüber. GISS-E2-R ist

hier besonders hervorzuheben, denn in den Berechnungen wird nur der DAE berücksich-

tigt.

Bei Betrachtung der Trends über die Aufhellungsphase wird ebenfalls ein konsistentes

Ergebnis deutlich. Herrscht abwärtsgerichtete Vertikalbewegung vor, so fallen die zuneh-

menden Trends im Vergleich zum Bezugswert bei GISS-E2-R, CanESM2 und GFDL-

CM3 geringer aus. Sie variieren von 1,22 bis 1,74 Wm−2dec−1. MIROC5 zeigt im Ge-

gensatz zu allen anderen Modellen eine Steigerung des Trends mit 5,8 Wm−2dec−1 im

Vergleich zum Bezugswert. Bei aufwärtsgerichteter Bewegung wird in GISS-E2-R und

GFDL-CM3 ein höherer Trend erzielt als ohne Unterteilungen. Für die anderen beiden

Modelle fällt der Trend jeweils geringer als ohne Unterteilung aus.

37

Abbildung 6.9.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei gesamtem Himmel für

abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung über Europa für die Verdunklungsphase.

Abbildung 6.10.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei gesamtem Himmel

für abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung über Europa für die Aufhellungs-

phase.

38

Zusammenfassung

In diesem Kapitel wurde der Fall des gesamten Himmels analysiert. Die bekannten

Negativ- und Positivtrends der Globalstrahlung wurden auch für diesen Fall deutlich.

Wurde die Unterteilung in unterschiedliche Vertikalbewegungen vorgenommen, so erga-

ben sich markante Tendenzen. Über die Verdunklungsphase gerechnete Trends zeigten

für GISS-E2-R, CanESM2 und GFDL-CM3 bei abwärtsgerichteter Bewegung eine gerin-

gere Abnahme und bei aufwärtsgerichteter Bewegung eine stärkere Abnahme als ohne

Unterteilungen. Für die Aufhellungsphase ergaben sich für benannte Modelle einheitlich

gegensätzliche Trends. Sowohl für die Verdunklungs-, als auch für die Aufhellungsphase

zeigten die drei benannten Modelle Systematiken auf, auch wenn Gegensätzliche für die

Aufhellungsphase.

39

6.3. Modelle und Messungen

Um eine Aussage über die Qualität eines Models tre�en zu können ist der Vergleich mit

Messdaten eine gebräuchliche Methode. Diese Daten basieren auf in - situ Messungen und

ermöglichen eine Vorstellung, wie sich eine Messgröÿe zeitlich an einem festen Ort verän-

dert. Die gleiche Unterteilung in ab- und aufwärtsgerichtete Vertikalbewegung wurde für

Messreihen der GEBA Globalstrahlung vorgenommen. Betrachtet wurde der Fall gesamt

bedeckten Himmels während der Aufhellungsphase. Die Berechnung der Trends über alle

52 Stationen wurde mit dem Darstellungsprogramm NCL durchgeführt. Bei benutzen

einer Funktion zur Berechnung des Geradenanstieges wird automatisch die Standard-

abweichung angegeben, deshalb steht dieser Wert im Folgenden in eckigen Klammern

hinter dem Absolutwert.

Die Flächenmittelung über alle 52 Stationen ohne jegliche Unterteilung ergab einen An-

stieg von 3,56 [± 1,5] Wm−2dec−1. Bei Durchführen der Unterteilungen ergaben sich

sehr unterschiedliche Tendenzen. Für abwärtsgerichtete Bewegung wurde ein Negativ-

trend von -0,33 [± 2,6] Wm−2dec−1 erzielt. Die Anzahl der in die Trendrechnungen

eingegangen Werte (8.091 von gesamt 9.939) ist wesentlich höher, als für den Fall auf-

wärtsgerichteter Bewegung (1.848 von gesamt 9.939). Dadurch zeigt sich auch ein ge-

ringerer Fehlerbereich, hinter dem Absolutwert in eckigen Klammern stehend. Ohne

Betrachtung des Fehlerbereiches kann möglicherweise darauf geschlossen werden, dass

der Ein�uss DAE'e trotz des allgemein beobachteten Anstieges der Globalstrahlung in

den Modellen zu gering eingeschätzt wurde. Für aufwärtsgerichtete Bewegung wurde ein

