Wie bestimmt man Saharastaubereignisse mit Ceilometern? 9. Mai 2018

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1 Wie bestimmt man Saharastaubereignisse mit Ceilometern? 9. Mai 2018 Werner Thomas, Harald Flentje, Ina Mattis, Gerhard Müller Meteorologisches Observatorium Hohenpeißenberg 1) Einleitung ) Das DWD Ceilometermessnetz ) Interpretation der Rückstreusignale von Ceilometern ) Einleitung Saharastaubausbrüche sind in Mitteleuropa die wichtigste Quelle einer natürlicherweise hohen Aerosolkonzentration in der Atmosphäre. Über die Hälfte des globalen troposphärischen Aerosols und etwa 35% der primär emittierten Partikelmasse bestehen aus Mineralstaubpartikeln, von denen etwa die Hälfte aus der Sahara und der Rest aus anderen Wüstenregionen der Erde stammt. Mit ca. 1.8 Mrd. Tonnen pro Jahr trägt Winderosion von Mineralstaub zur globalen Aerosolbilanz bei. Mineralstaub beeinflusst das Erd-Atmosphäre System durch Streuung und teilweise Absorption eintreffender Solarstrahlung. Indirekte Einflüsse von Partikeln auf Wetter und des Klima resultieren aus ihrer Funktion als Wolken-Kondensationskeime, die die Wolkenbedeckung erhöhen und die Niederschlagsmenge verringern. Die Häufigkeit von Staubausbrüchen in Richtung Europa ist abhängig von der Jahreszeit. Zudem sind die Quellregionen und die typischen Transportwege der Staubwolken jahreszeitenabhängig. Mitteleuropa ist im Frühjahr meist durch direkten Transport von Staub betroffen, der südlich der Atlasregion aufgewirbelt wird. Im Sommer dominiert häufig Transport aus südwestlicher Richtung, der Partikel auf der Vorderseite von Tiefdrucksystemen nach Europa bringt. Staubpartikel werden jedoch auch direkt mit östlicher Strömung aus der Zentralsahara auf den Atlantik verfrachtet und geraten dort unter den Einfluss des Azorenhochs. Auf der Rückseite des Hochs werden die Partikel nach Norden transportiert und die Staubwolken überqueren auf diese Weise Mitteleuropa aus westlichen bis nördlichen Richtungen kommend, nach Osten und Südosten. Rötliche bis bräunlich gefärbte Schneeflächen im Winter sind ein seltenes aber spektakuläres Ereignis, welches Blutschnee genannt wird. Im Falle von Regen wird das Ereignis entsprechend Blutregen genannt. In seltenen Fällen wie beispielsweise während des außergewöhnlichen Saharastaubereignissen im Mai 2008 werden bodennah am Meteorologischen Observatorium Hohenpeißenberg Partikelmassenkonzentration von µg/cm 3 erreicht. Dies entspricht etwa dem zwanzigfachen der üblichen Massenkonzentration. Über Deutschland werden im Mittel 5-15 Saharastaubereignisse pro Jahr mit insgesamt 10 bis 60 Tagen Dauer beobachtet (Abb. 1). Eine große Zahl der Ereignisse zeigt eine erhöhte Aerosolbelastung der freien Troposphäre, während die bodennahen Luftschichten nicht immer betroffen sind. Die in Abb. 1 gezeigte jährliche mittlere Häufigkeitsverteilung von Saharastaubtagen weist einen deutlichen Süd-Nord Gradient von rund 60 Tagen im Süden zu etwa 30 Tagen im Norden auf. Ein ausgeprägter West-Ost Gradient ist dagegen nur südlich von rund 50 nördlicher Breite erkennbar. Ein plausibler Grund hierfür ist die blockierende Wirkung des - 1 -

