Alle lebenden und nicht lebenden Körper geben langwellige Strahlung ab. Die Stärke der Strahlung ist proportional zur Temperatur (gemessen in Kelvin) des Körpers, erhöht um die vierte Potenz. Zu den wichtigsten Quellen langwelliger Strahlung für hydrologische Anwendungen gehören die Atmosphäre selbst und alle Wolken, die sich lokal in der Atmosphäre befinden. Wolken haben in der Regel einen höheren Wärmeinhalt und eine höhere Temperatur als eine klare Atmosphäre, so dass die abwärts gerichtete langwellige Strahlung an bewölkten Tagen erhöht ist. Ob die Atmosphäre und die Wolken eine Nettoquelle für langwellige Strahlung zur Landoberfläche darstellen, hängt von ihrer Temperatur im Verhältnis zur Temperatur der Landoberfläche ab. In den meisten Fällen ist die langwellige Nettostrahlung während der Tagesstunden einfallend und während der Nachtstunden ausfallend.
Die im meteorologischen Modell enthaltene Methode der langwelligen Strahlung ist nur dann erforderlich, wenn Energiebilanzmethoden für die Evapotranspiration oder Schneeschmelze verwendet werden. Die verfügbaren Optionen decken einen Detailbereich von einfach bis komplex ab. Einfache spezifizierte Methoden sind auch für die Eingabe einer Zeitreihe oder eines Gitters verfügbar. Jede Option erzeugt die abwärts gerichtete langwellige Strahlung, die an der Landoberfläche ankommt. Die Absorption und Abstrahlung durch die Landoberfläche wird innerhalb des Subbasiselements berechnet. Weitere Einzelheiten zu den einzelnen Methoden werden in den folgenden Abschnitten beschrieben.
Die FAO56-Methode implementiert den von Allen, Pereira, Raes und Smith (1998) beschriebenen Algorithmus. Der Algorithmus berechnet die solare Deklination und den solaren Winkel für jedes Zeitintervall der Simulation unter Verwendung der Koordinaten des Teileinzugsgebiets, des julianischen Tages des Jahres und der Zeit in der Mitte des Intervalls. Die Sonnenwerte werden verwendet, um die freie Himmelsstrahlung für jedes Teileinzugsgebiet zu berechnen. Die berechnete kurzwellige Strahlung wird dann durch die berechnete Himmelsstrahlung geteilt, um den Anteil der kurzwelligen Strahlung zu schätzen, der den Boden erreicht. Schließlich wird der Anteil der kurzwelligen Strahlung, der den Boden erreicht, mit dem Dampfdruck kombiniert, um eine Reduktion der abwärts gerichteten langwelligen Strahlung auf der Grundlage der Stefan-Bolrzman-Gleichung zu berechnen.
Die FAO56-Methode umfasst einen Komponenten-Editor mit Parameterdaten für alle Teileinzugsgebiete im meteorologischen Modell; dieselben Daten werden auch mit der FAO56-Methode für kurzwellige Strahlung geteilt. Wenn FAO56 sowohl für die kurzwellige als auch für die langwellige Strahlung verwendet wird, zeigt das Symbol vorzugsweise das Symbol für die kurzwellige Strahlung. Für jedes Teileinzugsgebiet ist auch ein Komponenteneditor vorhanden. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugang zu den langwelligen Komponenten-Editoren mit Hilfe eines Bildes der Wolkenschwarzkörperstrahlung (Abbildung 1).
Ein Lufttemperaturmesser und ein Windgeschwindigkeitsmesser müssen in den atmosphärischen Variablen für jedes Teileinzugsgebiet ausgewählt werden. Für die Wasserdampfmethode sind je nach ausgewähltem Dampfdrucktyp ein Messgerät für die relative Feuchte, die Taupunkttemperatur oder die Lufttemperatur erforderlich.
Abbildung 1. Ein meteorologisches Modell, das die langwellige FAO56-Methode verwendet, mit einem Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete und einem separaten Komponenten-Editor für jedes einzelne Teileinzugsgebiet.
Ein Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete des meteorologischen Modells enthält den zentralen Meridian der Zeitzone (Abbildung 2). Für die Zeitzone gibt es derzeit keine Angabe, so dass der Meridian manuell angegeben werden muss. Der Zentralmeridian ist in der Regel der Längengrad in der Mitte der lokalen Zeitzone. Meridiane westlich des nullten Längengrades sollten als negativ angegeben werden, während Meridiane östlich des nullten Längengrades als positiv angegeben werden sollten. Der Meridian kann je nach den Programmeinstellungen in Dezimalgraden oder in Grad, Minuten und Sekunden angegeben werden.
Abbildung 2. Die FAO56-Langwellenmethode erfordert den Zentralmeridian der Zeitzone.
Der Komponenten-Editor für jedes Teilgebiet im meteorologischen Modell wird verwendet, um einen Dampfdrucktyp auszuwählen und Parameterdaten einzugeben, die erforderlich sind, um Unterschiede zur Schwarzkörperstrahlung bei klarem Himmel zu berücksichtigen (Abbildung 3). Der tatsächliche Dampfdruck wird als Feuchtigkeitskorrektur für die emittierte langwellige Strahlung verwendet. Der tatsächliche Dampfdruck kann anhand der Taupunkttemperatur, der relativen Luftfeuchtigkeit oder der täglichen Mindesttemperatur berechnet werden. Die Option Tagesminimumtemperatur sollte verwendet werden, wenn keine Daten zur relativen Luftfeuchtigkeit oder zum Taupunkt vorliegen; bei der Option Tagesminimumtemperatur wird davon ausgegangen, dass die Taupunkttemperatur gleich der Tagesminimumtemperatur ist. Derzeit ist die einzige Methode zur Berechnung der Unterschiede zur Strahlung bei klarem Himmel diejenige, die auf der Höhenlage basiert. Für jedes Unterbecken sollte eine repräsentative Höhe eingegeben werden.
