Observation and Interpretation of the Variability in Middle Atmospheric Water Vapor and Ozone

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1 Promotionsvortrag Observation and Interpretation of the Variability in Middle Atmospheric Water Vapor and Ozone Thomas Flury Institut für Angewandte Physik, Universität Bern

2 Promotionsvortrag Inhalt 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre 2) Mikrowellenradiometrie: Messungen am IAP 3) Variabilität von O 3 und H 2 O (Publikationen)

3 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre Mesosphäre Stratosphäre Mittlere Atmosphäre Temperatur, Wasserdampf und Ozon Troposphäre 90 % des Wasserdampfs in der Troposphäre unterhalb 5 km 90 % des Ozons in der Stratosphäre

4 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre Wasserdampfverteilung Integrierter Wasserdampf März 2010, H2O IWV [kg/m2] Quelle: NASA, GIOVANNI H2O verdunstet über Ozeanen und Land Wärmere Luft kann mehr H2O aufnehmen

5 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre Mittlere Atmosphäre: Wasserdampf 96 Höhe [km] Sommer S Äq N Winter Stratosphäre H2O Zunahme: CH 4 +3O2 +hν 2H 2O +CO +O3 Mesosphäre H2O Abnahme: H 2O +hν (λ < 200nm) H +OH Brewer-Dobson Zirkulation sorgt für die breitenabhängige Variabilität

6 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre Ozonverteilung: Gesamtozon Quelle: Viel O 3 im Frühjahr in unseren Breiten, wenig in den Tropen Starke O 3 Variabilität durch Transporteffekte Mittlere Ozonschicht entspricht 3 mm dicken Schicht unter Normbedingungen

7 2) Mikrowellenradiometrie: Messungen am IAP Instrumente Wasserdampf Ozon GROMOS, Bern MIAWARA, Zimmerwald Profile km Profile km Zeitauflösung 2 min bis 2 h Zeitauflösung StundenTage MIAWARA AMSOS, im Flugzeug Profile km Zeitauflösung 6-30 min

8 2) Mikrowellenradiometrie: Messungen am IAP Messprinzip: Mikrowellenradiometrie Mesosphäre Wasserdampf H 2 O Profil Stratosphäre Troposphäre I Charakteristische Strahlung Antenne f Detektor Messgerät empfängt Mikrowellenstrahlung, die aus Rotationsübergängen der Moleküle entsteht

9 2) Mikrowellenradiometrie: Messungen am IAP Spektrallinie enthält Höheninformation Emissionsschicht Druckverbreiterung der Linie Untere Mesosphäre Δf p Faustregel: 1 MHz ~ 1 hpa Mittlere Stratosphäre Δf p(z) If Untere Stratosphäre Ganze Atmosphäre f0 Strahlungstransfer Inversion

10 Promotionsvortrag Fazit 1 Wasserdampf- und Ozonmessungen an der Uni Bern mittels Mikrowellenradiometrie Wasserdampf nimmt mit der Höhe um 4 Grössenordnungen ab. 90 % sind unterhalb von 5 km Höhe in der Troposphäre 90 % des Ozons liegt in der Stratosphäre zwischen km Wasserdampf und Ozon in der mittleren Atmosphäre sind nicht konstant, es gibt zeitliche wie auch räumliche Schwankungen Diese Schwankungen sind Thema meiner Arbeit

11 Promotionsvortrag Publikationen: Fallstudien 1. Water Vapor transport in the lower mesosphere of the subtropics: a trajectory analysis, ACP, Ozone depletion, water vapor increase and PSC generation at midlatitudes by the 2008 major sudden stratospheric warming, JGR, Gravity wave activity at midlatitudes during sudden stratospheric warmings in 2008, JGR, submitted First measurements of lower mesospheric wind by airborne microwave radiometry, GRL, 2008

12 3) Publikationen: 1. ACP 2008 Messflug nach Australien Differenz Rückflug/Hinflug % z[km] Breite [ ] Über 20 % mehr H2O auf Rückflug über Indien Keine Quellen von H2O auf dieser Höhe Woher? Lösung: Transportstudie

13 3) Publikationen: 1. ACP 2008 Herausforderung Keine Windmessungen in unterer Mesosphäre Es gibt aber Winddaten für die Mesosphäre, diese beruhen auf Modellrechnungen mit Messdaten von unterhalb 40 km Es gibt kaum Validationen dieser Daten, junges Forschungsgebiet Entwurf eines eigenen Modells, das mit den Winddaten von ECMWF Reanalyse Lufttrajektorien rechnet: TomToM = Tom's Trajectory Model

14 3) Publikationen: 1. ACP 2008 Wasserdampftransport auf 60 km Höhe Hinflug: 3 Tage rückwärts Rückflug: 3 Tage rückwärts Aura/MLS H2O 3 Tage vor Flug Aura/MLS H2O 3 Tage vor Flug Quelle: mls.jpl.nasa.gov

15 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Stratosphärische Erwärmung (SSW) 2008 Temperaturen über Bern von Troposphäre bis Mesosphäre

16 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Temperaturverlauf auf der Nordhalbkugel

17 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Ozonabnahme Stratosphäre auf 37 km Höhe Ozon und Temperatur sind antikorreliert

18 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Ozonabnahme Stratosphäre auf 20 km Höhe Ozon und Temperatur nehmen gleichzeitig ab

19 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Woher kam die Luft?

