Anwendung von Trajektorien zur ENVISAT-Validierung und zur Untersuchung der Luftmassenherkunft in der Stratosphäre

Abstract

Trajektorien beschreiben die von Luftpaketen zurückgelegten Wege. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation bilden sie die Grundlage für die Überprüfung – oder Validierung – von Messgeräten auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT (ENVIronmental SATellite). Mit Hilfe von Trajektorien wurden hier Luftmassen identifiziert, für die sowohl von einem ENVISAT-Instrument (SCIAMACHY bzw. MIPAS-E) als auch von einem ballongebundenen Referenzmessgerät (LPMA/DOAS bzw. BONBON) Spurengasprofile bestimmt wurden. Die Berechnung der Trajektorien erfolgte mit einem Modell, das an der Freien Universität Berlin (FUB) entwickelt wurde. Bei diesem hybriden Modell wird die Trajektorienposition aus einer kinematischen Lösung, die aus den horizontalen Windfeldern abgeleitet wird, und aus einer dynamischen Lösung, die auf der Analyse des Montgomery-Potentials beruht, bestimmt. Anhand von Sensitivitätsstudien für verschiedene Modellparameter (horizontale und vertikale Auflösung sowie Vertikaltransport) wurde die Güte der berechneten Trajektorien untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Unterschiede in der Trajektorienposition, die sich im Vergleich zu anderen Trajektorienmodellen ergeben, in derselben Größenordnung liegen wie die Differenzen, die sich bei einer Kombination aller untersuchten Parameter des FUB-Modelles ermitteln lassen. Mit Hilfe von Fallstudien konnte nachgewiesen werden, dass die trajektorienbasierte Methode zur Ermittlung von Koinzidenzen bzw. Matches zwischen dem Satelliten- und dem Balloninstrument die Validierungsergebnisse nicht wesentlich beeinflusst. Für einzelne SCIAMACHY- Limb-Koinzidenzen mit LPMA/DOAS-Messungen konnte für O3 und NO2 festgestellt werden, dass die Art des verwendeten Trajektorienmodelles i. Allg. keine Auswirkungen auf die ermittelten Satelliten-Matches hat. Darüberhinaus ist im betrachteten zeitlichen Abstand zwischen Ballon- und Satellitenmessung von maximal einem Tag die photochemische Modellierung für NO2 robust gegenüber Änderungen in den zugrundeliegenden Trajektorien. Auf der Basis von bis zu 5 -Tages-Trajektorien wurden außerdem MIPAS-E-Profile der langlebigen Spurengase CH4 und N2O anhand von BONBON-Messungen validiert. Auch für diese Anwendung konnte gezeigt werden, dass der methodisch bedingte Fehler i. Allg. deutlich unterhalb des kombinierten Fehlers aus beiden Messgeräten liegt. In einer abschließenden Untersuchung wurde anhand von Langzeittrajektorien die Luftmassenherkunft im Winter 2002/03 bestimmt. Die hohe vertikale Auflösung bei der Initialisierung der Trajektorien ermöglichte es, die komplexe vertikale Struktur des Luftmassenursprunges für die u.a. Anfang März 2003 innerhalb des Polarwirbels gemessenen Spurengaskonzentrationen abzubilden. Diese Messungen zeigen um ca. 25 km eine Höhenschicht mit einem hohen Anteil von Luftmassen mesosphärischen Ursprunges. Als Ursache dafür konnten die frühe Ausbildung eines kalten, kräftigen Polarwirbels zu Beginn des Winters und das verstärkte, aber trotzdem relativ ungestörte Absinken dieser Schicht aufgrund von Stratosphärenerwärmungen identifiziert werden.

Trajectories describe the paths air parcels take. Within this PhD thesis they provide the basis to validate instruments on board of the European ENVIronmental SATellite (ENVISAT) measuring several trace gases (e.g. O3, NO2, CH4, N2O). Trajectories were used to identify air masses, which were measured by one of the ENVISAT instruments (SCIAMACHY resp. MIPAS-E) as well as by a balloon-borne reference measurement (LPMA/DOAS resp. BONBON). Trajectories were calculated by a model developed at the Freie Universität Berlin. The quality of the trajectories was investigated by sensitivity studies for different model parameters (horizontal and vertical resolution, vertical advection). In addition a comparison with two other trajectory models was made. Case studies showed that the trajectory based method to detect coincidences between the satellite and the balloon-borne measurements has a negligible impact on the validation results. Finally, the air mass origin for the stratospheric winter 2002/03 was investigated by long term trajectories. By these studies, the reason and the point in time of the descent of mesospheric air masses into the stratosphere could be analysed.