Strahlungsbilanz in einem Alpental

Über dieses Buch

Art: Diplomarbeit
Autor: Nicolas Matzinger
Abgabedatum: Oktober 2001
Umfang: 100 Seiten
Note: 1,2
Institution / Hochschule: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ) Schweiz
ISBN (Paperback) :
978-3-8324-6822-4 P
ISBN (CD) :978-3-8324-6822-4 CD
Sprache: Deutsch
Prämierung:
Arbeit zitieren: Matzinger, Nicolas Oktober 2001: Strahlungsbilanz in einem Alpental, Hamburg: Diplomica Verlag
Schlagworte: Nettostrahlung, Strahlung, Energiehaushalt, lokales Mikroklima

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Diplomarbeit von Nicolas Matzinger

Zusammenfassung:

Das Interesse an der vorliegenden Arbeit galt der Untersuchung der Strahlungsbilanz in einem Alpental. Die verwendeten Daten stammten aus einem Teilprojekt des international angelegten „Mesoscale Alpine Programme“ (MAP), dem „MAP-Riviera“-Projekt. Während der intensiven Messkampagne im Riviera-Tal zwischen Biasca und Bellinzona (TI) von Mitte August bis Ende Oktober 1999 wurden an mehreren ausgewählten Standorten Messungen der einzelnen Strahlungskomponenten und direkte Messungen der Nettostrahlung durchgeführt. Dabei stellte sich die Frage, wie sich standortspezifische Unterschiede bezüglich Höhenlage, Neigung und Exposition der Standortoberflächen sowie der Vegetation auf den Strahlungshaushalt an der Erdoberfläche auswirken.

Die Witterungsverhältnisse wurden hierzu in vier Kategorien unterteilt: „clear sky“, „valley wind“, „overcast“ und „cloudy“.

Für die Korrektur der horizontal gemessenen Nettostrahlung an einem nordost- sowie an einem südostexponierten Hang wurde eigens eine neue Methode entwickelt (s. Kapitel 3.5).

Diese basiert auf dem Ansatz nach WHITEMAN et al. (1989), benötigt im Gegensatz dazu aber keine Messungen der direkten Sonnenstrahlung. Die Anwendung beschränkt sich deshalb nur auf „clear sky“- bzw. „valley wind“-Bedingungen. Anhand eines Vergleichs an der Station Roasco am Westhang, wo die Strahlungskomponenten horizontal und hangparallel gemessen wurden, konnte die neue Methode verifiziert werden.

Die Standortvergleiche zeigten insbesondere unter „clear sky“-Bedingungen, dass tagsüber der Nettostrahlungsfluss wesentlich durch den Einfall der kurzwelligen Sonnenstrahlung gesteuert wird und stark von der Höhenlage und Exposition einer Standortoberfläche abhängt.

Nachts und unter vollständig bedeckten Verhältnissen waren nur geringe Standortunterschiede bezüglich der Nettostrahlung festzustellen. Aufgrund des dominierenden Einflusses der richtungsabhängigen direkten Sonnenstrahlung spielten Neigung und Exposition einer Standortoberfläche eine entscheidende Rolle in Bezug auf den tageszeitlichen Verlauf der Globalstrahlung und damit der Nettostrahlung. Abschattungseffekte durch die umgebende steile Topografie führten zu deutlichen Unterschieden betreffend der einfallenden Globalstrahlung. Dies zeigte sich sowohl im Standortvergleich des Tagesgangs als auch der Tagessummen an einfallender Globalstrahlungsenergie. Die entscheidende Einflussgrösse in diesem Zusammenhang stellte der „sky view factor“ dar, welcher den hemisphärischen Anteil an sichtbarer Himmelsfläche beschreibt. Aufgrund der generell tieferen Strahlungstemperatur der Atmosphäre im Vergleich zu den relativ dazu warmen Talflanken beeinflusste der „sky view factor“ erwartungsgemäss auch die Messungen der langwelligen Einstrahlung. Am Talgrund resultierten im Verlauf des Tages demzufolge stets die höchsten langwellig einfallenden Strahlungsflüsse.

