Thermischer 3D Strahlungstransport für LES auf nicht-rechteckigen Gittern

Strahlung ist der Hauptantrieb von Wetter und Klima unseres Planeten. Aufgrund des hohen Rechenzeitaufwandes ist Strahlungstransport in atmosphärischen Modellen noch immer approximiert und ungenau berechnet. Eine weit verbreitete Methode zur Berechung des Strahlungstransports ist die sogenannte „independent column approximation“ (ICA), eine 1-dimensionale Näherung der Strahlungstransportlösung. Es ist jedoch bekannt, dass diese Methode systematische Abweichungen aufweist. Insbesondere in hochaufgelösten Modellsimualtionen (sogenannten LES simulationen) werden zudem 3D Effekte des Strahlungstransports wichtig.

Diese Arbeit beschreibt eine neue und schnelle Methode (die „Neighboring Column Approximation, NCA, basierend auf der Arbeit von Klinger und Mayer 2016) welche es erlaubt 3D Erwärmungs- und Abkühlungsraten im thermischen Spektralbereich in LES Modellen zu simulieren. Mit dieser neuen Version der NCA ist es nun auch möglich, die 3D Strahlungstranportberechungen auf nicht-rechteckigen Gittern, wie z.B. dem Dreiecksgitter von ICON, durchzuführen. Zudem ist die Methode genauer und schneller als die ursprüngliche Methodik.

Die Abbildung zeigt Ergebnisse der Berechnung von Erwärmungs- und Abkühlungsraten in einem Kumuluswolkenfeld (modifiziert von Abbildung 12 aus Klinger und Mayer 2020). Die Erwärmungsraten wurden mit ICA und NCA berechnet und werden mit Ergebnissen unseres Referenzmodells (Monte Carlo, MYSTIC) verglichen. Die 1D Ergebnisse im Vergleich zu den Monte Carlo Ergebnissen sind linkgs gezeigt, jene der NCA rechts. Es ist klar zu sehen, dass die NCA sowohl systematische Fehler als auch die Korrelation deutlich verbessert.

Klinger, C., & Mayer, B. (2020). Neighboring column approximation—An improved 3d thermal radiative transfer approximation for non‐rectangular grids. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 12. https://doi.org/10.1029/2019MS001843