UTH-MOS: Wasserdampf und Cirren in der oberen Troposphäre aus operationellen meteorologischen Satellitendaten

UTH-MOS

Wasserdampf und Cirren in der oberen Troposph ¨are aus operationellen meteorologischen Satellitendaten

Schlussbericht

Stefan B¨uhler ^∗

30. 10. 2006

Abstract

Ziel des UTH-MOS Projekts war die Erschließung von Daten der operationellen meteorolo-

gischen ATOVS Sensoren f¨ur die Klimaforschung. Mit ihrer Hilfe l¨asst sich die Verteilung

der Feuchte in der oberen Troposph¨are bestimmen, einer der gr¨oßten Unsicherheitsfaktoren

in aktuellen Klimamodellen. Der große Vorteil der ATOVS Daten f¨ur diese Anwendung ist,

dass uns diese Daten auf absehbare Zeit kontinuierlich zur Verf¨ugung stehen werden, da die

Sensoren unentbehrlich f¨ur die numerische Wettervorhersage sind. Damit die Daten f¨ur die

Klimaforschung verwendbar sind, muss der Einfluss von Cirruswolken auf die Messung in

den Mikrowellen Kan¨alen der Sensoren verstanden, und in der Auswertung ber¨ucksichtigt

sein. Das Projekt widmete sich daher etwa zu gleichen Teilen der Modellierung des Strah-

lungstransfers durch Cirruswolken einerseits, und der tats¨achlichen Datenauswertung und

wissenschaftlichen Anwendung andererseits.

Inhaltsverzeichnis

1 Kurzdarstellung 9

1.1 Aufgabenstellung . . . . 9

1.2 Voraussetzungen . . . . 10

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens . . . . 11

1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn . . . . 12

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen . . . . 12

2 Eingehende Darstellung 13 2.1 Erzielte Ergebnisse . . . . 13

2.1.1 Referenz Strahlungstransfer-Modell . . . . 13

2.1.2 Modell Validation . . . . 15

2.1.3 Schneller Strahlungstransfer . . . . 15

2.1.4 Cirrus Impact . . . . 16

2.1.5 Feuchte Retrieval . . . . 16

2.1.6 Feuchte Validation . . . . 17

2.1.7 Klima Anwendungen . . . . 18

2.1.8 COST 723 . . . . 19

2.1.9 Habilitationsschriften, Dissertation, Master- und Diplom-Arbeiten . 20 2.1.10 Sonstige Ver¨offentlichungen . . . . 21

2.2 Voraussichtlicher Nutzen . . . . 22

2.3 Zwischenzeitlicher Fortschritt bei anderen Stellen . . . . 23

2.4 Ver¨offentlichungen . . . . 23

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.1 Absorptionsspektren der verschiedenen Gase in der Erdatmosph¨are. . . . . 10

1.2 Die Teilprojekte von UTH-MOS. . . . 11

2.1 Schematische Darstellung des DOIT Algorithmus. . . . 14

2.2 Ein Vergleich des schnellen Strahlungstransfermodells RTTOV zu ARTS. . 15

2.3 AMSU Messung (links) und ARTS Simulation (rechts) einer Szene mit in- tensiven Eiswolken. . . . 16

2.4 Saisongemittelte UTH f¨ur Winter 1999-2000. . . . 17

2.5 Streuplots AMSU-Messung gegen Radiosonden. . . . . 18

2.6 Ice Water Path (IWP). . . . 18

2.7 Die drei Arbeitsgruppen von COST 723. . . . 20

Abbildungsverzeichnis

1 Kurzdarstellung

1.1 Aufgabenstellung

Ein umfassendes Verst¨andnis des Einflusses von Wasserdampf und Cirruswolken auf den Strahlungshaushalt der oberen Troposph¨are (engl. Upper Troposphere, UT) ist f¨ur die Kli- maforschung dringend erforderlich. Daf¨ur muss die r¨aumliche Verteilung dieser beiden Be- standteile wesentlich besser bekannt sein, als das zur Zeit der Fall ist. Tats¨achlich wird die Gesamtunsicherheit in Klimamodellen zur Zeit von Unsicherheiten im Wasserdampfgehalt der oberen Troposph¨are (engl. UTH), und den daraus resultierenden Heizraten, dominiert.

