Surface Radiation and Climate at High Latitudes. Homogenization and Analyses of Data from Arctic and Antarctic BSRN Sites.

Transkript

1 Diss. ETH No Surface Radiation and Climate at High Latitudes. Homogenization and Analyses of Data from Arctic and Antarctic BSRN Sites. A dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology (ETH) Zürich for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by Marcel Sutter Dipl. natw. ETH Zürich born January 16, 1971 citizen of Appenzell (AI) accepted on the recommendation of Prof. Dr. A. Ohmura, examiner PD Dr. R. Philipona, co-examiner Prof. Dr. E. Raschke, co-examiner 2006

2 Abstract Warming of the lower troposphere associated with increasing greenhouse gases is expected to be more pronounced at high latitudes. Surface-air temperature measurements of the last 30 years exhibit increased warming rates for the Arctic and reveal that the high latitudes are more sensitive to climate change. The Baseline Surface Radiation Network (BSRN) was initiated to measure shortwave and longwave surface radiation fluxes and also standard meteorological variables with a high sampling rate and the best possible quality at sites in different climatic zones. Five sites of the BSRN are located in high latitudes, two in the Arctic and three in the Antarctic. Four of these sites, which are Barrow (Alaska), Ny Ålesund (Svalbard), Neumayer (antarctic coast) and South Pole, provide currently about 10 years of data. Data from these high latitude BSRN sites is qualified for analysis of radiation and radiation related climatological parameters and, in the context of global warming and an enhanced greenhouse effect, it can be searched for possible signals in relation with climate change. Radiation measurements from the four BSRN sites in high latitudes were first processed with different methods for quality control and data homogenization. An applicable approach to accomplish the stipulated control strategy of the BSRN with the longwave data was developed. It revealed significant inhomogeneities caused by inadequate calibration methods, unfavorable measurement strategies and technical problems. Also measurements of shortwave radiation and other climatological variables were inspected and these examinations revealed the necessity of monitoring and partly improving the quality of the data. Time series of the radiation fluxes and the main climatological variables over a period of about 10 years were analyzed on the one hand in regard to presenting an overview of the radiation budget and climatological conditions at these high latitude sites. On the other hand, observable trends were searched in the measurements to provide insights into possible relations to the known enhanced warming rates during the cold season, which are also observable at the arctic sites and at Neumayer. Further results from these analyses are: variations in the humidity measurements occur parallel to the variations in surface-air temperature; direct shortwave radiation reveals increasing trends at all four sites; furthermore, albedo is clearly decreasing in autumn at Barrow, indicating that the surface gets snow-covered later in the year. This is not observable at the other sites, where albedo is rather increasing. Other measured radiation time series reveal no comparable trends over the observed period. An automatic cloud detection algorithm called APCADA, based on processing longwave downward radiation, temperature and humidity measurements, was applied to the data. It allowed continuous determination of cloud cover and cloud related variables as well as day and night detection of cloud free skies. Time series of APCADA computed cloud amount were determined and analyzed. They show a decreasing trend at all sites in spring, and at Ny Ålesund and Neumayer during all seasons, which result in a decrease of the annual mean computed cloud cover of about -1 octa over the observed period at these two sites. The cloud information from APCADA was compared with weather service cloud amount observations and data from the International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP). Compared to APCADA and observations, the ISCCP provides significantly higher cloud amounts during winter and spring, whereas agreement is much better during summer and autumn. Furthermore, detection of cloud free skies with APCADA was compared with another automatic method for cloud free sky detection, based on evaluation of shortwave radiation measurements. The performance of the two methods is comparable with the exception of APCADA misjudging the cloud cover during very strong surface-based temperature inversions and not detecting thin high clouds occasionally. Time series of monthly and annual mean cloud free radiation were derived and analyzed. Accord-

3 ing to the calculations, the cloud free global shortwave downward radiation (i.e. the transmittance of the cloud free atmosphere) is increasing towards the end of the 1990s and then leveling off or even starting to decrease in the beginning of the 2000s at the high latitude sites. Cloud free longwave downward radiation (i.e. the apparent emittance of the cloud free sky) is rather decreasing at the arctic sites and increasing at the antarctic sites. Methods for portioning changes in the cloud free longwave radiation to temperature and water vapor forcing were applied. The results reveal that the assumptions, that variations in surface-air temperature and surface humidity measurements are representative for variations of temperature and humidity in the lower atmosphere, are possibly not appropriate for the high latitude regions, because of the often very stable stratification of the lower atmosphere with very strong surface-based temperature inversions.

