Ableitung von CH4 und N2O aus MIPAS-ENVISAT-Beobachtungen
Creators: name: Plieninger, Johannes
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Methan
Distickstoffmonoxid
CH4
N2O
Stratosphäre
MIPAS
ENVISAT
Retrieval
Validierung
Brewer-Dobson-Zirkulation
Zeitreihen

description: Das Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) war ein Fernerkundungsinstrument, das auf dem Satelliten ENVISAT betrieben wurde. Es maß von 2002 bis 2012, wobei es die zwei Messperioden FR und RR gab, die sich in technischen Details unterscheiden. Vergangene Versionen von MIPAS-ENVISAT CH4 und N2O-Profilen haben einen positiven Bias im unteren Teil der Profile für beide MIPAS-Messperioden. Ein Ziel dieser Arbeit ist es, diesen Bias zu reduzieren. Dies geschieht unter Einsatz eines neueren spektroskopischen Datensatzes, der verbesserten Berücksichtigung von Kontinuumsbeiträgen, dem zusätzlichen Bestimmen von H2O und HNO3 während des Retrievals, sowie Anpassungen der Regularisierung und des spektralen Auswertebereichs. Durch diese physikalisch begründeten Änderungen verringern sich die Mischungsverhältnisse der Gase unterhalb von 20 km bei CH4 im Mittel um 0,1 ppmv in der MIPAS-FR-Periode und um 0,17 ppmv während der RR-Periode. Die mittleren N2O-Profile nehmen durch die Änderungen unterhalb von 20 km für die FR-Periode um 10 ppbv und für die RR-Periode um 27 ppbv ab.
Mit diesen Maßnahmen wird ein globaler Datensatz abgeleitet. Im Rahmen einer Validierung werden die Profile mit verschiedenen Profilen, die von anderen satellitenbasierten Instrumenten gemessen wurden, verglichen. Dabei wurde darauf geachtet, Verfälschungen durch die unterschiedliche Verteilung der Messungen in Raum und Zeit sowie durch die verschiedenen vertikalen Auflösungen der Instrumente auszuschließen. Es wird eine insgesamt hohe Übereinstimmung zu den Vergleichsinstrumenten gefunden. Der Bias unterhalb von etwa 25 km wurde erheblich reduziert. Der verbliebene positive Bias beträgt für CH4 zwischen 3 und 13 % während der FR-Periode, während der RR-Periode liegt er in der Größenordnung von 10 %. Für N2O findet sich für die FR-Periode ein verbliebener Bias von 2 bis 5 % und für die RR-Periode von 3 bis 10 %. Neben dem Bias werden auch die Form der Profile, ihre Variabilität sowie die Fehlerabschätzungen verglichen und insgesamt eine gute Übereinstimmung zu den Referenzinstrumenten gefunden. In 14 km findet sich bei mittleren tropischen Profilen von CH4 und N2O ein Maximum im Bezug auf die Höhe. Es handelt sich dabei vermutlich um ein verbliebenes Artefakt in den Daten, das durch die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Verbesserungen nicht behoben werden konnte.
Die Zeitreihen von CH4 und N2O werden im Hinblick auf lineare Änderungen (Trends), den Einfluss der Quasi-Zweijährigen Oszillation (QBO) und der El-Niño-Southern-Oscillation (ENSO), sowie von saisonalen und halbjährlichen Einflüssen in Abhängigkeit von der Höhe sowie der geographischen Breite untersucht. Dabei finden sich wesentliche Abhängigkeiten der Spurengasverteilungen von der QBO mit einem Maximum im Bereich des Äquators in etwa 40 km Höhe. Die ENSO-Signatur in den Daten ist sowohl höhen- als auch breitenabhängig; ihr größter Einfluss findet sich zwischen 35 und 50 km. Dabei werden Hinweise auf retardierte Effekte gefunden, das heißt die Variation der Mischungsverhältnisse ist phasenverschoben gegenüber den QBO- und ENSO-Zeitreihen. Auch für die Verschiebungen selbst findet sich eine Höhen- und Breitenabhängigkeit. Eine Nachweis, ob sich die Signatur des solaren 11-jährigen Sonnenzyklus in den Zeitreihen findet, scheitert aufgrund der zu kurzen Zeitreihe. Signifikante Trends für CH4 und N2O finden sich vor allem zwischen 20 und 40 km Höhe. Auch hier liegt eine hohe Höhen- und Breitenabhängigkeit vor. Dabei finden sich in der Südhemisphäre überwiegend positive Trends, auf der Nordhalbkugel finden sich in einem Band von etwa 32 bis 37 km in den Tropen bis in zu etwa 13 bis 24 km in den Polargebieten negative Trends. Die Beträge der Trends liegen in der Größenordnung von 10 % dec−1. Diese Trends lassen sich durch die von Stiller et al. (2017) gefundenen meridionalen Verschiebungen der Brewer-Dobson-Zirkulation erklären.
Ferner werden Zeitreihen von globalem stratosphärischem Inhalt von CH4 und N2O untersucht. Dabei finden sich lediglich insignifikante Trends in der Größenordnung eines Prozents, obwohl die Mischungsverhältnisse am Boden im entsprechenden Zeitraum zunehmen. Der Verlauf der CH4 und N2O-Volumenmischungsverhältnisse gleichen Eintrittsdatums mit dem Luftalter ist ebenfalls Gegenstand der Arbeit und wird für die Profile der RR-Periode untersucht. Für beide Gase findet sich ein Verlauf, der ungefähr einer logistischen Funktion entspricht. Es werden Zeitreihen von stratosphärische Eintrittswerten, sowie mittlere, rein stratosphärische, Lebensdauern und lokale Änderungsraten in Abhängigkeit vom Luftalter bestimmt. Es wird die Summe aus 2∗[CH4]+[H2O] untersucht. Sie ist ab einem Luftalter von drei Jahren und darüber näherungsweise konstant. Eine Zeitreihe von 2∗[CH4]+[H2O] von 1992 bis 2009 wird aus den Daten abgeleitet.
Insgesamt wird durch diese Arbeit klar, dass die Zeitreihen der Mischungsverhältnisse von CH4 und N2O in der Stratosphäre nicht immer direkt dem Verlauf am Boden folgen. Denn sie unterliegen lokal starken Trends, die ihre Ursache in den meridionalen Verschiebungen der Brewer-Dobson-Zirkulation haben. Die Beträge dieser Trends liegen deutlich über den am Boden beobachteten Änderungen. Der gesamte Gehalt der Spurengase in der Stratosphäre sowie ihr Eintrag in die Stratosphäre sind dagegen ungefähr konstant im betrachteten Zeitraum.