Neuer Weg zur Erzeugung von Radiookkultations-Klimatologien

Temperaturveränderungen auf der Erdoberfläche werden mit großer Übereinstimmung der von verschiedenen Zentren ermittelten Daten sehr gut erfasst. Hingegen ist das Wissen über Veränderungen in der freien Atmosphäre noch unvollständig und es gibt große Unsicherheiten bezüglich Trendraten und deren vertikaler Struktur. Dies zeigt auch der letzte Bericht des Weltklimarates IPCC auf. In diesem Zusammenhang eröffnet die Radiookkultation (RO) die Möglichkeit hoch qualitative Daten in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre für die Klimabeobachtung zu gewinnen. Bei der RO Methode werden Phasenverschiebungen eines Satellitensignals gemessen, woraus Informationen über Dichte, Druck und Temperatur der Atmo- sphäre mit hoher vertikaler Auflösung und großer Genauigkeit global gewonnen werden können. Um allerdings Rauschen in den Beobachtungsdaten zu reduzieren benötigt die Weiterverarbeitung zu geophysikalischen Parametern Hintergrundinformation, welche mittels einer so-genannten high- altitude Initialisierung der Brechungswinkel eingebaut wird. Diese Maßnahme wurde aber von der ROtrends Kollaboration als eine der Hauptquellen für Diskrepanzen zwischen RO Klimadaten verschiedener Rechenzentren erklärt. Üblicherweise wird die high-altitude Initialisierung über eine statistische Optimierung (SO) umgesetzt. Eine weitere Fehlerquelle in der Interpretation der Daten ergibt sich durch eine von der Ionosphäre verursachte zusätzliche Phasenverschiebung des Satellitensignals. Dieser Fehler wird in den Daten nur zur ersten Ordnung korrigiert, und hängt vom Grad der Ionisierung ab. Vor kurzem wurde ein neuer Weg zur Gewinnung von RO Klimatologien vorgestellt, welcher den Vorteil hat, die komplexe SO zu umgehen. Dabei werden schon die Brechungswinkeldaten gemittelt, und diese gemittelten Profile werden zu mittleren Profilen von Dichte, Druck und Temperatur weiter verarbeitet. Dieser Ansatz reduziert das Rauschen in den RO Daten, ermöglicht eine klare Fehler- abschätzung, und vermeidet den Einbau von Hintergrundinformation als mögliche Fehlerquelle. Der Zugang wurde anhand von COSMIC Satellitendaten, und in einer von uns durchgeführten Folgestudie, mit CHAMP Daten (größeres Rauschen) getestet. NEWCLIM möchte nun diesen Zugang weiter ausbauen. Hauptziel ist, die neuen Klimatologien zu validieren, um zu sehen, ob der neue Zugang eine vollständig gültige und bessere Alternative zum herkömmlichen Verfahren bietet. Anfangs wird die neue Klimatologie zwischen drei Rechenzentren verglichen. Desweiteren wird der Anteil des ionosphärischen Restfehlers in den neuen Klimatologien untersucht. Das Ziel ist, diesen mittels eines neuen vielversprechenden Modells zu korrigieren. Schlussendlich, werden die Grenzen des neuen Zugangs ausgetestet. NEWCLIM behandelt zwei zentralen Problemen von RO Daten (die high-altitude Initialisierung und ionosphärische Restfehler) und wird dadurch wesentlich zur Verbesserung der Datenqualität beitragen. Die neue Methode bietet die Möglichkeit die bisherige obere Grenze der RO Methode weiter nach oben zu verschieben um stratosphärische Prozesse mittels RO Daten zu untersuchen.

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 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 des Messrauschens und der ionosphärischen Brechung. Das Ziel im Hertha-Firnberg Projekt NEWCLIM war es, die Qualität der Daten in der mittleren und oberen Stratosphäre von ca. 30 bis 45 km Höhe, zu verbessern. Dies ermöglicht eine genauere Analyse von Prozessen in der Stratosphäre, welche für das Klimasystem auch in der darunterliegenden Troposphäre (Wetterschicht) und für uns an der Erdoberfläche maßgeblich sind. Dabei wurden zwei neue einfache Methodiken untersucht, die das Messrauschen stark mildern und die ionosphärische Verzerrung wirksam korrigieren können. Die erste Methode korrigiert das Rauschen durch eine sehr einfache und interessante Idee. Die sogenannte Average-Profile-Inversion (API) führt die klimatologische Mittelung bereits im Brechungswinkel durch und unterdrückt damit das zufällige Rauschen in den Daten, anstatt einzelne Profile mit zusätzlichen Informationen zu glätten und zu verschneiden. Die dabei entstehenden Klimatologien werden dann direkt zu Druck- und Temperaturklimatologien verarbeitet. Diese einfache Idee eignet sich für klimatologische Studien und hat den entscheidenden Vorteil, dass nur Beobachtungsdaten bis zu einer Höhe von 80 km verwendet werden. Wie ursprünglich geplant, wurde die Studie zum API-Ansatz gemeinsam mit dem Dänischen Meteorologischen Institut durchgeführt, wobei Datensätze aus verschiedenen Verarbeitungszentren verglichen wurden. Die Ergebnisse zeigten eine Robustheit zwischen den Rechenzentren bis zu einer Höhe von ca. 35 km. Das zweite Forschungsziel war die Verbesserung der Ionosphärenkorrektur in den Daten. Ein einfach zu verwendendes Modell wurde zuvor in Zusammenarbeit mit dem Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersagen entwickelt. Das Besondere an diesem Modell ist, dass zur Berechnung der Ionosphärenkorrektur nur die ursprünglich gemessene Phasenverschiebung (Brechungswinkel) und der F10.7-Index, der ein Maß für die Sonnenaktivität ist, benötigt werden. Andere bisher bekannte Korrekturen erforderten viel mehr zusätzliche Informationen, wie beispielsweise die Elektronendichte zum Zeitpunkt der Messung. Dieses Modell, die sogenannte Kappa-Korrektur, wurde erstmals mit beobachteten RO-Daten getestet. Für alle RO-Parameter wurden detaillierte Informationen über die Sensitivität der Kappa-Korrektur und den Einfluss des Restfehlers durch die Ionosphäre berechnet. Zusammenfassend sind die beiden vorgestellten Methoden, die Average-Profile-Inversion und die Kappa-Korrektur, wichtige Werkzeuge für den Umgang mit Restfehlern in RO-Daten. Sie steigerten die Datennutzung in der Stratosphäre auf eine Höhe von bis zu etwa 40 km Höhe.