Hochwertige Radiookkultations-Klimadaten in der Stratosphäre

Seit rund zwanzig Jahren liefert die satellitengestützte Radio-Okkultationstechnik (RO) hochwertige atmosphärische Daten in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (5 km bis 35 km Höhe). Diese finden Anwendung im meteorologischen Bereich (wie z.B. der Wettervorhersage), im Klimamonitoring und in der Klimaforschung, bis hin zur Weltraumwetterforschung. Das erste Ziel dieses Projekts ist es, die Datenqualität von RO-Daten in der mittleren und oberen Stratosphäre zu erhöhen (35 km bis 50 km Höhe). Das setzt eine wichtige Empfehlung der RO-Expert:innengruppe International Radio Occultation Working Group um. Zwei einfach anzuwendende, in einem früheren Projekt entwickelte, Methoden werden dazu für das gesamte Portfolio von RO-Daten seit 2001 verwendet und weiter verbessert. Diese neuen Techniken können das Messrauschen stark reduzieren und die Resteinflüsse der aus geladenen Teilchen bestehenden Ionosphäre der Erde wirksam korrigieren. Dies verbessert die Datenqualität über die gesamte Stratosphäre und ermöglicht so ein genaueres globales Klimamonitoring, was wiederum zu einem besseren Verständnis unseres Klimasystems beiträgt. Nach gründlicher Analyse werden die vollständig verfügbaren RO-Daten seit 2001 erneut aufbereitet. Basierend auf diesen aufbereiteten hochwertigen Klimadaten besteht das zweite Ziel darin, stratosphärische Winde und ihre Zirkulationsmuster über den Tropen und Subtropen abzuleiten. Die dabei genutzten Vorteile der RO-Daten sind ihre hohe vertikale Auflösung und langfristige Konsistenz über die gesamte Zeitperiode. Die Windfelder werden zur Sicherung einer hohen Klimamonitoring-Qualität sorgfältig mit langfristig berechneten Wetteranalyse-Datenfeldern, sogenannten Reanalysedaten, verglichen und mittels dieser auch zeitlich rückwärts bis 1980 verlängert. Dies ermöglicht es schließlich, dynamische Höhenänderungen der Windfelder und Änderungen in ihren Zirkulationsmustern unter dem Einfluss des menschgemachten Klimawandels der letzten vier Jahrzehnte in einer davor nicht möglichen Zuverlässigkeit zu untersuchen. Diese spannende Analyse wird mit Fokus auf die im Klimasystem besonders wichtigen Änderungen in den Tropen und Subtropen durchgeführt und lässt neue Erkenntnisse zum Zusammenspiel von globaler Erwärmung und Zirkulationsänderungen erwarten.

Seit fast 20 Jahren liefert die satellitengestützte Radio-Okkultationstechnik (RO) qualitativ hochwertige atmosphärische Daten von der oberen Troposphäre bis zur unteren Stratosphäre (5 km bis 35 km). Diese Daten werden für meteorologische Anwendungen, für Klimaforschung und Klimamonitoring bis hin zur Weltraumwetterforschung verwendet. Die ursprüngliche Messgröße der Phasenwegverlängerung ergibt ein vertikales Profil bis zu einer Höhe von ungefähr 80 km. Allerdings verschlechtert sich die Datenqualität mit zunehmender Höhe, aufgrund des zunehmenden Einflusses der ionosphärischen Brechung. Das erste Ziel im Einzelprojekt Strato-Clim war es, die Qualität der Daten in der mittleren und oberen Stratosphäre zu verbessern (ca. von 30 bis 45 km Höhe) und den Einfluss des Signals der Ionosphäre zu korrigieren. Dies ermöglicht eine genauere Analyse von Prozessen in der Stratosphäre, welche für das Klimasystem auch in der darunterliegenden Troposphäre (Wetterschicht) und für die Erdoberfläche maßgeblich sind. Hierbei wurden gezielt zwei unterschiedliche Ionosphärenkorrekturen, die Kappa-Korrektur und die Bi-local-Korrektur, miteinander verglichen. Beide verbessern die Klimadaten in der Stratosphäre, wobei die Kappa-Korrektur einfacher anzuwenden ist und nur die gemessene Phasenverschiebung sowie den F10.7-Index benötigt. Die Bi-local-Korrektur ist komplexer, bietet aber Vorteile bei hoher magnetischer Aktivität und regionaler Auflösung. Insgesamt sind beide Methoden nützlich zur Reduktion von Restfehlern in den RO-Daten und ermöglichen eine Datennutzung bis etwa 40 km Höhe. Basierend auf diesen hochwertigen RO-Klimadaten bestand das zweite Ziel des Forschungsprojekts darin, troposphärische und stratosphärische Winde sowie deren Zirkulationsmuster abzuleiten. Dank der globalen Abdeckung, der exzellenten Höhenauflösung und der Langfriststabilität dieser Daten ermöglichen sie neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel zwischen globaler Erwärmung und Veränderungen atmosphärischer Zirkulation. Im Strato-Clim-Projekt gelang es erstmals, Windfelder über den gesamten Globus als Zeitreihe für den Zeitraum 2006-2020 aus RO-Klimadaten zu extrahieren. Diese neuen Winddaten ermöglichen die Auflösung von planetaren Wellen und konnten auch über den Äquator gewonnen werden, was zuvor mit RO Daten nicht möglich war. Zudem wurden in einer Anwendungsstudie erstmals Windstrukturen in der Troposphäre mit Hilfe der neuen RO-Daten analysiert. Zusammenfassend war Strato-Clim ein äußerst erfolgreiches FWF Einzelprojekt, welches zur Verbesserung von Klimadaten beigetragen und eine völlig neue, international beachtete Forschungsrichtung im Bereich der Radio-Okkultation eröffnet hat.