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Wechselwirkungen von Mineralstaubpartikeln mit thermodynamischen und dynamischen Prozessen in der Atmosphäre über Westafrika

Wechselwirkungen von Mineralstaubpartikeln mit thermodynamischen und dynamischen Prozessen in der Atmosphäre über Westafrika
Research Topic:Wechselwirkungen von Mineralstaubpartikeln mit thermodynamischen und dynamischen Prozessen in der Atmosphäre über Westafrika
type:Dissertation
time:11/2008
tutor:

Kottmeier, Ch.

person in charge:

Stanelle, Tanja

links:Full text (PDF)

Mineralstaubpartikel sind aufgrund ihrer Größe und ihrer langen mittleren Verweildauer in der Atmosphäre sehr bedeutend für die atmosphärischen Strahlungsflüsse. Es gibt jedoch nur wenige Modellsysteme, in denen die zeitlich und räumlich variierenden optischen Eigenschaften der Mineralstaubpartikel bei der Berechnung der Strahlungsflüsse berücksichtigt werden. Vernachlässigt man in Modellsimulationen für Westafrika die räumliche und zeitliche Variabilität der optischen Eigenschaften der Mineralstaubpartikel, so führt dies zu einer falschen Prognose der Strahlungsfelder und somit der thermodynamischen und dynamischen Prozesse.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde das auf der regionalen Skala betriebene Modellsystem COSMO-ART um die Behandlung von Mineralstaubpartikeln erweitert.
COSMO-ART kann jetzt den direkten Aerosoleffekt der im Modellsystem bestimmten Mineralstaubverteilung berücksichtigen und so eine realistischere Berechnung der kurz- und langwelligen Strahlungsflüsse liefern.

Die durchgeführten 1-dimensionalen Sensitivitätsstudien zeigen, dass die Höhenlage der Staubschicht eine wichtige Rolle für die Bestimmung des Temperaturprofils in der Atmosphäre spielt. Befindet sich die Staubschicht in Bodennähe, so führt dies zu einer Erhöhung der Temperatur innerhalb der konvektiven Grenzschicht. Eine abgehobene Staubschicht führt dagegen am Tage zu einer Reduktion der Temperatur innerhalb der Grenzschicht. Dies ist mit einer Verringerung der Grenzschichthöhe verbunden. Die Erwärmung innerhalb der Staubschicht bewirkt eine Stabilisierung der thermischen Schichtung am Unterrand der Staubschicht.

In 3-dimensionalen Studien mit COSMO-ART wurden zwei Staubereignisse über Westafrika simuliert. Eine Validierung mit Messungen ergab eine gute Übereinstimmung von Simulation und Beobachtung.

Es konnte gezeigt werden, dass eine bodennahe Staubschicht in Gebieten, die über mehrere Tage hinweg unter dem Einfluss eines Staubsturms stehen, am Tage zu einer Temperaturerhöhung an der Erdoberfläche führen kann. Dies ist zunächst überraschend, denn durch Streuung und Absorption der Strahlung an den Partikeln wird die Globalstrahlung an der Erdoberfläche reduziert. Dadurch ist die Erdoberfläche bei Vorhandensein einer Staubschicht am ersten Simulationstag jeweils kälter als in einer Kontrollsimulation, in der keine Mineralstaubpartikel die Strahlungsflüsse beeinflussen. In der Nacht kommt es jedoch als Folge der Reduktion der terrestrischen Ausstrahlung durch die Staubschicht zu einer geringeren Temperaturabnahme an der Erdoberfläche im Vergleich zur Kontrollsimulation. Dieser Effekt wirkt über die Nacht hinaus bis zum darauf folgenden Tag und kann dann in Kombination mit der durch Absorption erwärmten Luftschicht zu einer höheren Oberflächentemperatur im Vergleich zur Kontrollsimulation ohne Mineralstaubpartikel führen.

Während des Staubsturms im Sommer wird der meridionale Temperaturgradient an der Erdoberfläche durch die Strahlungswirksamkeit der Mineralstaubpartikel verstärkt. Dies führt zu einer Verstärkung der Sekundärzirkulation in der Region der Innertropischen Front. Durch die Verstärkung der Sekundärzirkulation wird die vertikale Verteilung der Partikel modifiziert. Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Staubbeladung zu einer Verlagerung der Position der Jetachse des afrikanischen Oststrahlstroms führt.

Mit dem erweiterten Modellsystem ist es nun möglich, jeden beliebigen Mineralstaubsturm unter Berücksichtigung von Strahlungswechselwirkungen zu simulieren. Unter Kenntnis von Anfangs- und Randbedingungen können Vorhersagen für Staubstürme erstellt werden.