Ziel des UTH-MOS Projekts war es, einen neuen Datensatz f¨ur dieses Forschungsgebiet zu erschließen, n¨amlich die Daten von satellitengest¨utzten Mikrowellen-Radiometern.

Mikrowellen-Radiometer vom Typ AMSU-B befinden sich auf mehreren polar-umlaufenden Wettersatelliten, zum Beispiel auf den amerikanischen NOAA Satelliten und auf dem neuen europ¨aischen Wettersatelliten Metop. Die Daten dieser Instrumente enthalten Information

¨uber die Feuchte in der unteren und oberen Troposph¨are, und werden zur Assimilation in Wettervorhersagemodelle genutzt. Es gibt drei verschiedene Instrumente, die alle sehr ¨ahn- liche Eigenschaften haben: AMSU-B, SSM/T2, und MHS. Tabelle 1.1 zeigt eine Zusam- menfassung, welches Instrument auf welchem Satelliten fliegt.

Die Feuchte-Information kommt im Wesentlichen aus den drei Kan¨alen rund um die Wasserdampf- Linie bei 183 GHz. Feuchte-Information f¨ur die obere Troposph¨are kommt aus dem Kanal bei 183±1 GHz. Abbildung 1.1 zeigt die Position der AMSU-B Kan¨ale relativ zum Absorp- tionsspektrum der Atmosph¨are.

Um die Mikrowellen-Daten f¨ur Klimaanwendungen nutzen zu k¨onnen, muss man den Ein- fluss von Eiswolken auf die Messung sehr genau verstehen, da die Messergebnisse sonst verf¨alscht werden k¨onnen. Von den operationellen Nutzern der Daten (den Wetterdiensten)

Tabelle 1.1: Mikrowellen-Radiometer zur Messung der atmosph¨arischen Feuchte auf ver-

schiedenen Satellitenplattformen. (Tabelle aus John et al., 2006, siehe Ab-

schnitt 2.)

1 Kurzdarstellung

Abbildung 1.1: Absorptionsspektren der verschiedenen Gase in der Erdatmosph¨are. Die Po- sitionen der AMSU-B Kan¨ale sind grau schattiert. (Abbildung aus John and Buehler, 2004, siehe Abschnitt 2.)

wurde dieses Problem ausgeklammert, da diese die Daten nur in Gebieten ohne Wolken nutzen. Das Projekt erforderte daher Arbeiten in drei Teilgebieten:

1. Strahlungstransfer f¨ur Mikrowellen in der Gegenwart von Wolken,

2. Entwicklung von Methoden zur Ableitung der Feuchte aus den Satellitendaten, 3. Validation durch Vergleiche zwischen Satelliten- und anderen Sensoren.

1.2 Voraussetzungen

Das Projekt wurde unter der Voraussetzung durchgef¨uhrt, dass die operationellen Satelliten- daten vorhanden und f¨ur wissenschaftliche Zwecke frei verf¨ugbar sind. In Zusammenarbeit mit dem Betreiber der Satelliten NOAA (US National Oceanic and Atmospheric Adminis- tration) wurde der gesamte AMSU-B Datensatz nach Bremen importiert, und dort f¨ur die UTH-MOS Arbeiten verf¨ugbar gemacht.

Eine weitere Voraussetzung war, dass Computercodes zum Kalibrieren der Daten vom Met

Office (UK) im Rahmen einer Eumetsat SAF (Satellite Application Facility) bereits entwi-

ckelt wurden. Es wurde daher durch Absprachen mit Eumetsat und Met Office sicherge-

stellt, dass wir diese Werkzeuge verwenden durften.

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Abbildung 1.2: Die Teilprojekte von UTH-MOS. Die Zahlen auf der rechten Seite markie- ren die Anzahl der Publikationen in hochwertigen wissenschaftlichen Zeit- schriften mit Peer-Review, die aus dem jeweiligen Teilprojekt hervorgegan- gen sind.

1.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Entsprechend dem Projektantrag wurde das Projekt ¨uber einen Zeitraum von f¨unf Jahren durchgef¨uhrt. Abbildung 1.2 zeigt eine ¨ Ubersicht des Projektablaufs und der verschiedenen Teilprojekte.