20 3) Publikationen: 2. JGR 2009 PSC vom Satelliten CALIPSO gemessen 20 km Quelle: NASA 67 N 49 N Polar Stratospheric Cloud (PSC) massgeblich am Ozonabbau im polaren Wirbel beteiligt

21 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Woher kam die Luft?

22 3) Publikationen: 2. JGR 2009 Chemie Modell für obere Stratosphäre Ozonkonzentration entlang der 3 Tages Trajektorie Abnahme aufgrund der Temperaturzunahme am Schluss O + O2 + M O3 + M Langsamer bei höherer Temperatur NO + O3 NO2 +O2 Schneller bei höherer Temperatur

23 Promotionsvortrag Offene Fragen zu den SSW Wo und wie wird ein SSW ausgelöst? Gibt es eine dynamische Kopplung zur Troposphäre? Untersuche Radiosondendaten, die sowohl Troposphäre als auch Stratosphäre abdecken! Solche werden zweimal täglich in Payerne erhoben.

24 3) Publikationen: 3. JGR 2010 Temperaturprofile aus Payerne Zeitlich geordnete Profile Profile wackeliger während SSW (rot) Grund: Schwerewellen Mögliche Ursachen: Windscherung, Berge, Konvektion Untersuche die Zusammenhänge von Schwerewellenaktivität und Windstärke!

25 3) Publikationen: 3. JGR 2010 Tropopausenjet als Ursache? Windgeschwindigkeit (Farbe) und Wellenaktivität (Konturen)" Erhöhte Wellenaktivität bei grossen Jetwinden

26 3) Publikationen: 3. JGR 2010 Polarwirbel in der Schweiz 19. Jan Jan Feb 2008 Schweiz am Rand des Wirbels - hohe Wellenaktivität Schweiz ausserhalb des Wirbels - geringe Wellenaktivität Schweiz innerhalb des Wirbels - geringe Wellenaktivität

27 3) Publikationen: 4. GRL 2008 Windmessung mit Mikrowellenradiometrie Doppler Frequenzverschiebung der Linienspitze : Bestimme damit den mesosphärischen Wind: Δf = f0 u c Δf u= c f0

28 3) Publikationen: 4. GRL 2008 Test des Windmessprinzips Vergleich mit ECMWF Studie für Messflug nach Australien Messunsicherheit 14 m/s Vergleich mit ECMWF Reanalyse ist motivierend Aufbau eines neuen Windradiometers

29 Promotionsvortrag Zusammenfassung H 2 O und O 3 können als Tracer für Transport gebraucht werden O 3 in der oberen Stratosphäre stark abhängig von der Temperatur (NO Zyklus) Wind und Wellen wichtig für die Kopplung von unterer und mittlerer Atmosphäre (Stratosphärische Erwärmung) Zukunft in Bern Neues Radiometer ausschliesslich für Windmessungen Untersuchung der SSW 2009 und 2010 mit weiteren Messgeräten: MIAWARA-C und SWARA

30 Promotionsvortrag Danksagung Prof. Nik Kämpfer Dr. Klemens Hocke Mikrowellengruppe Danke für Ihre Aufmerksamkeit

31 Reservefolien

32 1) Wasserdampf und Ozon in der Atmosphäre Atmosphäre: Aufbau 78 % N2, 21 % O2 CO2: 388 ppm Temperaturen von 60 C bis -140 C 80 % der Masse in der Troposphäre H2O (+21 C), CO2 (+7 C) und O3 (+2 C) wichtigste Treibhausgase Mittlere Atmosphäre kowoma.de

33 2) Mikrowellenradiometrie: Messungen am IAP Praxis: Rückwärtsrechnung GEGEBEN: Messspektrum GESUCHT: Ozonprofil Rückwärtsrechnung F 1 ( I ( f )) = x z I( f ) Vorwärtsrechnung I ( f ) = F ( x,b) x Frequenz f Inversion Die Vorwärtsrechnung wird iterativ durchgeführt Bei jedem Schritt wird Profil so angepasst, dass sich das modellierte Spektrum an das gemessene anschmiegt

34 3) Publikationen: 3. JGR 2010 Radiosondenaufstieg ist gewellt Messung während SSW Wellenberge sichtbar λz=2.5 km λh=30 km Vermutlich Schwerewellen Ausgelöst von starken Winden und Topographie

35 3) Publikationen: JGR 2010 Hohe Wellenaktivität am Wirbelrand

36 3) Publikationen: 2) JGR 2009 Ozonabnahme, Wasserdampfzunahme km

37 3) Publikationen: 4) GRL 2008 Windmessungen für Mesosphäre Diverse Windmesstechniken Keine Technik für die untere Mesosphäre! Mikrowellenradiometrie kann diese Lücke füllen Lücke Benütze den Dopplereffekt der durch Wind verursacht wird. Spektrometerauflösung von 12 khz genügt dem winderzeugten Dopplereffekt Burrows et al., JGR 2007

38 3) Publikationen: GRL 2008 Bestimme Linienmitte Bestimmung der Linienmitte mit Schwerpunktsmethode Nehme alle Werte 90% rund um Intensitätsmaximum f c = i i f i I( f i ) I( f i ) mit I( f i ) 0.9I max Präzision der Methode: 8.5 khz Unsicherheit von 14 m/s