Klimatrends und Modelevaluation mittels Radio-Okkultation

Der Nachweis des anthropogenen Klimawandels erfordert hochqualitative Beobachtungsdaten der Erdatmosphäre. Eine besondere Herausforderung ist in diesem Zusammenhang die Erforschung der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (engl. UTLS), eine Region die sensibel auf Klimaänderungen reagiert. Unterschiedliche Temperaturtrends von verschiedenen Datensätzen waren Gegenstand zahlreicher Diskussionen und eine Annäherung wurde erst kürzlich erzielt. Neu homogenisierte Radiosondendaten sowie Satellitendaten der Advanced/Microwave Sounding Unit (MSU/AMSU) zeigen nun fundamentale Übereinstimmung bezüglich einer Erwärmung der Troposphäre und einer Abkühlung der Stratosphäre, konsistent mit Oberflächen- und Klimamodelltrends. Grundlegende Unsicherheiten bestehen jedoch nach wie vor bezüglich der Stärke von Trends in der freien Atmosphäre. In diesem Zusammenhang bietet die Radio-Okkultation (RO) neue Möglichkeiten mittels unabhängiger und sehr genauer Beobachtungen in der UTLS mit globaler Bedeckung, Allwettertauglichkeit, Langzeitstabilität und Homogenität. RO Daten basieren auf Zeitmessung mit hochgenauen Atomuhren gebunden an die internationale Definition der Sekunde und können daher als absolute Klimareferenzdaten angesehen werden. Klimaparameter werden mit hoher vertikaler Auflösung und hoher Genauigkeit gewonnen. Beobachtungs- und Abtastfehler sind gut definiert. RO Klimatologien für Brechungswinkel, Refraktivität, geopotentielle Höhe, Temperatur, und spezifische Feuchte sind als Indikatoren einer Klimaänderung sehr gut geeignet. Da die RO Zeitreihe noch relativ kurz ist, konnte deren Langzeiteignung bis jetzt noch nicht demonstriert werden. Von einer mind. 10 Jahre langen Zeitreihe im Jahr 2011 erwartet man sich jedoch detektierbare Trends. Hauptziel des Projektes TRENDEVAL sind die Untersuchung und Bewertung von Klimatrends in der UTLS basierend auf einer neuen RO Klimazeitreihe sowie Detektion und Ursachenzuweisung eines Klimasignals und die Evaluierung von Klimamodellen. Ein Vergleich von RO Klimatologien, die von den fünf führenden internationalen RO Prozessierungszentren zur Verfügung gestellt werden, wird durchgeführt um strukturelle Unsicherheiten im Datensatz zu quantifizieren und die Qualität und Reproduzierbarkeit von Ergebnissen zu bewerten. Der so erstellte RO Klimadatensatz inklusive vollständiger Fehlercharakterisierung wird mit konventionellen Atmosphärenbeobachtungen - aktuellen Radiosonden- und MSU/AMSU Datensätzen - verglichen um offene Fragen bezüglich UTLS Trends zu klären. Der Nachweis eines Klimaänderungssignals unter Berücksichtigung der atmosphärischen Variabilität wird mit der "optimal fingerprinting" Methode durchgeführt. Die Ursachenzuweisung von anthropogenem und natürlichem Klimawandel wird auch zur Modellevaluierung verwendet. Schwerpunkt der Evaluierung ist die Untersuchung von Wasserdampf und Temperaturgradienten der tropischen oberen Troposphäre in Klimamodellen verglichen mit RO Daten. Ziel von TRENDEVAL ist zu einer besseren Abschätzung von atmosphärischen Klimatrends und zur Klimamodellevaluierung beizutragen sowie die Nutzung von RO in der Klimaforschung zu stärken.

Messdaten zur Klimabeobachtung und zum Nachweis des Klimawandels der Atmosphäre müssen die strengen Qualitätskriterien des Global Climate Observing System (GCOS) erfüllen. Daten von Wetterballons und -satelliten haben einige Defizite, da sie nicht zur Klimabeobachtung konzipiert wurden. Die Radio-Okkultation (RO) basiert auf Signalen des Global Positioning System (GPS) und liefert einen neuen Datensatz mit vorteilhaften Eigenschaften wie Langzeitstabilität, Allwettertauglichkeit, globale Bedeckung, hohe Genauigkeit und vertikale Auflösung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Kenntnis von Fehlern ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung von Daten in Klimastudien. Hauptziel des Projekts TRENDEVAL war die Abschätzung von Unsicherheiten im RO Klimadatensatz und dessen Anwendung zum Nachweis einer Klimaänderung und zur Evaluierung von Klimamodellen. Wir untersuchten RO Daten von 1995/1997 und seit 2001 von mehreren Satellitenmissionen für die Parameter Brechungswinkel, Refraktivität, Druck, geopotentielle Höhe, Temperatur und spezifische Feuchte. Fehlerabschätzungen für individuelle Profile und klimatologische Felder wurden erstellt. Klimatologien von verschiedenen Satelliten zeigen hohe Konsistenz und können daher zu einem Datensatz kombiniert werden. Dies ist ein Hauptmerkmal eines Referenzklima-datensatzes. Weiters quantifizierten wir die strukturelle Unsicherheit der Daten von sechs Prozessierungszentren. Die Unsicherheit in Trends ist am geringsten innerhalb von 50S bis 50N sowie 8 km bis 25 km Höhe und erfüllt hier die Stabilitätsanforderungen von GCOS. Die Auswertung von Temperaturen der unteren Stratosphäre verschiedener Datensätze (Mikrowellensondierung (AMSU), Radiosonden, RO) zeigte signifikante Unterschiede zwischen AMSU und RO. Die Analyse möglicher Fehlerquellen und gute Übereinstimmung mit Radiosonden schließt RO als Ursache aus. Die Untersuchung tropischer Konvektionsregionen im HadGEM2 Klimamodell (Met Office Hadley Centre) mittels RO zeigte, dass das Modell im Bereich der tropischen Tropopause kühler ist. Unsere Ergebnisse zeigen den hohen Nutzen von RO Daten zur Evaluierung von Beobachtungsdaten und Klimamodellen. RO Parameter liefern wertvolle Indikatoren zum Klimawandel. Wir demonstrierten den Nutzen von RO zur Detektion einer Klimaänderung. Ein Klimaänderungssignal wurde in der geopotentiellen Höhe von Druckschichten und der Temperatur detektiert. Es zeigt eine Erwärmung der Troposphäre und eine Abkühlung der Stratosphäre. Insgesamt ist die Qualität, Konsistenz und Reproduzierbarkeit von RO Daten vorteilhaft zur Verwendung als Referenzdatensatz zur Klimabeobachtung und zur Detektion des Klimawandels.