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Titelaufnahme

Titel
Validierung der Globalstrahlung aus den Modellen Heliomont und Amundsen in zwei alpinen Testgebieten : Analyse der Stärken und Schwächen der beiden Modelle und Verbesserungsvorschläge
Weitere Titel
Validation of the global radiation from the models Heliomont and Amundsen in two alpine test sites: Analysis and Improvements
VerfasserFrey, Lucas Michael
Betreuer / BetreuerinnenAss. Prof. Dr. Marke, Thomas
Erschienen2018
Umfang58 Seiten
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Masterarb., 2018
Datum der AbgabeSeptember 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (DE)Amundsen / Heliomont / Globalstrahlung / Strahlungsmodellierung
Schlagwörter (EN)Amundsen / Heliomont / Radiation / global radiation / radiation modelling / alpine
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-29457 Persistent Identifier (URN)
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Validierung der Globalstrahlung aus den Modellen Heliomont und Amundsen in zwei alpinen Testgebieten [3.46 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Arbeit werden zwei Modelle zur räumlichen Bestimmung der Globalstrahlung in alpinen Regionen und ihre Modellergebnisse miteinander verglichen. Zum einen wird die Strahlungssimulation im Abflussmodell Amundsen verwendet, das auf den Messwerten eines lokalen Stationsnetzes basiert. Zum anderen wird das von MeteoSwiss entwickelte Modell Heliomont verwendet, das die Einstrahlung mithilfe der Reflektanz und brightness temperature (Strahlungstemperatur im Infrarot) aus Satellitendaten ableitet. Beide Modelle berücksichtigen dabei die Einflüsse der Atmosphäre, der Wolkenbedeckung, der lokalen Topographie und der Schneebedeckung auf die ankommende Einstrahlung. Die Modelle werden in zwei Untersuchungsgebieten mit den Messwerten von jeweils zehn Stationen verglichen und darauf basierend ihre Modellgüte in verschiedenen zeitlichen Auflösungen verglichen. Amundsen wird dabei sowohl in einer räumlichen Auflösung von 50 Metern als auch in einer Auflösung von einem Kilometer verwendet, um auftretende Skaleneffekte im Vergleich zur Heliomont Auflösung von einem Kilometer zu berücksichtigen. Der Vergleich zeigt, dass Heliomont zwar die atmosphärische Durchlässigkeit physikalisch genauer erfasst, durch die geringere räumliche Auflösung aber für stündliche Werte mit einer Nash Sutcliffe Model Efficiency (NSME) von 0,77 schlechtere Ergebnisse liefert als das räumlich höher aufgelöste Amundsen mit einer NSME von 0,87. Beide Modelle liefern jedoch einen zufriedenstellenden prozentualen Fehler in den stündlichen Werten von 2,1% bis 6,4% und eine sehr gute NSME von 0,9 für die monatlichen Strahlungsmittel, weshalb sie sich für viele wissenschaftliche Untersuchungen als Eingangsdaten eignen. Heliomont ist dabei im Gegensatz zu Amundsen jedoch relativ unabhängig von lokaler Infrastruktur, was für einige Anwendungsgebiete Vorteile bietet. Die Transmissivitätsreduktion durch Bewölkung wird in Amundsen von der zuvor modellierten potenziellen Einstrahlung einerseits, und den Stationsmesswerten andererseits, abgeleitet und dann in die Fläche interpoliert. Dieses Vorgehen ist sowohl anfällig für die Vervielfältigung von Fehlern und Ungenauigkeiten in der Modellierung der potenziellen Einstrahlung, als auch etwaigen Messfehlern an den Stationen. Zwar gleichen diese Fehler in einigen Fällen eine ungenaue Modellierung der potenziellen Einstrahlung aus und führen so zu guten Ergebnissen bei der modellierten Globalstrahlung. Es lässt sich aber aus den Untersuchungen schließen, dass die Verwendung des Transmissivitätsfaktors für die Bewölkung aus Heliomont in Amundsen zu besseren Ergebnissen in der Modellierung der langwelligen Strahlungsbilanz führen kann. Die Kombination der beiden Ansätze und eine genauere Erfassung der zeitlichen und räumlichen Variabilität in der Aerosol- und Ozonkonzentration verspricht bessere Ergebnisse zu liefern als die einzelnen Modelle.

Zusammenfassung (Englisch)

This study compares two methods for modelling the global radiation in alpine regions. The first method is implemented in the alpine hydrology model Amundsen and derives spatially distributed global radiation from station data. The second, called Heliomont and developed by MeteoSwiss, aquires the global radiation based on reflectance and brightness temperature extracted from Meteosat satellite images. Both models account for the influence of the atmosphere, the cloud cover, the local topography and the snow cover. The comparison is based on the models performance in two alpine test sites with ten radiation stations each. Different time scales are analysed, from monthly means to hourly values. Amundsen is calculated for two different resolutions, 50 Meters and one kilometer, to be able to account for effects of the difference in model resolution between Heliomont (one kilometer resolution) and Amundsen. The study shows that even though the modelling of the clear sky radiation in Heliomont is physically more accurate, the resulting all sky radiation for hourly values has a lower Nash Sutcliffe Model Efficiency (NSME) of 0,77 compared to the Amundsen NSME of 0,87. This is a result of the lower spatial resolution, which cannot sufficiently account for the variability in topographic effects. However both models provide adequate results for most scientific applications, with a low percent bias of between 2,1% and 6,4% for hourly values and a very good NSME of around 0,9 for monthly means. In contrast to Amundsen, Heliomont does not depend on a dense local station network. For some applications this can be a great benefit. The reduction of atmospheric transmissivity due to cloud cover in Amundsen is derived at the station locations and is based on the modelled clear sky radiation and the station meassurements. It is then interpolated to the whole region of interest. This approach is prone to reproducing errors in the modelled clear sky radiation as well as errors and inaccuracies in the meassured data. On the one hand, the resulting inaccuracies compensate errors in the modelled clear sky radiation and can lead to better results in the modelled all sky radiation. On the other hand, the outcome of the presented study hints that the reduction of atmospheric transmissivity due to cloud cover as implemented in Heliomont might be physically more accurate and lead to better results for the estimation of the longwave radiative fluxes. The combination of the two approaches combined with a more accurate implementation of the variability in the atmospheric concentration of aerosols and ozone promises to yield better results than each model on its own.

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