Positivtrend von 15,4 [± 9,4] Wm−2dec−1 erzielt. Man beachte an dieser Stelle ebenfalls

den in eckigen Klammern stehenden Fehlerbereich hinter dem Absolutwert, welcher für

diesen Fall einen sehr groÿen Wert annimmt. Bei Betrachtung der aufwärtsgerichteten

Fälle würde nicht ein Modell annähernd als gut bewertet, aufgrund des groÿen Unter-

schiedes.

In Abbildung 6.11 sind die über Europa �ächengemittelten Globalstrahlungstrends für

den gesamten Himmel dargestellt. Die einzelnen Balken repräsentieren sowohl Modeller-

gebnisse, als auch Messergebnisse für auf- und abwärtsgerichtete Bewegung und Trends

40

ohne jegliche Unterteilung. Der Vergleich von Modell- und Messergebnissen zeigt, dass

die Trends über alle Mess- bzw. Gitterpunkte am eindeutigsten sind. Insbesondere

GFDL-CM3 zeigt mit einer Abweichung von -0,34 Wm−2dec−1 vom Trend der Mess-

werte die beste Übereinstimmung. Wird nun die Unterteilung vorgenommen so wird

ersichtlich, dass Modellwerte entweder wesentlich gröÿer (abwärtsgerichtete Bewegung),

oder kleiner (aufwärtsgerichtete Bewegung) als die Messwerte sind. Die groÿen Abwei-

chungen zwischen Modellen und Messungen könnten minimiert werden, indem in die

Trendrechnungen für die Modelle nur die Gitterpunkte ausgewählt werden die von den

Messpunkten vorgegeben sind. Dieses Vorgehen könnte die Sicherheit und Vergleichbar-

keit steigern.

Abbildung 6.11.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends über Europa bei gesam-

tem Himmel für ab- und aufwärtsgerichtete Bewegung, Aufhellungsphase. Vergli-

chen werden Modell- und Messergebnisse für die Aufhellungsphase.

41

7. Diskussion

In der vorliegenden Bachelorarbeit wurden Globalstrahlungsdaten bei unbewölktem und

gesamtem Himmel von 4 Modellen des CMIP5 Projektes untereinander verglichen. Diese

wurden in einem zweiten Schritt mit Messdaten bei gesamtem Himmel von 52 GEBA

Messstationen verglichen.

Deutlich wird, dass die vier betrachteten Modelle die ab- und zunehmenden Trends über

Europa zeigen, wenn auch mit Unterschieden. Vorrangig sollte durch die Unterteilung

der Globalstrahlung in groÿskaliges Absinken und Aufsteigen versucht werden neue Er-

kenntnisse zu gewinnen wie sich Trends der Globalstrahlung über die Verdunklungs- und

Aufhellungsphase verändern. Weiterhin sollte herausgefunden werden wie gut oder wie

schlecht die Modelle die AE'e in die Berechnungen einbeziehen.

Deutlich wird bei der Betrachtung aller Ergebnisse, dass durch die Unterteilung ein ge-

nereller Trend zu erkennen ist. Die Abbildungen sehen auf den ersten Blick recht ähnlich

aus. Bei aufwärtsgerichteter Bewegung zeigten sich sowohl für den unbewölkten als auch

für den gesamten Himmel die stärksten Ab- und Zunahmen.

