890 research outputs found
MIPAS temperature averaging kernels
No full textThis data set contains MIPAS averaging kernels used by König et al,
(2019).
N. König, P. Braesicke and T. von Clarmann,
Tropopause altitude determination from temperature profile measurements of reduced vertical resolution, Atmos. Meas. Tech., accepted for publication, 201
Changes in Stratospheric Circulation: Evidence and Possible Explanations = Änderungen der stratosphärischen Zirkulation: Evidenz und Erklärungsansätze
No full textDie Brewer-Dobson Zirkulation ist eine großräumige, meridionale Zirkulation in der Atmosphäre, die Luft vom Äquator in höhere Breiten transportiert. Sie beeinflusst so- mit die Verteilung von Spurengasen in der Atmosphäre. Die Konzentrationen diverser Spurengase können mit Messgeräten, wie beispielsweise dem Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS), welches eine Nutzlast des europäischen Satelliten Envisat war, gemessen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich die räumliche Verteilung des Spurengases Ozon während des MIPAS-Messzeitraums (Juli 2002 bis April 2012) aufgrund von Änderungen in der Brewer-Dobson Zirkulation verändert. Hierbei wur- de eine multivariate Regressionsmethode verwendet, um lineare Variationen (Trends) der Ozonkonzentrationen über den gesamten MIPAS-Messzeitraum zu bestimmen. Bei der Trendbestimmung wurden, neben dem linearen Term, auch die quasi-bienniale Oscillation (QBO), der Jahresgang und die halbjährige Oszillation berücksichtigt, ebenso wie diverse Obertöne dieser Variationen. MIPAS-Messungen setzen sich aus dem “full spectral resolution” Zeitraum (Juli 2002 bis März 2004) und dem “reduced spectral resolution” Zeitraum (Januar 2005 bis April 2012) zusammen. Die komplet- te Fehlerkovarianzmatrix wurde verwendet und der unbekannte Versatz zwischen den Teildatensätzen wurde berücksichtigt, indem ein voll korrelierter Block zum Kovari- anzmatrixteil eines der beiden Zeiträume addiert wurde. In den Tropen zwischen 25 und 35 km wurden negative Ozontrends gefunden, sowie positive Trends direkt ober- halb der tropischen Tropopause und eine generelle hemisphärische Asymmetrie. Diese Strukturen waren so nicht zu erwarten. Sie konnten jedoch mit einer Verschiebung der subtropischen Mischungsbarrieren, welche direkt mit der Brewer-Dobson Zirkulation zusammenhängen, erklärt werden und weisen somit auf Änderungen in der Brewer- Dobson Zirkulation hin.
Mithilfe der Inversion der Kontinuitätsgleichung, welche im Programm zur “Ana- lysis of the Circulation of the Stratosphere using Spectroscopic Measurements” (ANCISTRUS-SPEC) umgesetzt wurde, können Änderungen in der Brewer-Dobson Zirkulation in kleinen zeitlichen Schritten (Monaten) verfolgt werden. Diese Metho- de verwendet Spurengaskonzentrationen aufeinanderfolgender Monate um daraus 2D- Transportgeschwindigkeiten und Mischungskoeffizienten zwischen den jeweiligen Mo- naten zu berechnen. Als Eingabe werden monatlich gemittelte Konzentrationsvertei- lungen langlebiger Spurengase verwendet. Diese können mithilfe von MIPAS bereit- gestellt werden.
Der zweite Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Bereitstellung entsprechender Daten für das ANCISTRUS-SPEC Programm. Geeignete Spurengase sind CFC-11, CFC-12 und CCl4. Diese Gase haben atmosphärische Lebensdauern von etwa 60, 110 und 44 Jahren. Die bereits existierenden Datenprodukte für CFC-11 und CFC-12 wurden einer umfassenden Validierung unterzogen. Für beide Spurengase wurden gu- te Übereinstimmungen mit den Ergebnissen anderer Instrumente gefunden. Jedoch zeigte sich für CFC-11 unterhalb von 15 km eine leichte Tendenz zu erhöhten Werten. Untersuchungen zu direkt aufeinanderfolgenden Profilen in einer ruhigen Atmosphäre zeigten, dass die Fehlerabschätzung nur für das “full spectral resolution” CFC-12 Pro- dukt als realistisch angesehen werden können. Für das “reduced spectral resolution” CFC-12 Produkt, sowie beide Produkte von CFC-11 werden die Fehler um ein Viertel bis ein Drittel unterschätzt. Während CFC-11 eine sehr gute zeitliche Stabilität auf- weist wurden für CFC-12 oberhalb von 30 km starke Drifts, die von -50 bis +50% pro Dekade reichen, gefunden. Die Daten eignen sich jedoch dennoch für die Verwendung durch das ANCISTRUS-SPEC Programm, da hier kleine Zeitschritte von Monaten betrachtet werden. Für solch kleine Zeitschritte ist die gefundene Drift irrelevant.