Abbildung 3. Angabe des Dampfdrucktyps und der repräsentativen Höhe für ein Teilgebiet im FAO56-Langwellen-Teilgebietskomponenten-Editor.
Gridded Longwave
Die Gridded Longwave-Methode ist für die Arbeit mit der ModClark-Gridded-Transformation konzipiert. Sie kann jedoch auch mit anderen Flächenmittelwert-Transformationsmethoden verwendet werden. Die häufigste Anwendung der Methode ist die Verwendung von gerasterten langwelligen Strahlungsschätzungen, die von einem externen Modell, z.B. einem dynamischen atmosphärischen Modell, erzeugt wurden. Wenn sie mit einer anderen Transformationsmethode als ModClark verwendet wird, wird ein flächengewichteter Durchschnitt der Gitterzellen im Teilgebiet verwendet, um die langwellige Strahlungszeitreihe für jedes Teilgebiet zu berechnen.
Die Methode der gerasterten langwelligen Strahlung umfasst einen Komponenteneditor mit Parameterdaten für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugriff auf den Langwellen-Komponenten-Editor über ein Bild der abwärts gerichteten Strahlung von Wolken (Abbildung 4).
Abbildung 4. Ein meteorologisches Modell unter Verwendung der gerasterten Langwellenmethode mit einem Komponenteneditor für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell.
Ein Komponenteneditor für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell beinhaltet die Auswahl der Datenquelle (Abbildung 5). Für alle Teileinzugsgebiete muss ein Strahlungsgridset ausgewählt werden. Die aktuellen Gridsets werden in der Auswahlliste angezeigt. Wenn viele verschiedene Gridsets zur Verfügung stehen, können Sie ein Gridset aus dem Selektor auswählen, der über die Schaltfläche Grid neben der Auswahlliste aufgerufen wird. Der Selektor zeigt die Beschreibung für jedes Gridset an, was die Auswahl des richtigen Gridsets erleichtert.
Abbildung 5. Angabe der Datenquelle für die langwellige Strahlung für die gerasterte langwellige Methode.
Satterlund
Die Satterlund-Methode (Satterlund, 1979) verwendet Temperatur und Dampfdruck zur Schätzung der einfallenden langwelligen Strahlung. Obwohl bestimmte physikalische Grenzen eingehalten werden, ist der Ansatz im Wesentlichen empirisch. Sie liefert gute Schätzungen bei meist klarem Himmel und ist auch dann noch gut, wenn die Temperatur unter den Gefrierpunkt fällt. Sie hat den Vorteil, dass sie nur leicht verfügbare meteorologische Daten erfordert.
Die Satterlund-Methode umfasst einen Komponenten-Editor mit Parameterdaten für jedes Teilgebiet im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer ermöglicht den Zugang zu den langwelligen Komponenteneditoren anhand eines Bildes der Wärmestrahlung einer Wolke (Abbildung 6).
Ein Lufttemperaturmesser und ein Windgeschwindigkeitsmesser müssen in den atmosphärischen Variablen für jedes Unterbecken ausgewählt werden. Zusätzlich muss der Wasserdampf entweder mit einem Messgerät für die relative Feuchte oder für die Taupunkttemperatur angegeben werden.
Abbildung 6. Ein meteorologisches Modell, das die langwellige Satterlund-Methode verwendet, mit einem Komponenten-Editor für alle Teilgebiete des meteorologischen Modells.
Die einfallende langwellige Strahlung wird mit einer modifizierten Form der Gleichung für ideale Schwarzkörperstrahlung berechnet. Der Emissionsgrad wird als Funktion der Temperatur berechnet, wobei der Temperaturkoeffizient einen Standardwert von 2016 Kelvin hat. Zur Kalibrierung ist ein Emissionsgradkoeffizient enthalten, obwohl der Standardwert von 1,08 weit verbreitet ist. Die Emissionsgrad- und Temperaturkoeffizienten können im Komponenteneditor eingegeben werden, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Abbildung 7. Spezifizierung der thermodynamischen Eigenschaften für jedes Teilbecken.
Spezifizierter Pyrgeograph
Ein Pyrgeometer ist ein Instrument, das die abwärts gerichtete langwellige Strahlung messen kann. Sie gehören nicht zu den meteorologischen Basisbeobachtungsstationen, können aber in Stationen erster Ordnung enthalten sein. Diese Methode kann verwendet werden, um beobachtete Werte von einem Pyrgeometer zu importieren, oder sie kann verwendet werden, um Schätzungen zu importieren, die von einem externen Modell erzeugt wurden.
Die angegebene Pyrgeograph-Methode enthält einen Komponenten-Editor mit Parameterdaten für alle Teilgebiete im meteorologischen Modell. Der Watershed Explorer bietet Zugang zu den langwelligen Komponenten-Editoren über ein Bild der Wärmestrahlung einer Wolke (Abbildung 8).
Der Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete im meteorologischen Modell enthält den Zeitreihenmesser der langwelligen Strahlung für jedes Teileinzugsgebiet (Abbildung 9). Ein Strahlungsmesser muss für ein Teileinzugsgebiet ausgewählt werden. Die aktuellen Strahlungsmesser werden in der Auswahlliste angezeigt.
Abbildung 8. Ein meteorologisches Modell, das die angegebene langwellige Pyrgeograph-Methode mit einem Komponenten-Editor für alle Teileinzugsgebiete im meteorologischen Modell verwendet.
Abbildung 9. Spezifizierung des langwelligen Strahlungs-Zeitreihenmessers für jedes Teileinzugsgebiet.