In der Verdunklungsphase bestätigten GISS-E2-R, CanESM2 und GFDL-CM3 bei ge-

samtem Himmel diesen generellen Trend besonders deutlich. Durch das Einbeziehen ho-

her Aerosolemissionen und der vorausgesetzten guten Durchmischung der Atmosphäre

bei aufwärtsgerichteter Bewegung kann eine verstärkte Beein�ussung der Globalstrah-

lung durch IAE'e vermutet werden. Dieses Ergebnis wurde ebenfalls bei unbewölktem

Himmel erzielt. Das verwundert ein wenig wenn man bedenkt, dass durch die Bedin-

gungen des unbewölkten Himmels und der starken Aerosolemissionen hauptsächlich eine

Beein�ussung der Globalstrahlung durch DAE'e angenommen wurde. Dennoch wirken

42

in der Atmosphäre parallel mehrere Prozesse oder E�ekte und somit können selbst bei

unbewölktem Himmel IAE'e Ein�uss auf die Globalstrahlung nehmen. In der Aufhel-

lungsphase konnten bei unbewölktem Himmel für die drei gleichen Modelle und bei ge-

samtem Himmel für GISS-E2-R und GFDL-CM3 erhöhte Positivtrends bei aufwärtsge-

richteter Bewegung erreicht werden. Zusätzlich wurde bei abwärtsgerichteter Bewegung

eine schwächere Zunahme als ohne Unterteilung für gesamten bzw. unbewölkten Himmel

und die gleichen drei Modelle deutlich. Diese schwächere Zunahme ist wesentlich stär-

ker ausgeprägt als der erhöhte Positivtrend bei Berücksichtigung der Di�erenzen zum

Grundwert. Dazu betrachte man die in Klammern hinter den Trends stehenden Wer-

te in Tabelle A.2. Es kann vermutet werden, dass trotz des allgemeinen Positivtrends

DAE'e die Globalstrahlung beein�usst haben. Die Beein�ussung durch IAE'e könnte ver-

ringert werden, durch die generelle Abnahme troposphärischen Aerosols und der damit

langsameren Wolkenentstehung. MIROC5 zeigt grundsätzlich gegensätzliche Ergebnisse,

ausgenommen bei abwärtsgerichteter Bewegung bei unbewölktem und gesamtem Him-

mel über die Verdunklungsphase. Der Trend aufwärtsgerichteter Bewegung liegt unter

dem nicht unterteilten Wert, was etwas merkwürdig erscheint. Dennoch wird klar nach

betrachten der Abbildungen A.1 und A.2, dass die Vertikalbewegung um das Jahr 1968

gegenläu�g ist und sich somit der Trend abschwächt. Gemittelt hebt sich der Trend auf

und erzeugt insbesondere für den betrachteten Zeitraum und den Fall diese Ergebnisse.

Betrachtet wurden anschlieÿend Messreihen der Globalstrahlung von 52 GEBA Statio-

nen bei gesamtem Himmel und über den Aufhellungszeitraum. Der ersichtliche Anstieg

der Globalstrahlung ohne jegliche Unterteilung war ähnlich denen der Modelle. Nach

Durchführung der Unterteilungen ergaben sich sehr stark variierende Ergebnisse. Für

abwärtsgerichtete Bewegung ein negativer Trend und für aufwärtsgerichtete Bewegung

ein extrem hoher Trend. Der Negativtrend bei abwärtsgerichteter Bewegung kann darauf

schlieÿen lassen, dass der Ein�uss DAE'e für diesen betrachteten Fall eventuell zu gering

eingeschätzt wurde. Aus dem sehr groÿen Fehlerbereich für die aufwärtsgerichtete Be-

wegung wird ersichtlich, dass die gemachten Fehler eventuell unterschätzt wurden und

die angewendete Methode optimiert werden müsste.