Im Antrag urspr¨unglich nicht vorhergesehen war das Teilprojekt ‘COST 723’. Die COST

Aktion 723 ‘Data Exploitation and Modeling for the Upper Troposphere and Lower Strato-

sphere’ umfasste insgesamt ¨uber 50 Wissenschaftler aus 19 EU L¨andern. Die Aktion wurde

vom Projektleiter initiiert, um das UTH-MOS Projekt besser mit anderen Forschungsar-

beiten im H¨ohenbereich obere Troposph¨are / untere Stratosph¨are zu vernetzen. Auf diese

Weise wurden uns zum Beispiel in-situ-Daten zur Validation der Satellitenmessungen zur

1 Kurzdarstellung

1.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand zu Projektbeginn

Mikrowellen-Satellitendaten waren bereits zu Projektbeginn operationell verf¨ugbar. Eben- so verf¨ugbar war die Kallibrations-Software AAPP (¨uber die Eumetsat NWP SAF, siehe Abschnitt 1.2). Beides musste lediglich in Bremen implementiert werden.

Strahlungstransfermodelle f¨ur den ‘clear-sky’ Fall (ohne Wolken) waren vom Projektlei- ter bereits entwickelt worden. Modelle mit Streuung waren in der Community verf¨ugbar, erf¨ullten aber nicht die Anforderungen des Projekts, n¨amlich, Intensit¨at und Polarisations- eigenschaften der Strahlung f¨ur beliebig geformte und orientierte Eisteilchen in beliebiger Beobachtungsgeometrie genau vorherzusagen. Die Entwicklung von Strahlungstransferal- gorithmen nahm daher im Projekt einen breiten Raum ein.

Retrieval-Verfahren zur Ableitung der Feuchte in der oberen Troposph¨are (Upper Tropos- pheric Humidity, UTH) waren bereits f¨ur Infrarot Sensoren entwickelt worden, aber nicht f¨ur Mikrowellensensoren.

1.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Das Projekt erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Met Office (UK) und der EUMETSAT NWP SAF, sowie mit dem amerikanischen Betreiber der operationellen Wettersatelliten (NOAA). Wissenschaftlich wurde eng mit Forschergruppen an anderen Universit¨aten zu- sammengearbeitet, vor allem Chalmers University, G¨oteborg, und University of Edinburgh.

Diese Zusammenarbeit is auch an der großen Zahl gemeinsamer Ver¨offentlichungen sicht-

bar (Liste siehe Abschnitt 2). Im Rahmen von COST Aktion 723 wurde mit Forschergrup-

pen in ganz Europa zusammengearbeitet, vor allem zu Wasserdampfmessungen im H¨ohen-

bereich UTLS. ¨ Uber COST 723 erfolgte auch die Zusammenarbeit mit dem Deutschen Wet-

terdienst (DWD), durch die wir Radiosondendaten verwenden konnten.

2 Eingehende Darstellung

2.1 Erzielte Ergebnisse

Die erzielten Ergebnisse werden hier f¨ur die verschiedenen Teilprojekte einzeln aufgef¨uhrt.

Der Schwerpunkt liegt dabei auf den Ergebnissen, die in angesehenen Zeitschriften mit Peer-Review ver¨offentlicht wurden. Die Ergebnisse werden jeweils knapp erl¨autert, und die entsprechenden Artikel angegeben. Um diesen Bericht knapp zu halten, wird der Leser f¨ur Details auf die entsprechenden Artikel verwiesen. S¨amtliche zitierten Ver¨offentlichungen sind frei im Internet verf¨ugbar unter http://www.sat.uni-bremen.de/projects/uth-mos/. (Da der Projektleiter inzwischen einen Lehrstuhl in Schweden hat, ist geplant, die Webseite der Bremer Arbeitsgruppe in naher Zukunft nach Schweden zu verschieben. Die Projektseite f¨ur UTH-MOS wird dann von Schweden aus weiter verf¨ugbar sein. Die Webadresse steht aber zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht fest.)

Insgesamt erbrachte das Projekt 24 Ver¨offentlichungen mit Peer-Review, außerdem noch weiter 24 sonstige Ver¨offentlichungen (Doktorarbeiten, Konferenz-Proceedings, Buchbei- tr¨age, etc.)

2.1.1 Referenz Strahlungstransfer-Modell

Strahlungstransferalgorithmen sind ein Grundelement der Datenauswertung. Sie beschrei- ben, wie sich die Mikrowellenstrahlung vom Ort der Messung durch die Atmosph¨are zum Instrument ausbreitet. Im Rahmen des UTH-MOS Projekt wurde das Public-Domain Strah- lungstransfermodell ARTS (Atmospheric Radiative Transfer Simulator) weiterentwickelt.