Da CCl4 noch nicht auf MIPAS Messungen abgeleitet worden war, wurde eine Retrievalstrategie entwickelt, und globale Verteilungen wurden mithilfe des MIPAS- Datenprozessors am Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Meteorologie und Klimaforschung abgeleitet. Dabei mussten diverse interferierende Spurengase und die Temperatur berücksichtigt werden. Zudem musste der Einsfluss von Line-Mixing auf- grund des CO2 Q-Zweigs bei 792 cm 1 beachtet werden. Die Verwendung eines neuen spektroskopischen Datensatzes für CCl4 führte zu niedrigeren Mischungsverhältnis- sen, welche besser mit der aktuellen Literatur übereinstimmen. Auch Vergleiche mit anderen Messgeräten zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit MIPAS Ergebnissen. CCl4 eignet sich somit hervorragend für eine Verwendung im ANCISTRUS-SPEC Programm.
Abschließend wurden die neu bereitgestellten Datenprodukte von CFC-11, CFC-12 und CCl4 als Eingabe für das ANCISTRUS-SPEC Programm verwendet. Die daraus resultierenden Ergebnisse zeigen eindeutig, dass eine Hinzunahme der neu verfügbaren Datenprodukte zu einer signifikanten Reduzierung der Unsicherheiten der abgeleiteten Zirkulationsgeschwindigkeiten führt
The horizontal resolution of MIPAS
No full textLimb remote sensing from space provides atmospheric composition measurements at high vertical resolution while the information is smeared in the horizontal domain. The horizontal components of two-dimensional (altitude and along-track coordinate) averaging kernels of a limb retrieval constrained to horizontal homogeneity can be used to estimate the horizontal resolution of limb retrievals. This is useful for comparisons of measured data with modeled data, to construct horizontal observation operators in data assimilation applications or when measurements of different horizontal resolution are intercompared. We present these averaging kernels for retrievals of temperature, H<sub>2</sub>O, O<sub>3</sub>, CH<sub>4</sub>, N<sub>2</sub>O, HNO<sub>3</sub> and NO<sub>2</sub> from MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) high-resolution limb emission spectra. The horizontal smearing of a MIPAS retrieval in terms of full width at half maximum of the rows of the horizontal averaging kernel matrix varies typically between about 200 and 350 km for most species, altitudes and atmospheric conditions. The range where 95% of the information originates from varies from about 260 to 440 km for these cases. This information spread is smaller than the MIPAS horizontal sampling, i.e. MIPAS data are horizontally undersampled, and the effective horizontal resolution is driven by the sampling rather than the smearing. The point where the majority of the information originates from is displaced from the tangent point towards the satellite by typically less than 10 km for trace gas profiles and about 50 to 100 km for temperature, with a few exceptions for uppermost altitudes. The geolocation of a MIPAS profile is defined as the tangent point of the middle line of sight in a MIPAS limb scan. The majority of the information displacement with respect to this nominal geolocation of the measurement is caused by the satellite movement and the geometrical displacement of the actual tangent point as a function of the elevation angle
Observation of atmospheric greenhouse gas abundances on regional scales in boreal areas using portable FTIR Spectrometers
No full textStratospheric sulphur: MIPAS/Envisat measurements and chemical transport model simulations of carbonyl sulphide, sulphur dioxide, and sulphate aerosol
No full textStratosphärisches Aerosol, in dem Schwefel bei weitem das am häufigsten vorkommende Element darstellt, besitzt das Potential die Temperatur an der Erdoberfläche verringern, indem es einfallende Solarstrahlung zurückstreut. Dieses Vermögen sowie ein Anstieg der Aerosolbelastung in der Stratosphäre während des letzten Jahrzehnts führten in den letzten Jahren zu wachsendem Interesse an stratosphärischem Schwefel.