43

8. Ausblick

Diese vorangegangenen Ergebnisse und die diskutierten Probleme, könnten zum Anlass

genommen werden weitere Untersuchungen durchzuführen. Um eine sichere Aussage

über die Korrektheit der Modelle eines gesamten Projektes (CMIP5 - Projekt) tref-

fen zu können, wäre es denkbar, in der Zukunft zusätzliche Modelle nach den gleichen

Kriterien zu unterteilen und Vergleiche durchzuführen. Da in der vorliegenden Bache-

lorarbeit nur der Fall des gesamten Himmels für die Aufhellungsphase mit Messungen

verglichen wurde, wäre es sinnvoll, im Weiteren auch Trends für die anderen Fälle aus

Messungen zu berechnen. Um Modell- und Messergebnisse besser zu vergleichen, soll-

ten Modelldaten nur über die Gitterpunkte der Stationen gemittelt werden wie es in

[Wild und Schmucki, 2010] angewendet wurde. Die vorliegenden Trends basieren alle

auf unterteilten Monatsmitteln. Ein Hoch- oder Tiefdruckgebiet hält sich in der Regel

nicht über Monate, meistens hat es nur eine Verweildauer von mehreren Tagen. Genau

deshalb sollte der Gebrauch von Tagesmitteln ins Auge gefasst werden um möglicherwei-

se eindeutigere und besser anwendbare Ergebnisse zu erhalten. Des Weiteren könnten die

AE'e weiter untersucht werden, durch betrachten von Niederschlagssummen oder dem

Auswerten von Wolkenalbedodaten. Die hier diskutierten Möglichkeiten bilden nur einen

Schritt weiter zum besseren Verstehen der direkten und indirekten Aerosol Klimae�ekte.

44

9. Literaturverzeichnis

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10. Abbildungsverzeichnis

1.1. Globalstrahlung über 10 europäische Messpunkte . . . . . . . . . . . . . 2

2.1. Sonnenphotometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Aerosole�ekte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.3. Emissionen über West- und Osteuropa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.4. Konvergenzen und Divergenzen in der Troposphäre . . . . . . . . . . . . 14

4.1. GEBA Messpunkte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6.1. AOD - Trends 1960 - 1980 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.2. AOD - Trends 1990 - 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.3. rsds - Trends bei unbewölkten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6.4. rsds - Trends bei unbewölkten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . 30

6.5. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei unbewölktem Him-

mel, Verdunklungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.6. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei unbewölktem Him-

mel, Aufhellungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

6.7. rsds - Trends bei gesamt bedeckten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . 34

6.8. rsds - Trends bei gesamt bedeckten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . 36

6.9. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei gesamt bedecktem

Himmel, Verdunklungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.10. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei gesamt bedecktem

Himmel, Aufhellungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

50

6.11. Globalstrahlungstrends bei gesamtem Himmel für ab- und aufwärtsgerich-

tete Bewegung, mit Messungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

A.1. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei unbewölktem Him-

mel für MIROC5, Verdunklungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

A.2. Trends abwärts- und aufwärtsgerichteter Bewegung bei gesamtem Himmel

für MIROC5, Verdunklungsphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

51

A. Anhang

Modell/ Fall 1960 - 1980 1990 - 2005

GISS-E2-R

unbewölkt -1,82 3,43

gesamt -1,06 1,7

CanESM2

unbewölkt -0,87 2,9

gesamt -0,4 1,87

GFDL-CM3

unbewölkt -0,92 2,53

gesamt -1,4 3,22

MIROC5

unbewölkt -0,91 3,58

gesamt -1,5 4,93

Tabelle A.1.: Trends bei unbewölktem und gesamtem Himmel über Europa

52

Modell/ Fall 1960 - 1980 1990 - 2005

GISS-E2-R

abwärts/unbewölkt -1,43 (+0,39) 2,85 (-0,58)

aufwärts/unbewölkt -2,2 (-0,38) 3,94 (+0,51)

abwärts/gesamt -0,83 (+0,23) 1,37 (-0,33)

aufwärts/gesamt -1,2 (-0,14) 1,96 (+0,26)

CanESM2

abwärts/unbewölkt 1,3 (+2,17) 1,9 (-1,0)

aufwärts/unbewölkt -2,3 (-1,43) 3,0 (+0,1)

abwärts/gesamt 1,4 (+1,0) 1,22 (-0,65)

aufwärts/gesamt -1,6 (-1,2) 1,44 (-0,43)

