Homogene atmosphärische Beobachtungen und Haushalte der letzten 75 Jahre

Das beantragte Projekt soll erstens zu verbesserter Qualität globaler Reanalysen durch Lieferung von Korrekturen von Wetterballonbeobachtungen zurück bis 1930 beitragen. Zweitens soll es bei der Berechnung von globalen Energie- undWasserhaushaltsgrößen Nutzen aus der höheren Qualität der Reanalysen ziehen. Beide Vorhaben sind zentrale Ziele der Phase II des vom World Climate Research Programme (WCRP) initiierten Global Energy and Water cycle Experiments (GEWEX). Die Ergebnisse sollen auch zu den Zielen des Global Monitoring for Environment and Security (GMES) Programms beitragen, einer größeren Initiative zur Bildung europäischer Kompetenz im Bereich der Erdbeobachtung. Die homogenisierten Radiosondentemperaturdatensätze, die in zwei vorangegangenen FWF-Projekten entwickelt wurden, werden von allen größeren laufenden Reanalysen zur Korrektur systematischer Radiosondentemperaturbeobachtungsfehler verwendet, insbesondere von ERA-Interim, der Modern Era Retrospective Re-Analysis (MERRA) der NASA und der neuen japanischen Reanalyse (JRA-55). Die Temperaturdatensätze müssen allerdings weiter in die Vergangenheit bis vor 1958 und auf Wind und Feuchte ausgedehnt werden, damit sie ihre führende Position behalten können. Innerhalb eines noch laufenden FWF- Projektes wurden die technischen Grundlagen für die Homogenisierung dieser Daten gelegt, aber es konnte nur die Machbarkeit der Ausdehnung nachgewiesen werden. Für die in naher Zukunft geplanten Reanalysevorhaben, insbesondere im Rahmen des EU-7FP Projekts ERA-CLIM, wird eine ausgereifte Implementierung benötigt, die für die meisten der frühen Radiosondendatensätze funktioniert. Diese Implementierung ist eine Hauptaufgabe im beantragten Projekt. Die verbesserten Beobachtungen sollten zu verbesserten Reanalysen beitragen, die wiederum zuverlässigere atmosphärische Energie- und Wasserhaushalte liefern sollten. Es ist wichtig, dass man mehrjährige Schwankungen nicht nur der wichtigsten Klimavariablen wie Tempertur untersucht, sondern auch die von Energie- und Feuchteflüssen. Kürzlich wurden im Rahmen eines laufenden FWF-Projekts charakteristische Energieflussmuster während starker Auslenkungen des Southern Oscillation Index in der Satelliten-Era (1979-) festgestellt. Homogenere Eingangsdaten und verbesserte Datenassimilationsmethoden sollten zuverlässigere diagnostische Aussagen zurück bis zu den frühen 1940er Jahren ermöglichen, als ein starkes El Nino Ereignis sehr wahrscheinlich mit den extremen nordosteuropäischen Wintern während des zweiten Weltkrieges in Zusammenhang stand. Die Unsicherheiten in den diagnostizierten Flüssen und in deren Variabilität müssen sorgfältig abgeschätzt und reduziert werden, um für die Validierung von Klimamodellen geeignet zu sein. Wir erwarten dass die homogenisierten Datensätze aus diesem Projekt als Eingangsdaten in zukünftigen Reanalysen Verwendung finden und über öffentliche Klimadatenportale zur Verfügung stehen werden. Das Projekt würde auch die Ziele des laufenden ERA-CLIM Projekts (in dem der PI Projektpartner ist) und eines im Herbst zu beantragenden FP7-Nachfolgeprojekts unterstützen. Die Kompatibilität der Projektziele mit denen von internationalen Forschungsprogrammen sowie die enge Zusammenarbeit mit führenden Forschungszentren, insbesonderen dem Europäischen Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) und dem National Center for Atmospheric Research (NCAR) sollte eine hohe wissenschaftliche Wirkung der Projektergebnisse garantieren.

Das Klima der Erde kann charakterisiert werden durch Zustandsgrößen (etwa die Temperatur) und durch Flussgrößen, beispielsweise den Strahlungsfluss am Oberrand der Atmosphäre, den Niederschlag oder den horizontalen Energietransport von den Tropen in die Polargebiete. Auch Änderungen des Klimas lassen sich so beschreiben. Zustands- und Flussgrößen stehen über Energie- und Wasserhaushalte miteinander in Beziehung.Flussgrößen sind ebenso bedeutsam wie Zustandsgrößen, jedoch sind sie schwieriger zu messen oder sie müssen erst aus Zustandsgrößen berechnet werden. Trotz moderner Beobachtungssysteme sind Veränderungen sowohl der Zustandsgrößen als auch der Flüsse wegen des so genannten Homogenitätsproblems nur mit großer Sorgfalt interpretierbar. Ein Datensatz ist homogen, wenn mehrere Jahrzehnte oder auch Jahrhunderte alte Messungen mit denen von heute, die mit modernsten Messverfahren gewonnen wurden, strikt vergleichbar sind. Dies ist selten der Fall, weil die früheren Beobachtungen oft systematische Messfehler aufweisen, die korrigiert werden müssen. Ohne Korrektur kann die Verwendung dieser Beobachtungen zu völlig falschen Schätzwerten von Klimaänderungen führen. Im nun abgeschlossenen Projekt wurden insbesondere Messungen in der freien Atmosphäre durch Radiosonden (Temperatur, Wind, Luftfeuchte) streng qualitätskontrolliert und auf systematische Fehler untersucht und bei Bedarf korrigiert. Die berechneten Korrekturen wurden der wissenschaftlichen Gemeinde zur Verfügung gestellt. Der globale homogenisierte Radiosondenwinddatensatz GRASP ist der erste seiner Art. Die Korrekturen sollen in die nächste umfassende Erfassung des globalen atmosphärischen Klimazustandes (eine so genannte Re-Analyse) einfließen und so noch genauere Abschätzungen von Klimaänderungen ermöglichen. Solche Reanalysen wurden in dem Projekt auch benutzt, um Haushalte von Energie und Wasser auszuwerten und damit Klimaschwankungen und -änderungen zu quantifizieren. Dabei wurden die atmosphärischen und ozeanischen Haushalte gemeinsam betrachtet. Auf diese Weise konnte etwa ein starker, durch das El Niño-Southern Oscillation-Signal modulierter Energieaustausch zwischen Atlantik und Pazifik nachgewiesen werden. Im Gegensatz zur bisherigen Lehrmeinung ist Umverteilung zwischen den Ozeanbasins während El Niño Ereignissen ist wesentlich stärker als die Abstrahlung von Wärme. Nebenbei wurde gezeigt, dass auch die Haushalte sehr empfindlich auf Dateninkonsistenzen reagieren, und so konnten auch sie Hinweise auf noch vorhandene Inhomogenitäten in den Reanalysen geben, die in ihrer nächsten Generation entfernt werden sollten.