Die zwei wichtigsten Vorprodukte stratosphärischen Schwefelaerosols sind gasförmiges Carbonylsulfid (OCS) und Schwefeldioxid (SO2). Von MIPAS/Envisat (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding auf dem Environmental Satellite) gibt es für den Zeitraum Jul 2002–Apr 2012 Datensätze für OCS und SO2. Auf den genannten Datensätzen sowie einem zusätzlichen neuen Datensatz von Aerosolvolumendichten basiert diese Arbeit. Der neue Aerosoldatensatz wurde im Zuge der vorliegenden Studie erstmals untersucht. Während dieser Arbeit wurde der Datensatz durch die Identifizierung und das Herausfiltern von Daten verbessert die durch andere Arten von Aerosol als Schwefelaerosol beeinflusst waren. Durch Validierung mit Ballon-Messungen wurde gezeigt, dass die MIPAS Profile nach Anwendung einer höhenabhängigen Offset-Korrektur gut mit den in situ Messungen übereinstimmen. Diese Korrektur basiert auf dem Vergleich zwischen MIPAS und in situ Profilen von Aerosolvolumendichten.
In einem isentropen Chemietransportmodell (CTM) wurde ein Schwefelschema implementiert, um die Übereinstimmung zwischen den MIPAS-Datensätzen der Schwefelsubstanzen mittels Modellsimulationen zu testen. Zudem sollte geprüft werden, ob dies mit unserem derzeitigen Verständnis stratosphärischen Schwefels in Einklang ist. In einer Fallstudie zu den Vulkanausbrüchen von Kasatochi im Jahr 2008 und Sarychev im Jahr 2009, die beide während des borealen Sommers bei ~50°N ausbrachen, konnte bezüglich der vulkanischen Schwefelmasse und Transportmuster Konsistenz zwischen MIPAS SO2 und Sulfataerosol gezeigt werden. Berechnungen der e-folding Lebensdauer stratosphärischen Schwefels vulkanischen Ursprungs für den Sarychev-Ausbruch zeigten eine durchschnittliche Lebensdauer von ungefähr drei Monaten. Während Sedimentation eine wichtige Rolle spielt, insbesondere bezüglich des Maximums in Schwefelaerosolgehalt sowie des Schwefels der langfristig im Modell verbleibt, zeigen Sensitivitätssimulationen mit dem CTM, dass der dominierende Prozess der die Schwefellebensdauer in der unteren Stratosphäre der Extra-Tropen nach den zwei Eruptionen regulierte Transport durch die Brewer-Dobson Zirkulation war. Zusätzlich wurden Teile des emittierten Schwefels in Richtung Äquator transportiert, wo sie in der ‚tropical pipe‘ aufstiegen.
Mehrere Muster die in den MIPAS-Daten unter nicht-vulkanischen Bedingungen gesehen wurden konnten durch Modellsimulationen bestätigt werden, wie die Abnahme von OCS in der Stratosphäre durch Photolyse, oder Bildung von SO2 aus OCS in den Tropen bei ~25–35 km. Manche Muster, die in den neuen MIPAS-Aerosoldaten zu sehen sind konnten Schwefel zugeschrieben werden, der aus OCS freigesetzt wurde. Der freigesetzte Schwefel führt zu erhöhten Aerosol-Molfraktionen in den Tropen oberhalb von 22 km, die sich in Richtung niedrigerer Höhen in hohen Breiten erstrecken. Bezüglich der stratosphärischen Schwefelmasse wurde Konsistenz zwischen den MIPAS-Datensätzen für OCS, SO2 und Schwefelaerosol gezeigt. Simulationen von Hintergrundbedingungen, mit OCS als einzige Schwefelquelle, in Zusammenspiel mit Simulationen vulkanischen Schwefels mit einer relativ hohen Häufigkeit von vulkanischen Injektionen (98 einzeln identifizierte Ausbrüche innerhalb von etwa 10 Jahren), können die stratosphärischen Schwefelmassen erklären, die aus MIPAS-Messungen abgeleitet wurden. Unter Hintergrundbedingungen ist die simulierte Sedimentation von Schwefelaerosol ein Hauptunsicherheitsfaktor mit relativ starken Auswirkungen auf die Absolutmenge an Sulfataerosol. Abschließend wurde die Bedeutung von relativ kleinen und mittelgroßen vulkanischen Beiträgen als Hauptquelle für kurzzeitige Variation bis hin zu Variation in dekadischen Zeiträumen während der MIPAS-Periode veranschaulicht
Retrieval of Carbon Monoxide Vertical Column Densities from SCIAMACHY Infrared Nadir Observations
No full textNadir observations in the shortwave infrared channels of SCIAMACHY onboard the ENVISAT satellite can be used to derive information on CO, CH4, N2O, CO2, and H2O. BIRRA (Beer InfraRed Retrieval Algorithm) is a least squares fit of the measured radiance with respect to molecular column densities and auxiliary parameters, nb. surface albedo, baseline and slit function width. Here special features of the code are shown along with results of carbon monoxide retrievals from SCIAMACHY near infrared nadir observations. In particular intercomparisons with other SCIAMACHY Infrared Nadir retrievals and with AIRS (Atmospheric Infrared Sounder onboard NASA-EOS-Aqua) will be presented
Envisat MIPAS measurements of CFC-11 : retrieval, validation, and climatology