2 Abb. 1: Mittlere jährliche Häufigkeit von Saharastaubtagen in Deutschland, abgeleitet aus Ceilometermessungen von Januar 2014 bis Dezember Die Identifizierung von Saharastaub erfordert Zusatzdaten, wie beispielsweise die AERONET Sonnenphotometerdaten, Daten von hochentwickelten Aerosollidarsystemen und Rückwärtstrajektorien zum Luftmassentransport. Alpenbogens für den direkten Transport aus südlichen Breiten, der vermehrtes Auftreten von Saharastaubereignissen im Südosten Deutschlands verhindert. 2) Das DWD Ceilometermessnetz Das messtechnische Rückgrat der Saharastaubüberwachung ist das DWD Ceilometermessnetz, welches im Mai 2018 aus insgesamt 123 Messgeräten des Typs CHM15K der Firma Lufft (vormals Jenoptik) besteht. Die Geräte sind überwiegend an synoptischen Stationen des DWD im Einsatz. Die mittlere räumliche Distanz zwischen den Geräten beträgt rund 40 km. Ceilometer sind laserbasierte aktive Fernerkundungssysteme, welche typischerweise für die Bestimmung der Wolkenunterkante verwendet werden. Weitere routinemässig abgeleitete Grössen sind der Wolkenbedeckungsgrad und die Höhe der atmosphärischen Mischungsschicht

3 Aus technischer Sicht sind Ceilometer kostengünstige Lidarsysteme mit geringer Laserleistung, welche entsprechende Messungen bei lediglich einer Wellenlänge (hier 1064 nm, nahes Infrarot) vornehmen. Die Instrumente werden rund um die Uhr automatisch betrieben. Mithilfe der CHM15K-Messungen erkennt man Wolken bis in eine Höhe von rund 15 km über Grund, jedoch zeigen Studien aus der jüngeren Vergangenheit, dass das Instrument auch die Rückstreuung von Aerosolpartikeln in der Troposphäre registriert. Der Routinebetrieb zur Bestimmung von Wolkenhöhen und der Höhe sowie geometrischer Dicke von Aerosolschichten benötigt kein kalibriertes Instrument, aber die Bestimmung von physikalischen Aerosolgrössen ist nur mit kalibrierten Geräten möglich. Zur Kalibration werden die Rohdaten des Instruments benötigt (25 Mbyte/Tag). Diese werden geräteintern zwischengespeichert und in fünfminütigen Intervallen an die DWD Zentrale übermittelt. Die Bestimmung des abgeschwächten Partikelrückstreukoeffizienten (siehe Abb. 2-3) aus den Rohsignalen erfordert die Erkennung bewölkter Szenen sowie ein kalibriertes Gerät. Die unkalibrierten Rückstreuintensitäten hingegen differieren aufgrund der technischen Bandbreite der Geräte (Laserleistung, optische Justage) und aus diesen Rohdaten abgeleitete Rückstreukoeffizienten würden selbst bei Sondierung des gleichen Atmosphärenvolumens unterschiedliche Ergebnisse erbringen. Die DWD Geräte werden mit der sogenannten Rayleighmethode kalibriert. Nimmt man weiter entsprechend des dominierenden Aerosoltyps ein Lidarverhältnis an, d.h. das Verhältnis von Extinktion zu Rückstreuung, dann ist es im Weiteren möglich aus den Messdaten das Extinktionsprofil zu bestimmen. Mit weiteren Annahmen zum Konversionsfaktor Volumen zu Extinktion der Partikel und der Partikeldichte ist es möglich, die Aerosolmassenkonzentration zu bestimmen. Diese Grösse ist allerdings mit einer Unsicherheit von wenigstens einem Faktor zwei und darüber behaftet. 3) Interpretation der Rückstreusignale von Ceilometern Unser Beispiel zeigt Ergebnisse für den 8. und 9. April 2018 des Ceilometers in Fürstenzell (48.55 N, E) nahe der österreichischen Grenze im Südosten Deutschlands. Der abgeschwächte Rückstreukoeffizient wird typischerweise auf den Grafiken gezeigt, die an deutschen Ceilometerstandorten über die Ceilomap Webseite abrufbar sind ( Von Mitternacht bis etwa 09:00 GMT (MEZ = GMT + 1 Stunde) erkennt man hauptsächlich die aerosolbeladene gelblich eingefärbte atmosphärische Grenzschicht bis etwa 1 km über Grund und darüber liegend in Grün- und Blautönen das schwach streuende Hintergrundaerosol (background aerosol) in der freien Troposphäre bis etwa 8 km über Grund. Man erkennt in den Morgenstunden auch feinere Strukturen im Rückstreusignal zwischen 1.5 km und 4 km über Grund, welche jedoch ohne zusätzliche Messungen nicht spezifischen Aerosoltypen zugeordnet werden können. Im Weiteren beobachten wir zwischen 09:00 und 15:00 GMT eine aerosolführende Schicht zwischen 3 km und 7 km über Grund (grüngelbe Färbung), die möglicherweise von antransportiertem Waldbrandaerosol (biomass burning aerosol) von Wald- und Buschbränden stammt. Es kann jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass hier bereits Saharastaub, der in unterschiedlichen Höhen transportiert wurde, zu sehen ist. Die Unterscheidung verschiedener Aerosoltypen würde ein sogenanntes Raman-Lidar oder ein Lidar mit einem Empfänger für depolarisierte Rückstreuung erfordern. Zur Unterscheidung der Aerosoltypen wäre auch eine AERONET- Station mit einem Sonnenphotometer in der Nähe des Ceilometers hilfreich

