Globale Radiosondendaten für die Klimaforschung

Lange homogene beobachtete Zeitserien von Klimavariablen werden nicht nur an der Erdoberfläche sondern auch in der freien Atmosphäre benötigt, denn Klimaanomalien und Klimaänderungen haben eine dreidimensionale räumliche Struktur. In-situ Beobachtungen der freien Atmosphäre, vor allem Radiosonden- und Ballondaten, sind in der Nordhemisphäre etwa seit den 1930er Jahren verfügbar, und globale Bedeckung ist seit dem internationalen geophysikalischen Jahr (IGY) 1958 gegeben. Um das volle Potential der Daten auszuschöpfen müssen (i) künstliche systematische Fehler und Sprünge aus den Stationszeitreihen entfernt werden und die Daten müssen (ii) mit einem geeigneten dynamischen Datenassimilations-system im Rahmen sogenannter Reanalysen assimiliert werden. Die Entfernung künstlicher Sprünge aus den Beobachtungsreihen nennt man Homogenisierung. Das Fehlern homogener Klimareihen der freien Atmosphäre zurück bis in die 1970er oder sogar 1930er Jahre wurde vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als großer Unsicherheitsfaktor identifiziert, der unsere Fähigkeit zur Diagnose von Klimaänderungen wesentlich einschränkt. Im Projekt P18120-N10 (Ende im Mai 2009) hat der Antragsteller weltweit führende Homogeni-sierungsmethoden für Radiosondentemperaturen und -winde entwickelt. Die berechneten Korrekturen werden in laufenden Reanalyseprojekten über die Satellitenperiode (1979-) am europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) und an der National Aeronautics and Space Administration (NASA) benutzt. Ein neues Projekt mit folgenden Zielen wird nun beantragt: (i) Entwicklung eines vereinheitlichten Homogenisierungssystems, das Temperatur, Feuchte und Winddaten gemeinsam homogenisiert. Es soll homogene Datensätze dieser Parameter zurück bis 1958 liefern. (ii) die Schätzung systematischer Fehler in Radiosondenmessungen während des Datenassimilationsprozesses ("online bias estimation"). (iii) Untersuchung und wenn möglich Homogenisierung des Radiosondendatensatzes von 1938-1958. Ziel (i) geht auf die Tatsache ein, dass seit 1958 zwar ein globaler Radiosondenfeuchte- und Winddatensatz zur Verfügung steht, aber keine Korrekturen, die umfassend genug sind, um für eine Klimadatenassimulation hilfreich zu sein. Homogenisierte Temperaturreihen der Universität Wien und von anderen Quellen existieren, aber enthalten immer noch bedeutende Inkonsistenzen, die entfernt werden müssen, wie neuere Forschungsergebnisse gezeigt haben. Die gemeinsame Betrachtung aller Parameter ist ein neuer Ansatz, der zu verbesserter Brucherkennung führen sollte, weil Brüche in verschiedenen Parametern oft synchron auftreten aber nicht in allen Zeitserien erkennbar sind. Die Homogenisierung der Zeitreihenin späteren Perioden sollte auch durch überarbeitete Brucherkennungsverfahren und neu rekalibrierte Satellitenradianzen deutlich verbessert werden können Ziel (ii) ist die Erweiterung von Assimilationsverfahren, die systematische Beobachtungsfehler zusammen mit dem atmosphärischen Zustandsvektor schätzen. Diese arbeiten gut für Satelliten-radianzen, aber sie wurden bisher noch nicht für konventionelle Beobachtungen der freien Atmosphäre benutzt. Reanalysen würden im Fall des Erfolges keine extern berechneten Radiosondenbeobachtungs-korrekturen mehr benötigen, was den Assimilationsprozess wesentlich vereinfachen würde. Ziel (iii) sollte zum ersten Mal erreichbar sein, dank besserer Verfügbarkeit von digitalen Daten der freien Atmosphäre, zusammen mit Innovationen von Reanalysen, die nur Bodenbeobachtungen verwenden. Der Erfolg des Projektes sollte zu merklich reduzierten Unsicherheiten in der Schätzung des Klimazustandes der letzten 8 Jahrzehnte führen. Die homogenisierten Daten sollten als Input für zukünftige Reanalysen dienen und auch über Klimadatenportale verfügbar sein. Das Projekt sollte auch die Ziele eines beantragten Projektes in Richtung einer neuen globalen Reanalyse im EC 7. Rahmenprogramm unterstützen, das vom ECMWF koordiniert wird und in dem der PI Projektpartner ist. Die enge Zusammenarbeit mit führenden Datenassimilations- und Klimaforschungszentren sollte die wissenschaftliche Durchschlagskraft der Ergebnisse aus dem beantragten Projekt maximieren.

