Post on 17-Sep-2018
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
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