Wasserdampfmessungen in der mittleren Atmosphäre?
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- Günter Götz Möller
- vor 6 Jahren
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1 Fernerkundung von Wasserdampf in der mittleren Atmosphäre mittels Mikrowellenradiometrie Validation und Anwendungen Beat Deuber Promotionsvortrag 24. März 2005 Universität Bern
2 Ziel > Wieso gibt es ein Interesse an Wasserdampfmessungen in der mittleren Atmosphäre? > Wie funktioniert die Fernerkundung der Atmosphäre mit Mikrowellen? > Wie stelle ich sicher, dass ich meinen Messdaten vertrauen kann? > Gibt es konkrete Anwendungen dieser Messungen?
3 Wasserdampf > 30 km: H 2 O Anteil am Volumen der Luft %,
4 Wasserdampf in der mittleren Atmosphäre > Wasserdampf ist ein Treibhausgas. > Wasserdampf ist an wichtigen chemischen Prozessen beteiligt u.a. Ozonabbau. > Wolkenbildung in der Stratosphäre (PSC: Polar Stratospheric Clouds) und Mesosphäre (NLC: Noctilucent Clouds). > Wasserdampf eignet sich als 'Tracer' für atmosphärische Bewegungen.
5 Positiver Wasserdampftrend Oltmans et al. GRL 2000
6 Positiver Wasserdampftrend > Wasserdampfzunahme nur bedingt verstanden: - Methanoxidation -? > Wasserdampfzunahme seit 1950 führt zu einer Temperaturzunahme auf der Erde im Umfang von 40% derjenigen durch die CO 2 Zunahme seit der Industrialisierung. [Foster and Shine, 1999]
7 Fernerkundung mit Mikrowellenradiometrie > Emission & Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Moleküle: E m E n = hf > Wasserdampf bei GHz, 183 GHz,... > Druckverbreiterung der Emissionsfrequenz > Strahlungstransfer durch die Atmosphäre > Inversion -> Wasserdampfprofil
8 Druckverbreitertes Spektrum
9 Fernerkundung mit Mikrowellenradiometrie > Emission & Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Moleküle: E m E n = hf > Wasserdampf bei GHz, 183 GHz,... > Druckverbreiterung der Emissionsfrequenz > Strahlungstransfer durch die Atmosphäre > Inversion -> Wasserdampfprofil
10 Inversion
11 Inversion
12 Middle Atmospheric Water Vapour Radiometer MIAWARA
13 MIAWARA > bodengestützt > GHz +/- 500 MHz > Frequenzauflösung: 10 khz / 600 khz > Wasserdampfprofile: 20 65/80 km > Kalibration: Balancing & Tipping Curve > Kampagnentauglich: - selbstkalibrierend - fernsteuerbar [Deuber et al., IEEE TGRS 2004] [Deuber and Kämpfer, RS 2004]
14 MIAWARA Block Schema
15 Gemessenes Spektrum bei 22 GHz
16 Selbstkalibration Tipping Curve > Ersatz kalte Eichlast in flüssigem Stickstoff -> Himmel als kalte Last verwenden. > Strahlungstransfer in der Troposphäre: > Helligkeitstemperatur des Himmels berechenbar. > Validation der Tipping Curve durch flüssig- Stickstoff Kalibration und Referenzinstrumente. [Deuber et al, IEEE 2004, Deuber et al, JGR in press]
17 IWV: Integrierter Wasserdampf
18 Messungen mit MIAWARA 2003 Korrekt?
19 Validation von MIAWARA mit Referenzinstrumenten > Gleiche Luftmassen untersuchen: Differenz geografische Länge/Breite, Zeit? > Unterschiedliche Höhenauflösungen der verglichenen Instrumente. > Atmosphärische Situation: dynamische Bewegungen? > Qualität Referenzinstrument, bekannte Fehler,...