Das globale Radiosondennetzwerk ist seit den 1930er Jahren ein wichtiges Beobachtungssystem für Meteorologen. Einige (etwa 1000) Beobachtungsreihen sind seit einiger Zeit für Klimastudien von Interesse. Allerdings verursachten häufige Wechsel des Radiosonden-modells zu künstlichen Sprüngen in den Zeitreihen (sogenannte Inhomogenitäten), die mitunter zu schwerwiegenden Fehlinterpretationen führen können. Besonders betrifft das die von Klimamodellen vorhergesagte Amplifizierung von Bodentemperaturvariationen und -trends in der oberen Troposphäre (ca. 8km) in den Tropen um einen Faktor zwischen 2 und 3, der in den rohen Radiosondenzeitreihen in manchen Dekaden (z.B. 1979-1999) nicht zu finden ist. In diesem Projekt (von 2009-2012) wurde das in früheren Projekten entwickelte Homogenisierungssystem (RAOBCORE/RICH), dessen korrigierte Zeitreihen bereits umfassender waren und besser zu unabhängigen Satellitendaten passten als alle anderen verfügbaren homogenisierten Radiosondendatensätze, weiter verbessert. Die Unsicherheit in den Korrekturen wurde durch Variation der wichtigsten Parameter abgeschätzt, das Amplifizierungs-signal stellte sich als robust heraus. Das war ein wesentlicher Grund, warum der korrigierte Datensatz (RAOBCORE) in großen Reanalysprojekten wie ERA-Interim, MERRA und JRA-55 zur Biaskorrektur verwendet wurde. Auf diese Weise hat RAOBCORE indirekt großen Einfluss auf die globale Klimaforschung, denn viele Wissenschaftler nutzen Reanalysedaten. Im zweiten Teil des Projektes wurde mehr Wert auf die Korrektur früher Radiosonden- und Windballondaten gelegt, wobei spezielle Reanalysen verwendet wurden, die nur Bodendaten nutzen, dafür aber annähernd das gesamte 20. Jahrhundert abdecken. Erste Ergebnisse deuten an, dass die Korrektur auf diese Weise möglich ist, obwohl die Fehler dieser Reanalysen viel größer sind als in solchen, die Daten aus der freien Atmosphäre assimilieren. Alle obengenannten Verfahren arbeiten offline, das heißt außerhalb eines meteorologi-schen Datenassimilationssystems. Es gibt aber elegante variationelle Biaskorrekturansätze, die man für diesen Zweck auch verwenden kann. Wir haben solche im ECMWF-Modell implementiert. Obwohl einige Fortschritte gemacht wurden, konnte diese Aufgabe nicht innerhalb der Projektlaufzeit abgeschlossen werden. Nicht nur die Homogenität der Eingangsdaten in Reanalysen ist wichtig, sondern auch die Homogenität der Analysen selbst, bzw. der daraus abgeleiteten Haushaltsgrößen wie etwa Energie- und Feuchteflussdivergenzen. Ein entsprechendes Berechnungs- und Analyseverfahren für vertikal integrierte Haushalte wurde in Zusammenarbeit mit Forschern vom National Center for Atmospheric Research (USA) verbessert und förderte einige dieser Inhomogenitäten zutage. Gleichzeitig konnten interessante wandernde Strukturen im tropischen Pazifik im Zusammenhang mit dem bekannten Phänomen der El Niño Southern Oscillation (ENSO) nachgewiesen werden, die bisher in dieser Klarheit nicht zu sehen waren. So konnten 2 ansehnliche Artikel im Journal of Climate veröffentlicht werden.