Variabilität und Trends der Vertikalverteilung von Kohlenmonoxid und Wasserdampf abgeleitet durch solare FTIR-Spektrometrie auf der Zugspitze und in Garmisch
Borsdorff, Tobias - Universität Augsburg (2010)
Die Arbeit leitet Langzeitserien der Spurengase CO und H2O aus solaren FTIR-Spektren der Stationen Zugspitze (47.4° N, 11.0° E, 2964 m ü. NN) und Garmisch (47.5° N, 11.1° E, 745 m ü. NN) ab und liefert neue Erkenntnisse über den globalen Transport von CO sowie über die räumliche Variabilität von Trends des integrierten Wasserdampfgehalts der Atmosphäre. Die Ableitung eines Spurengasprofils aus einem Infrarotspektrum wird durch starke Querempfindlichkeiten zu anderen Spurengasen verfälscht. Diese Interferenzfehler werden von der klassischen Fehlerrechnung der Fernsondierung vernachlässigt. Aktuelle Ansätze zur Fehlerrechnung unterschätzen Interferenzfehler und sind nicht auf alle Inversionsverfahren anwendbar. Eine neue Fehlerrechnung ermöglicht die korrekte Quantifizierung von Interferenzfehlern für jedes Inversionsverfahren. Eine Regularisierung wird entwickelt, die das Auftreten von Interferenzfehlern nahezu verhindert. Das neue Konzept ist für alle Spurengase und Fernsondierungstechniken im Infrarotbereich gültig. Aktuelle Verfahren zur Inversion von CO aus FTIR-Spektren dämpfen Variabilitäten und geben diese sogar in falschen Höhen wieder. Eine neue Regularisierung behebt diese Sensitivitätsprobleme und ermöglicht, eine Langzeitserie von CO-Profilen abzuleiten. Die Messungen belegen, dass anthropogene Emissionen einen starken Gradienten in der CO-Konzentration zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre verursachen. Es wird gezeigt, dass mit steigender Höhe der Jahresgang von CO symmetrischer wird und sich dessen Maximum gegen Sommer verschiebt. Der Nachweis gelingt, dass Großflächenbrände der nördlichen und südlichen Hemisphäre die CO-Konzentration in unterschiedlichen Höhen beeinflussen. Seit 20 Jahren werden Langzeitmessungen von strato-mesosphärischem CO über mittleren Breiten gefordert, um den Transport in der mittleren Atmosphäre zu modellieren. Bis heute wurde dies nicht realisiert. Die längste Zeitserie umfasst nur 2 Jahre Mikrowellenmessungen. Es war nicht möglich, weitere Zeitserien aus FTIR-Messungen zu gewinnen. Eine neue Regularisierung ermöglicht die Ableitung einer Langzeitserie von strato-mesosphärischem CO aus FTIR-Spektren und ist für alle Stationen in mittleren Breiten anwendbar. Die Messungen zeigen eine signifikante Saisonalität und erbringen den Nachweis, dass planetare Wellen CO-reiche polare Luft in Richtung mittlerer Breiten verschieben. Eine erste Statistik dieser Transportereignisse wird präsentiert. Trends des atmosphärischen Wasserdampfs können Aufschluss darüber geben, ob die globale Erwärmung den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Bisherige Radiosondenzeitserien sind inhomogen und somit nicht für Trendstudien geeignet. Eine neue Regularisierung ermöglicht die Ableitung einer Langzeitserie des integrierten Wasserdampfgehalts, die im Gegensatz zu Radiosondenzeitserien homogen ist. Die Messungen der Stationen Zugspitze und Jungfraujoch zeigen, dass Trends des integrierten Wasserdampfgehalts sich bereits bei einem horizontalen Abstand von 250 km unterscheiden. Diese Messungen stützen die aus Satellitenarbeiten bekannte und relativ neue Erkenntnis, dass Trends des Wasserdampfs über Land räumlich stark variieren.