GFDL-CM3

abwärts/unbewölkt -0,5 (+0,42) 1,04 (-1,41)

aufwärts/unbewölkt -1,22 (-0,3) 3,05 (+0,52)

abwärts/gesamt -1,32 (+0,08) 1,74 (-1,48)

aufwärts/gesamt -1,66 (-0,26) 3,66 (+0,44)

MIROC5

abwärts/unbewölkt -0,64 (+0,27) 4,3 (+0,72)

aufwärts/unbewölkt -0,7 (+0,21) 2,93 (-0,65)

abwärts/gesamt -0,88 (+1,62) 5,8 (+0,87)

aufwärts/gesamt -1,3 (+0,2) 4,4 (-0,53)

Tabelle A.2.: Dargestellt sind die �ächengemittelten Globalstrahlungstrends über Europa für

unbewölkte- und gesamt bedeckte Bedingungen bei abwärts- und aufwärtsgerichteter

Bewegung. Die blau unterlegten Bereiche stehen für eine geringere Abnahme bei ab-

wärtsgerichteter Bewegung und einer stärkeren Abnahme bei aufwärtsgerichteter Bewe-

gung, als ohne Unterteilungen für gesamt bedeckten Himmel, Verdunklungsphase. Rot

unterlegte Bereiche zeigen bei abwärtsgerichteter Bewegung eine geringere Zunahme und

bei aufwärtsgerichteter Bewegung eine stärkere Zunahme, als ohne Unterteilungen für

unbewölkten Himmel, Aufhellungsphase. Grün unterlegte Flächen zeigen bei abwärtsge-

richteter Bewegung eine stärkere Zunahme und bei aufwärtsgerichteter Bewegung eine

geringere Zunahme, als ohne Unterteilungen für gesamt bedeckten Himmel, Aufhellungs-

phase. In Klammern stehen jeweils die Abweichungen vom nicht unterteilten Wert.

53

Abbildung A.1.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei unbewölktem Him-

mel für abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung und ohne Unterteilung für die

Verdunklungsphase

Abbildung A.2.: Darstellung der �ächengemittelten Globalstrahlungstrends bei gesamtem Himmel

für abwärts- und aufwärtsgerichtete Bewegung und ohne Unterteilung für die Ver-

dunklungsphase.

54

Dank

An dieser Stelle möchte ich all denen danken die mich bei der Bearbeitung der Bachelor-

arbeit unterstützt haben. Insbesondere Prof. Johannes Quaas, für die Möglichkeit dieses

Thema in seiner Arbeitsgruppe durchführen zu dürfen. Weiterhin sei Dr. Ribu Cherian

gedankt für die Geduld und den produktiven Austausch über die Thematik. Dr. Marc

Salzmann sei gedankt für die Hilfe bei technischen Problemen und der Bereitschaft mei-

ne Bachelorarbeit zu bewerten. Abschlieÿend sei meiner Familie gedankt, die mich zu

jeder Zeit unterstützt hat und denen, die die Zeit aufgebracht haben die vorliegende

Bachelorarbeit zu lesen und einzuschätzen.

Erklärung

Ich versichere hiermit, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine

anderen als die im Literaturverzeichnis angegebenen Quellen benutzt habe. Alle Stellen,

die wörtlich oder sinngemäÿ aus verö�entlichten oder noch nicht verö�entlichten Quellen

entnommen sind, sind als solche kenntlich gemacht. Die Zeichnungen oder Abbildungen

in dieser Arbeit sind von mir selbst erstellt worden oder mit einem entsprechenden Quel-

lennachweis versehen. Diese Arbeit ist in gleicher oder ähnlicher Form noch bei keiner

anderen Prüfungsbehörde eingereicht worden.

Christian Markwitz

Leipzig, den 16. Juli 2013