Die kurzwellig reflektierte und langwellig emittierte Strahlung an der Erdoberfläche zeigten eine starke Abhängigkeit von der Art der standortspezifischen Vegetationsbedeckung. Vergleiche zwischen horizontal und hangparallel durchgeführten Messungen über Wiese führtem zum Schluss, dass die kurzwellige Reflexion über den geneigten Oberfläche anisotrop diffus erfolgte und unter dem Einfluss der direkten Sonnenstrahlung einen Tagesgang aufwies. Die standortbezogenen Unterschiede bezüglich Intensität und Amplitude des Tagesgangs der langwelligen Ausstrahlung widerspiegelten den mehr oder weniger dämpfenden Effekt der Vegetation auf Temperaturschwankungen de Bodens.

Inhaltsverzeichnis:

1	Einführung und Zielsetzung	3
2	Theoretische Grundlagen	5
2.1	Extraterrestrische Einstrahlung	5
2.2	Strahlungshaushalt im System Erde-Atmosphäre	7
2.3	Veränderung der Strahlungsbedingungen in steiler Topografie	9
3	Angewandte Methoden	12
3.1	Kurze Standortbeschreibung und Instrumentierung	12
3.1.1	Standort „Bosco di Sotto“	12
3.1.2	Standort „Pian Perdascio“	13
3.1.3	Standort „Rored“	14
3.1.4	Standort „Roasco“	15
3.1.5	Standort „Monte Nuovo“	17
3.2	Die Daten	19
3.2.1	Messverfahren zur Bestimmung der Strahlungskomponenten	19
3.2.1.1	Pyranometer	19
3.2.1.2	Pyrgeometer	19
3.2.1.3	Net-Radiometer	20
3.2.2	Transformation und Korrektur der Rohdaten	20
3.2.3	Datenverfügbarkeit und -homogenisierung	22
3.2.4	Korrektur von tau-beeinflussten LW(-Messungen in Bosco di Sotto	23
3.3	Witterungsabhängige Kategorisierung der verfügbaren Tage	29
3.3.1	Kategorie „clear sky“	29
3.3.2	Kategorie „valley wind“	33
3.3.4	Kategorie „cloudy“	36
3.4	Modell zur Bestimmung der extraterrestrischen Einstrahlung	37
3.5	Korrektur der horizontal gemessenen Nettostrahlung über geneigten Oberflächen	40
4	Resultate und Diskussion	46
4.1	Allgemeines zu Aufbau und Darstellung der Resultate	46
4.2	Globalstrahlung	46
4.2.1	Variabilität der gemittelten Tagesänge	48
4.2.2	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der Globalstrahlung in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	49
4.2.3	Vergleich von Tagessummen in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	51
4.3	Reflektierte Globalstrahlung und Albedo	55
4.3.1	Variabilität der gemittelten Tagesgänge	56
4.3.2	Vergleich der Albedo in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	56
4.3.3	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der reflektierten Globalstrahlung in Bosco diSotto, Roasco und Monte Nuovo	60
4.3.4	Vergleich von Tagessummen in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	62
4.4	Langwellige Einstrahlung	64
4.4.1	Auswirkungen der tau-bedingten Korrektur in Bosco di Sotto	64
4.4.2	Variabilität der gemittelten Tagesgänge	66
4.4.3	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der langwelligen Einstrahlung in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	66
4.4.4	Vergleich von Tagessummen in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	68
4.5	Langwellige Ausstrahlung	72
4.5.1	Variabilität der gemittelten Tagesgänge	73
4.5.2	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der langwelligen Ausstrahlung in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	73
4.5.3	Vergleich von Tagessummen in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	76
4.6	Nettostrahlung	78
4.6.1	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der Nettostrahlung in Bosco di Sotto,Roasco und Monte Nuovo	78
4.6.2	Vergleich von Tagessummen in Bosco di Sotto, Roasco und Monte Nuovo	81
4.6.3	Vergleich der gemittelten Tagesgänge der Nettostrahlung in Rored und Pian Perdascio	83
4.6.4	Vergleich von Tagessummen in Rored und Pian Perdascio	86
4.6.5	Vergleich zwischen komponentenweise berechneter und direkt gemessener Nettostrahlung in Bosco di Sotto	89
5	Schlussfolgerungen und Ausblick	94
6	Literaturverzeichnis	96