Flugzeuggetragene Messungen von Zirren und vereisten Wolken im Troposphären-Stratosphären-Übergangsbereich des asiatischen Sommermonsuns
Date issued
Authors
Editors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
License
Abstract
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich vorrangig mit zwei aktuellen Fragestellungen der Atmosphärenforschung: Zum einen wird die Frage nach der Vergleichbarkeit flugzeuggetragener Messungen gestellt. Zum anderen wird anhand der Messdaten der 2017 durchgeführten Forschungskampagne StratoClim untersucht, mit welcher Mikrophysik sich die im Übergansbereich von Troposphäre zu Stratosphäre beobachteten Eis- und Zirruswolke beschreiben lassen.
Zur Beantwortung der ersten Fragestellung werden die Aufzeichnungen verschiedene Instrumente, die die gleichen Parameter messen, miteinander verglichen und es wird anhand der Analyse einzelner Flugabschnitte, sowie der gesamten Datensätze untersucht, inwieweit diese Messungen miteinander vergleichbar sind und weshalb sich Unterschiede zeigen. Eine Fragestellung, die sich nach wie vor im Diskurs der mit atmosphärischer Messtechnik befassten wissenschaftlichen Gemeinde befindet.
Die verwendeten Instrumente zeichnen beim Durchfliegen von Wolkenstrukturen Bilddaten auf, anhand derer auf die mikrophysikalischen Eigenschaften (der Hydrometeore) in diesen Strukturen geschlossen werden kann. Die Messdaten wurden im Rahmen der Forschungskampagne StratoClim während der Zeit des asiatischen Sommermonsuns im Juli und August 2017 über Nepal, Indien und Bangladesch erhoben. Der StratoClim-Datensatz ist aufgrund seiner geographischen, meteorologischen und technisch-instrumentellen Besonderheiten bislang einzigartig (erste erfolgreiche Messkampagne in dieser Region und Jahreszeit, mit diesen Flugprofilen und wissenschaftlichen Instrumenten an Bord) und daher ist es von besonderem Interesse, dass die erhobenen Messdaten konsistent und vergleichbar sind. Sowohl in Hinblick auf die Vergleichbarkeit innerhalb des StratoClim-Datensatzes als auch im Vergleich mit vergangenen und noch folgenden Datensätzen aus flugzeuggetragenen Messkampagnen in diesem Zusammenhang.
Im Zuge dieser Vergleichbarkeitsstudie wurde zuerst die verwendete Bildauswertungs-Software optimiert und dabei untersucht, inwiefern verschiedene Softwareversionen und Randbedingungen bei der Bilddatenauswertung, die grundlegenden Messprodukte wie Größe, Anzahldichte und Form beeinflussen. Dafür wurden die Datensätze des modernsten bildgebenden Verfahrens, dass von der Mainzer Forschungsgemeinde an der Johannes Gutenberg-Universität und dem Max-Planck-Institut für Chemie verwendet wird, zur Auswertung herangezogen. Die Erkenntnisse aus der Studie an diesen Bilddaten lassen sich direkt auf alle weiteren Datensätze von Messgeräten mit monochromer Bildaufzeichnung übertragen. Ein zentrales Ergebnis dieser Studie ist, dass die in Kooperation mit dem National Center for Atmospheric Research – NCAR entwickelte Nachfolgerversion der Bilddaten-Software deutliche Vorteile gegenüber den bislang verwendeten Versionen liefert. Alle Ergebnisse werden im Detail in Kapitel 2 erläutert und diskutiert.
Anschließend werden die Datensätze zweier baugleicher Instrumente, die während der Messkampagne StratoClim 2017 im Einsatz waren, gegenübergestellt und auf mögliche Unterschiede auf Soft- und Hardwareseite hin untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnten mehrere, für die Messqualität kritische, Sensoreinstellungen identifiziert werden, die in den Datensätzen der einzelnen Instrumente nicht weiter auffällig waren. Es zeigte sich, dass insbesondere die Messung der Sonden-Anströmgeschwindigkeit und ein damit verbundener Korrekturfaktor für die Messvolumenkompression, sensible Indikatoren für korrekt kalibrierte Instrumentensensoren darstellen. Der Sensordaten-Vergleich führte auch zu einer mit dieser Arbeit erstmals eingeführten Fehlerkorrektur des Messvolumens. Darauf aufbauend wird ein virtuell zusammengeführtes Messvolumens der beiden baugleichen Instrumente eingeführt und die entstehenden Vor- und Nachteile, auch in Hinblick auf Datenauswertungsstrategien zukünftiger Messkampagnen, diskutiert.
Im darauffolgenden Teil der Arbeit in Kapitel 4 wird auf anderem Wege an die Frage der Vergleichbarkeit von flugzeuggetragenen Hydrometeormessungen herangegangen und dabei auch die Mikrophysik der beobachteten Wolkenstrukturen während StratoClim untersucht. Es wird dafür ein weiterer Vergleich zwischen den Messdaten zweier Instrumente unterschiedlicher Bauart und Messmethode angestellt. Dafür werden die Datensätze der in den vorherigen Kapiteln diskutierten bildgebenden Verfahren mit einem Streulichtmessverfahren verglichen, das für StratoClim ebenfalls im Einsatz war. Dabei werden zum einen Rückstreukoeffizienten aus den Bilddaten berechnet und mit direkt gemessenen Rückstreukoeffizienten verglichen. Zum anderen wird ein Formfaktor eingeführt, der eine Zuordnung von Messsignalen zu Eispartikelformen ermöglicht und damit weitere Indizien für die mikrophysikalischen Eigenschaften der gemessenen Wolkenpartikel liefert, sowie deren Vergleichbarkeit ermöglicht. Es zeigt sich dabei, dass die Kombination aus Formfaktor und Depolarisation des rückgestreuten Signals ein sensibler Indikator für asphärische und irreguläre Eiskristallformen ist und dass die beobachtete Mikrophysik mit denen in der Literatur beschriebenen Eigenschaften und Beobachtungen übereinstimmt.
Die sich an diese Studie anschließende Auswertung im letzten Teil der Arbeit beschäftigt sich mit den während StratoClim erfassten Daten in Hinblick auf die aktuelle Forschung an vereisten Wolken und Zirruswolken. Es werden in-Situ Beobachtungen von Hydrometeoren aus überschießender Konvektion, verschiedenen Stadien von Eiswolken ausströmender Gewitterzellen, sowie von seltenen, nicht sichtbaren Zirren, sogenannte „Subvisible Cirrus“ Wolken vorgestellt. Die dargestellten Phänomene wurden während der Zeit des asiatischen Sommermonsuns in Höhenbereichen der asiatischen oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre in ca. 10 – 21 km Höhe beobachtet und sie werden in den Kontext der in der Literatur beschriebenen Beobachtungen zu dieser Jahreszeit, in diesen Breitengraden und Höhenbereichen gestellt. Abschließend folgt im letzten Kapitel eine Zusammenfassung der Arbeit mit Fazit und Ausblick.