20 Validation mit Satelliteninstrumenten > 'Globale' Abdeckung > Verschiedene Höhenauflösungen: > lat +/- 5 lon +/- 40, t < 1 Tag > HALOE / UARS Halogen Occultation Experiment
21
22 Validation mit Satelliteninstrumenten > 'Globale' Abdeckung > Verschiedene Höhenauflösungen: > lat +/- 5 lon +/- 40, t < 1 Tag > HALOE / UARS Halogen Occultation Experiment
23 Vergleich mit HALOE / UARS Satellit 10. Oktober 2003 HALOE HALOE orig. MIAWARA lat = lon = d = 283 km
24 HALOE MIAWARA Differenz Total: Differenz < 10 %
25 LAUTLOS / WAVVAP Kampagne
26 LAUTLOS / WAVVAP Kampagne > Lapbiat Upper Tropospheric Lower Stratospheric Water Vapour Validation Project > Sodankylä, Lappland (67.4 N / 26.6 E / 180 m.ü.m.) Januar Februar > Dynamisch aktive Atmosphäre, Messungen innerhalb / ausserhalb polarem Vortex. > Performance Test unter Extrembedingungen. > Vergleich mit Ballonsonden & Polarsatellit POAM.
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28 LAUTLOS / WAVVAP Kampagne > Lapbiat Upper Tropospheric Lower Stratospheric Water Vapour Validation Project > Sodankylä, Lappland (67.4 N / 26.6 E / 180 m.ü.m.) Januar Februar > Dynamisch aktive Atmosphäre, Messungen innerhalb / ausserhalb polarem Vortex. > Performance Test unter Extrembedingungen. > Vergleich mit Ballonsonden & Polarsatellit POAM.
29 Polar Vortex Potential Vorticity > Polar Vortex: p & T- Gradient zwischen mittleren Breiten und Polen -> meridionale Winde -> Corioliskraft -> zyklonischen Polar Night Jet (v Wind bis 100 m/s) -> Isolation der Luftmassen über dem Pol. > Potential Vorticity: Mass für die Wirbelstärke (Erhaltungsgrösse, [K m² kg -1 s - 1 ], 10-6 = 1PVU)
30 Vergleich mit POAM III / SPOT > POAM: Polar Ozone & Aerosol Measurements > HALOE Vergleichskriterien nicht anwendbar: - dynamisch aktive Atmosphäre - Zusammenlaufen der Meridiane > Äquivalente Breite: Koordinatensystem zentriert um den polaren Vortex.
31 POAM III MIAWARA Differenz Differenz < 8 % ( e-lat <= 5 ) Differenz < 5 % ( e-lat <= 1 )
32 Validation mit Ballonsondierungen: LAUTLOS Januar Februar 2004 > NOAA/CMDL Frostpoint Mirror & FLASH-B Lyman- α. > Ueberlappender Höhenbereich mit MIAWARA: km. > Höhenauflösung Ballone wird mit Curtis- Godson auf MW Gitter reduziert.
33
34 Ballonsondierung vom 18. Februar 2004
35 Mittelwert auf km aller Flüge Differenz 10 resp. 9 Flüge: FLASH-B -0.33% NOAA: -1.99%
36 Messungen mit MIAWARA 2003 Korrekt!
37 Messungen mit MIAWARA 2003
38 MIAWARA Oktober 2003
39 Ursachen? > Kalibrationsfehler,... > Chemische Reaktionen > Dynamische Prozesse
40 θ = 1500 K [GSFC / BADC]
41 Temperatur und PV über Bern [ECMWF]
42
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44 Vergleich mit ECMWF oper. Model
45 Zusammenfassung > Wasserdampf ist ein Schlüsselement in der mittleren Atmosphäre. > Mikrowellen-Fernerkundung eignet sich um Wasserdampf zwischen Kilometer Höhe zu messen. > MIAWARA selbstkalibrierendes Radiometer mit maximalem Höhenbereich. Erstes bodengestützes Radiometer mit Messungen in 20 km Höhe.
46 Zusammenfassung > Validation des Radiometers mittels Satelliten und Ballonen. Uebereinstimmung besser als 10 % (Satellit) resp. 2% (Ballon). > Anwendung des Radiometers in einer dynamischen Fallstudie. > H 2 O Trend über Bern?
47 Messungen Januar 2005
48 Danke für Ihre Aufmerksamkeit
49 Messungen mit MIAWARA 2004
50 MIAWARA Lappland 2004
51 MIAWARA Lappland 2004
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