No full textFrom July 2002 to March 2004 the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS) aboard the European Space Agency´s Environmental Satellite (Envisat) measured nearly continuously mid infrared limb radiance spectra. These measurements are utilised to retrieve the global distribution of the chlorofluorocarbon CFC-11 by applying a new fast forward model for Envisat MIPAS and an accompanying optimal estimation retrieval processor. A detailed analysis shows that the total retrieval errors of the individual CFC-11 volume mixing ratios are typically below 10% in the altitude range 10 to 25 km and that the systematic components dominate. Contribution of a priori information to the retrieval results are less than 5 to 10% and the vertical resolution of the observations is about 3 to 4 km in the same vertical range. The data are successfully validated by comparison with several other space experiments, an air-borne in-situ instrument, measurements from ground-based networks, and independent Envisat MIPAS analyses. The retrieval results from 425 000 Envisat MIPAS limb scans are compiled to provide a new climatological data set of CFC-11. The climatology shows significantly lower CFC-11 abundances in the lower stratosphere compared with the Reference Atmospheres for MIPAS (RAMstan V3.1) climatology. Depending on the atmospheric conditions the differences between the climatologies are up to 30 to 110 ppt (45 to 150%) at 19 to 27 km altitude. Additionally, time series of CFC-11 mean abundance and variability for five latitudinal bands are presented. The observed CFC-11 distributions can be explained by the residual mean circulation and large-scale eddy-transports in the upper troposphere and lower stratosphere. The new CFC-11 data set is well suited for further scientific studies
Validation of remotely sensed profiles of atmospheric state variables: strategies and terminology
No full textThis paper summarizes and classifies the various approaches to validation of remote measurements of atmospheric state variables, and tries to recommend a clear and unambiguous terminology. The following approaches have been identified: Intercomparison of individual profiles for accuracy validation; statistical comparison of matched pairs of measurements with respect to bias determination and precision validation; statistical intercomparison of randomly sampled measurements by two instruments, and comparison of a single measurement to an ensemble of measurements. Applicable statistics are shortly reviewed, and recipes for evaluation of the co-incidence error due to less than perfect co-incidences are presented. An approach is suggested to quantitatively validate profile measurements when full covariance matrices are unavailable
Smoothing error pitfalls
No full textThe difference due to the content of a priori information between a
constrained retrieval and the true atmospheric state is usually represented
by a diagnostic quantity called smoothing error. In this paper it is shown
that, regardless of the usefulness of the smoothing error as a diagnostic
tool in its own right, the concept of the smoothing error as a component of
the retrieval error budget is questionable because it is not compliant with
Gaussian error propagation. The reason for this is that the smoothing error
does not represent the expected deviation of the retrieval from the true
state but the expected deviation of the retrieval from the atmospheric state
sampled on an arbitrary grid, which is itself a smoothed representation of
the true state; in other words, to characterize the full loss of information
with respect to the true atmosphere, the effect of the representation of
the atmospheric state on a finite grid also needs to be considered. The idea of a
sufficiently fine sampling of this reference atmospheric state is problematic
because atmospheric variability occurs on all scales, implying that there is
no limit beyond which the sampling is fine enough. Even the idealization of
infinitesimally fine sampling of the reference state does not help, because
the smoothing error is applied to quantities which are only defined in a
statistical sense, which implies that a finite volume of sufficient spatial
extent is needed to meaningfully discuss temperature or concentration.
Smoothing differences, however, which play a role when measurements are
compared, are still a useful quantity if the covariance matrix involved has
been evaluated on the comparison grid rather than resulting from
interpolation and if the averaging kernel matrices have been evaluated on a
grid fine enough to capture all atmospheric variations that the instruments are
sensitive to. This is, under the assumptions stated, because the undefined
component of the smoothing error, which is the effect of smoothing implied by
the finite grid on which the measurements are compared, cancels out when the
difference is calculated. If the effect of a retrieval constraint is to be
diagnosed on a grid finer than the native grid of the retrieval by means of
the smoothing error, the latter must be evaluated directly on the fine grid,
using an ensemble covariance matrix which includes all variability on the
fine grid. Ideally, the averaging kernels needed should be calculated
directly on the finer grid, but if the grid of the original averaging kernels
allows for representation of all the structures the instrument is sensitive to, then their
interpolation can be an adequate approximation
- …