4 Abb. 2: Zeit-Höhenschnitt des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten am Standort Fürstenzell am 8. April Details im Text.. Das Saharastaubereignis begann gegen 15:00 GMT (Abb. 2) und bis Mitternacht wuchs die staubführende Schicht (Saharan dust) von 500 m bis auf rund 4.5 km über Grund an (gelb-orange). Die fehlende Möglichkeit aus Ceilometerdaten alleine den Aerosoltyp zu bestimmen macht sich vor allem zu Beginn des Saharastaubereignisses bemerkbar. Der berechnete Rückstreukoeffizient lässt keine Unterscheidung zwischen Saharastaub und offensichtlich bereits vorhandenem Aerosol in der atmosphärischen Schicht unterhalb von 1 km über Grund zu. Das Ereignis setzte sich am 9. April 2018 fort (Abb. 3) und Saharastaub konnte den ganzen Tag über beobachtet werden. Von Mitternacht bis etwa 18:00 GMT wurde der Staub überwiegend zwischen 3 km und 5 km über Grund gefunden. Interessanterweise nahm die vertikale Mächtigkeit der Staubschicht im Laufe des Tages deutlich ab und verlor zudem den Kontakt zur bodennahen Grenzschicht. Zeitlich überlappend jedoch begann gegen 16:30 GMT die Aerosolrückstreuung im bodennahen Bereich und weiter bis etwa 3 km über Grund zuzunehmen, während in höheren Atmosphärenschichten darüber das Rückstreusignal mehr und mehr auf Hintergrundwerte zurückging. Vermutlich ist die Abnahme der Aerosolkonzentration in der Höhe nicht auf Sedimentation sondern auf geänderte Transportbedingungen, beispielsweise ausgelöst durch eine Änderung der Windrichtung, zurückzuführen. Wolken (clouds) wurden an diesem Tag in den Morgenstunden sowie erneut in den Nachmittags- und Abendstunden in 8 km bis 10 km Höhe über Grund erkannt. Die Rückstreuintensität von Eiskristallen und Wolkentröpfchen ist wesentlich höher als die von Aerosolpartikeln und auf diese Weise lassen sich Wolken und Aerosolstrukturen auch gut voneinander trennen

5 Abb. 3: Zeit-Höhenschnitt des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten am Standort Fürstenzell am 9. April Details im Text. Hinweis: Die Farbgebung orientiert sich am Wert des abgeschwächten Rückstreukoeffizienten und nicht am Aerosoltyp. Ein starkes Saharastaubereignis wird somit beispielsweise in orange-rötlichen Farbtönen dargestellt werden, während ein schwaches Ereignis in Grüntönen erscheinen würde. Zudem sei darauf hingewiesen, dass weisse Flächen in den Diagrammen ein Signal-zu-Rauschverhältnis von unter 1 aufweisen. Die Empfindlichkeit der Geräte limitiert hier den Informationsgehalt. Weiße Flächen bedeuten somit nicht notwendigerweise, dass keine Aerosolpartikel vorhanden sind sondern lediglich, dass die Messungen Ab- oder Anwesenheit von Partikeln nicht zuverlässig anzeigen können