Zur Untersuchung der solaren und thermischen Strahlung in der Erdatmosphäre und ihrer Wechselwirkung mit Wasser- und Eiswolken entwickeln und verwenden wir verschiedene Strahlungstransfermodelle, darunter ein Matrix-Operator-Modell (MOM), das Programmpaket libRadtran, sowie das dreidimensional MYSTIC.
LibRadtran ist ein umfangreiches Programmpaket für Strahlungstransferrechnungen, das seit 10 Jahren gemeinsam von Bernhard Mayer (IPA) und Arve Kylling (NILU, Norwegen) entwickelt wird. Es umfasst den gesamten solaren und thermischen Spektralbereich (siehe Abbildung) und ist unser wichtigstes Werkzeug zur Untersuchung der Wolken-Strahlungs-Wechselwirkung und zur Entwicklung neuer Fernerkundungsverfahren. libRadtran bietet verschiedene Methoden zur Berechnung des Strahlungsfeldes, unter anderem den häufig verwendeten DISORT-Algorithmus (Stamnes et al., 1988), einen polarisationsabhängigen Algorithmus polRadtran, ein schnelles Zweistrommodell, sowie das dreidimensionale MYSTIC (siehe weiter unten). libRadtran bietet ein flexibles und benutzerfreundliches Interface zur Definition der Atmosphäre, unter anderem der Profile von Druck, Temperatur und Spurengaskonzentrationen, der Mikrophysik und Geometrie von Wasser- und Eiswolken, sowie der Eigenschaften der Erdoberfläche. Es wurde von den Autoren für vielfältige wissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt, darunter die Simulation der ultravioletten (UV) Strahlung unter wolkenlosen und bewölkten Bedingungen (Mayer et al., 1997, 1998a), zur Untersuchung des Einflusses inhomogener Bodeneigenschaften auf die UV-Strahlung (Mayer and Degünther, 2000; Kylling et al., 2000; 2001), zur Ableitung von UV-Bestrahlungsstärke und aktinischen Fluss aus Satellitenbeobachtungen (Mayer et al 1998b; 1998c), zu Test und Verbesserung von Klimamodellparametrisierungen (Marquart and Mayer, 2002), sowie der Entwicklung von Fernerkundungsverfahren. (Gonzalez et al., 2002). libRadtran ist Open Source unter der GNU Public License und ist unter http://www.libradtran.org verfügbar. Es wurde von verschiedenen Gruppen für unterschiedliche Zwecke verwendet und wurde in mehreren Modellvergleichen (Koepke et al., 1998; van Weele et al, 2000; DeBacker et al., 2001) und durch Vergleich mit experimentellen Daten (Mayer et al, 1997) validiert.
Der Monte Carlo code for the physically correct tracing of photons in cloudy atmospheres (MYSTIC) wurde von Bernhard Mayer entwickelt (Mayer, 1999, 2000). MYSTIC berücksichtigt nicht nur inhomogene Wolken sondern auch jegliche Art von Heterogenität des Erdbodens, d.h. die Verteilung der Reflektivität und die Orographie (Mayer and Degünther, 2000; Kylling and Mayer, 2001). MYSTIC berücksichtigt Streuung und Absorption durch Moleküle und Aerosol- und Wolkenpartikel, sowie Reflexion am Erdboden ohne vereinfachende Annahmen. Das Modellergebnis kann daher als exakt für die gegebenen Eingabedaten bezeichnet werden, innerhalb eines statistischen Rauschens dessen Grösse nur von der Rechenzeit abhängt. Alle Strahlungsgrössen werden durch Mittelung vieler Photonen auf ihren statistischen Wegen durch die Atmosphäre bestimmt, wobei je nach Anwendung typischerweise zwischen 10,000 und 100,000,000 Photonen verfolgt werden. MYSTIC wurde im Rahmen des Intercomparison of 3D Radiation Codes (I3RC) mit anderen dreidimensionalen Strahlungstransfermodellen verglichen und war dort in einer Gruppen von wenigen Modellen, die in allen Fällen innerhalb von 1% übereinstimmten.