Authors:	Borger, Christian
Title:	Long-term analysis of the global water vapour distribution based on satellite measurements
Online publication date:	17-May-2023
Year of first publication:	2023
Language:	english
Abstract:	Water vapour is one of the most important trace gases in the Earth’s atmosphere and plays a key role in atmospheric processes from a few micrometres up to climate-relevant scales. In this work, the long-term changes (2005-2020) of the global water vapour distribution were investigated using satellite measurements. To this end, first a retrieval algorithm was developed to determine the total vertical column of water vapour (TCWV) in the visible blue spectral range. This spectral range is particularly well suited for TCWV retrievals, as it provides a similar sensitivity over land and ocean surfaces. The retrieval is based on measurements of the novel satellite instrument TROPOMI, which combines an unprecedented signal-to-noise ratio with a high spatial resolution and a daily global coverage. In the new retrieval, for the first time an iterative scheme was implemented, which finds an optimal a priori profile shape of water vapour. Furthermore, an optimised surface albedo was developed. The novel, iterative approach provides reliable results even under high cloud cover and thus also enables the investigation of atmospheric water vapour phenomena (e.g. atmospheric rivers) on a fine spatial scale. Moreover, comparisons with microwave satellites, reanalyses models and GPS measurements show an excellent agreement. This new retrieval was then modified such that it could be applied to the long-term measurement series of the OMI instrument (2005-2020). From these retrieval results the MPIC OMI TCWV climate data record (CDR) was generated. This CDR is unique as it is solely based on one instrument so that cross-calibrations between different sensors are not necessary, but it still provides a global coverage with an almost homogeneous and high surface sensitivity. An extensive validation study with various reference data sets demonstrates a very good agreement over ocean, but also a systematic overestimation over land surfaces. Nevertheless, the CDR proves to be highly temporally stable and is therefore predestined for climate studies. The trend analyses based on the MPIC OMI TCWV CDR revealed on average a global TCWV increase, with almost all local, statistically significant trends being positive. It was shown that the assumption of temporally constant relative humidity is not always fulfilled even over ocean and that indirectly determined precipitation trends do not correspond to the "dry-gets-drier, wet-gets-wetter" paradigm. Furthermore, an increase in the water vapour residence time was found, implying a slow down of the atmospheric branch of the hydrological cycle. In addition, the CDR has been used to investigate changes in the (global) meridional circulation which revealed a poleward expansion of the southern tropical width across the entire Pacific Ocean. Wasserdampf ist eines der wichtigsten Spurengase in der Erdatmosphäre und spielt eine Schlüsselrolle bei atmosphärischen Prozessen von wenigen Mikrometern bis hin zu klimarelevanten Skalen. Das Ziel dieser Arbeit war, die langfristigen Veränderungen (2005-2020) der globalen Wasserdampf-Verteilung anhand von Satellitenmessungen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurde zunächst ein Auswerte-Algorithmus entwickelt, um die vertikal integrierte Wasserdampfsäule (engl. total column water vapour, TCWV) im sichtbaren blauen Spektralbereich zu bestimmen. Dieser Spektralbereich ist besonders gut für solche Retrievals geeignet, da er beispielsweise eine ähnliche Empfindlichkeit über Land- und Meeresoberflachen vorweist. Für die Entwicklung des Retrievals wurden die Messungen des neuen Satelliteninstruments TROPOMI verwendet, welches ein noch nie dagewesenes Signal-zu-Rausch-Verhältnis mit einer hohen räumlichen Auflösung und einer täglichen globalen Abdeckung kombiniert. Bei dem neuen Retrieval wurde zum ersten Mal eine iterative Methode implementiert, die eine optimale a priori Profilform des Wasserdampfs findet. Darüber hinaus wurde eine neue, optimierte Oberflächenalbedo erstellt. Der neuartige, iterative Ansatz liefert selbst bei hohen Bewölkungsgraden zuverlässige Ergebnisse und ermöglicht somit auch die Untersuchung von atmosphärischen Wasserdampfphänomenen (z.B. atmosphärische Flüsse) auf einer kleinsträumlichen Skala. Außerdem zeigen Vergleiche mit Mikrowellensatelliten, Reanalysen-Modellen und GPS-Messungen eine hervorragende Übereinstimmung. Der Algorithmus wurde dann so modifiziert, dass er auf die Langzeitmessreihen des OMI-Instruments (2005-2020) angewendet werden konnte. Aus den Ergebnissen dieser Auswertung wurde der MPIC OMI TCWV Klimadatensatz (CDR) erstellt. Dieser CDR ist ein einzigartiger TCWV-Datensatz, da er nur auf einem einzigen Instrument basiert, sodass keine Kreuzkalibrierungen zwischen verschiedenen Satellitensensoren erforderlich sind. Dennoch bietet er eine globale Abdeckung mit einer nahezu homogenen und hohen Oberflächenempfindlichkeit. Eine umfangreiche Validierungsstudie mit verschiedenen Referenzdatensätzen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung über den Ozeanen, jedoch auch eine systematische Überschatzung über Landflachen. Gleichzeitig erweist sich der CDR als zeitlich sehr stabil und ist daher für Klimastudien prädestiniert. Aus den Trendanalysen des MPIC OMI TCWV CDR wurde im Mittel ein globaler TCWV-Anstieg ermittelt, wobei fast alle lokalen, statistisch signifikanten Trends positiv sind. Es wurde auch gezeigt, dass die Annahme einer zeitlich konstanten relativen Luftfeuchtigkeit selbst über Ozean nicht immer erfüllt ist und dass indirekt ermittelte Niederschlagstrends nicht dem Paradigma "dry-gets-drier, wet-gets-wetter" folgen. Außerdem wurde eine Zunahme der Lebenszeit des Wasserdampfs festgestellt, was auf eine Verlangsamung des atmosphärischen Zweigs des hydrologischen Kreislaufs hindeutet. Darüber hinaus wurde der CDR auch zur Untersuchung von Veränderungen in der (globalen) meridionalen Zirkulation verwendet, wobei eine polwärtige Ausdehnung der südlichen Tropen über den gesamten Pazifischen Ozean festgestellt wurde.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics 550 Geowissenschaften 550 Earth sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik Externe Einrichtungen
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-9062
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-32255d8c-9e98-414b-a868-848891c680ed8
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	ix, 196 Seiten ; Illustrationen, Diagramme
Appears in collections:	JGU-Publikationen