4 Zusammenfassung Gemäss Klimamodellen führt eine Erhöhung der Treibhausgaskonzentrationen in hohen Breiten zu einer im globalen Vergleich stärkeren Erwärmung der unteren Troposphäre. Temperaturmessungen der bodennahen Atmosphäre über die letzten 30 Jahre bestätigen die stärkere Erwärmung in der Arktis und bezeugen die erhöhte Sensitivität des Klimas in hohen Breiten. Das Baseline Surface Radiation Network (BSRN) wurde initiiert mit dem Ziel, in Bodennähe die lang- und kurzwelligen Strahlungsflüsse, zusammen mit den wichtigsten meteorologischen Parametern, mit hoher zeitlicher Auflösung und in bestmöglicher Qualität zu messen. Das BSRN umfasst Stationen in verschiedenen Klimazonen, wovon fünf Stationen in hohen Breiten betrieben werden. Vier dieser Stationen, die Stationen Barrow (Alaska), Ny Ålesund (Svalbard), Neumayer an der antarktischen Küste und eine Station am Südpol, stellen zur Zeit Daten über einen Zeitraum von 10 Jahren zur Verfügung. Daten von diesen BSRN Stationen in hohen Breiten ermöglichen es, Strahlungsparameter und strahlungsabhängige Variablen im Zusammenhang mit der festgestellten Erwärmung und einem ändernden Treibhauseffekt auf mögliche Signale einer Klimaänderung zu untersuchen. Die Strahlungsdaten dieser vier BSRN Stationen wurden zuerst auf Ihre Qualität untersucht und homogenisiert. Es wurde eine Methode entwickelt, um die zur Zeit noch nicht vollständig umgesetzte Strategie des BSRN zur Qualitätskontrolle auf die langwelligen Strahlungsdaten anzuwenden. Das Verfahren brachte signifikante Inhomogenitäten zum Vorschein, die durch unzulängliche Kalibrierverfahren, ungünstige Wechsel von Messgeräten und technische Probleme verursacht sind. Alle Strahlungsmessreihen wurden eingehend untersucht und gefundene Unregelmässigkeiten aufgezeigt. Diese Untersuchungen zeigen, dass es notwendig ist, darauf zu achten und sicherzustellen, dass die Messungen tatsächlich mit der bestmöglichen Qualität ausgeführt werden. Zeitreihen über die letzten 10 Jahre der Strahlungsflüsse und weiterer ausgesuchter klimatologischer Variablen wurden zusammengestellt, um einen Überblick über die Strahlungsflüsse und die klimatologischen Bedingungen an diesen BSRN Stationen in hohen Breiten zu präsentieren. Ausserdem wurde nach Trends gesucht, die in Zusammenhang mit der erhöhten Erwärmung in Herbst und Winter stehen, die auch in den BSRN Daten der Stationen Barrow, Ny Ålesund und Neumayer festzustellen sind. Ausgewählte Resultate dieser Analysen sind: die Zeitreihen der absoluten Feuchte verlaufen parallel der bodennahen Temperaturmessungen; Die direkte Sonnenstrahlung weist positive Trends an allen vier Stationen auf; Die Albedo weist einen stark negativen Trend im Herbst in Barrow auf, was auf eine Verlängerung der schneefreien Sommerperiode hindeutet. An den anderen Stationen ist die Albedo eher zunehmend; Andere Strahlungsparameter weisen keine deutlichen Veränderungen über die untersuchte Periode auf. APCADA, ein automatischer Algorithmus zur Bewölkungsbestimmung, welcher die Bewölkung mithilfe der langwelligen Einstrahlung und der Feuchte- und Temperaturmessungen in Bodennähe bestimmt, wurde auf die Daten der vier Stationen angewandt. APCADA erlaubt die kontinuierliche Bestimmung der Bewölkung und bewölkungsabhängiger Variablen, sowie die Bestimmung wolkenfreier Perioden. Die von APCADA bestimmten Zeitreihen der Bewölkung zeigen abnehmende Trends im Frühling an allen vier BSRN Stationen, an Ny Ålesund und Neumayer sogar während des ganzen Jahres. Die jahresmittlere Bewölkung nimmt an diesen zwei Stationen über die untersuchte Periode um ca. -1 Octa ab. Die von APCADA ermittelte Bewölkung wurde mit Bewölkungswerten der Wetterbeobachter und den Daten des International Satellite Cloud Climatology Projects (ISCCP) verglichen. Dabei stellte sich heraus, dass die Bewölkungswerte von ISCCP im Vergleich zu APCADA und Wetterbeobachtern im Winter und Frühling deutlich höher sind, während im Sommer und Herbst die Übereinstimmung deutlich besser ist. Ausserdem wurde die Effizienz, mit welcher APCADA Mo-

5 mente mit wolkenfreiem Himmel entdeckt, mit einer anderen automatischen Methode verglichen, die mithilfe der kurzwelligen Strahlung Wolken identifiziert. Es stellte sich heraus, dass beide Methoden vergleichbare Effizienz aufweisen mit der Ausnahme, dass APCADA die Bewölkung während starken oberflächennahen Temperaturinversionen deutlich überschätzen kann und ausserdem dünne und hohe Wolken manchmal nicht entdeckt. Es wurden Zeitreihen von Monats- und Jahresmittelwerten der Einstrahlung aus wolkenfreiem Himmel ermittelt. Gemäss dem gewählten Verfahren zur Zeitreihenbestimmung nimmt die wolkenfreie kurzwellige Einstrahlung (d.h. die Transmissivität der Atmosphäre) an allen vier Stationen gegen Ende der 90er Jahre zu. Anschliessend um die Jahre 2000 bis 2003 flacht der Trend ab oder zeigt sogar abnehmende Tendenz. Die wolkenfreie langwellige Einstrahlung (d.h. die scheinbare Emissivität der unteren Atmosphäre) zeigt abnehmende Tendenz an den arktischen Stationen und zunehmende Tendenz an den antarktischen Stationen. Zeitreihen der wolkenfreien langwelligen Einstrahlung weisen Variationen auf, die durch Änderungen der Temperatur oder durch Änderungen der Emissivität der emittierenden Schichten der Atmosphäre bewirkt werden. Es wurde ein Ansatz auf die wolkenfreie langwellige Einstrahlung angewandt, der Variationen, sowohl bedingt durch Änderungen der Temperatur als auch der Emissivität, bestimmt und herausfiltert. Resultate zeigen allerdings, dass die zugrundeliegenden Annahmen, welche beinhalten, dass Temperatur- und Feuchtemessungen in Bodennähe repräsentativ sind für die gesamte untere Troposphäre, vermutlich in hohen Breiten nicht angebracht sind. Insbesondere die Annahme, dass bodennahe Temperaturänderungen solche in der unteren Atmosphäre wiedergeben, ist sehr wahrscheinlich aufgrund der oftmals sehr stabilen Schichtung der bodennahen Schichten während den sehr starken bodennahen Temperaturinversionen nicht angemessen.