Im Moment gibt es zwei verschiedene Versionen von ARTS, eine f¨ur die wolkenfreie At-

mosph¨are (ARTS-1.0) und eine f¨ur die bew¨olkte Atmosph¨are (ARTS-1.1). Das Spektrum

in Abbildung 1.1 wurde mit dem ARTS-1.0 Modell berechnet. Der Schwerpunkt in UTH-

MOS lag auf der Weiterentwicklung der 1.1 Version mit Streuung. Abbildung 2.1 zeigt eine

schematische Darstellung eines der verwendeten Streu-Algorithmen (Discrete Ordinate Ite-

rative Solution Method — DOIT). Das Modell ist in folgenden Ver¨offentlichungen n¨aher

beschrieben:

2 Eingehende Darstellung

Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des DOIT (Discrete Ordinate Iterative Solution Method) Algorithmus. (Quelle der Abbildung: ARTS-1.1 User Guide.)

• Davis, C., C. Emde, and R. Harwood (2005), A 3D polarized reversed monte carlo radiative transfer model for mm and sub-mm passive remote sensing in cloudy atmo- spheres, IEEE T. Geosci. Remote, 43(6), 1096–1101,

• Buehler, S. A., P. Eriksson, T. Kuhn, A. von Engeln, and C. Verdes (2005a), ARTS, the atmospheric radiative transfer simulator, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 91(1), 65–93, doi:10.1016/j.jqsrt.2004.05.051,

• Emde, C., S. A. Buehler, C. Davis, P. Eriksson, T. R. Sreerekha, and C. Teichmann (2004a), A polarized discrete ordinate scattering model for simulations of limb and nadir longwave measurements in 1D/3D spherical atmospheres, J. Geophys. Res., 109(D24), D24207, doi:10.1029/2004JD005140,

• Miao, J., K.-P. Johnsen, S. A. Buehler, and A. Kokhanovsky (2003), The potential of polarization measurements from space at mm and sub-mm wavelengths for determi- ning cirrus cloud parameters, Atmos. Chem. Phys., 3, 39–48,

• Sreerekha, T. R., S. A. Buehler, and C. Emde (2002a), A simple new radiative transfer model for simulating the effect of cirrus clouds in the microwave spectral region, J.

Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 75, 611–624,

• Kuhn, T., A. Bauer, M. Godon, S. A. Buehler, and K. Kuenzi (2002), Water vapor continuum; absorption measurements at 350 GHz and model calculations, J. Quant.

Spectrosc. Radiat. Transfer, 74(5), 545–562, doi:10.1016/S0022-4073(01)00271-0,

2.1 Erzielte Ergebnisse

Abbildung 2.2: Ein Vergleich des schnellen Strahlungstransfermodells RTTOV zu ARTS.

Input f¨ur beide Modelle ist ein Feld des ECMWF Wettervorhersagemodells.

Die Karte links zeigt die Gebiete, wo besonders große Unterschiede auftre- ten. (Quelle: Buehler et al., 2006a)

2.1.2 Modell Validation

Das Modell wurde validiert, indem es mit anderen Strahlungstransfermodellen verglichen wurde. Mehrere der oben zitierten Ver¨offentlichungen enthalten solche Vergleiche. Eine weitere explizite Ver¨offentlichung hierzu ist:

• Melsheimer, C., et al. (2005), Intercomparison of general purpose clear sky atmos- pheric radiative transfer models for the millimeter/submillimeter spectral range, Ra- dio Sci., RS1007, doi:10.1029/2004RS003110

2.1.3 Schneller Strahlungstransfer

Die Auswertung von großen Mengen von Satellitendaten erfordert besonders schnelle Strah-

lungstransferalgorithmen. Diese m¨ussen aber sorgf¨altig mit dem Referenz-Modell vergli-

chen werden, da die verwendeten N¨aherungen zu Fehlern f¨uhren, die das Ergebnis der

Datenauswertung beeinflussen k¨onnen. Abbildung 2.2 zeigt als Beispiel die Unterschie-

de zwischen dem Referenzmodell ARTS und dem schnellen Modell RTTOV. RTTOV ist

das Modell, das von den meisten Wetterdiensten zur operationellen Auswertung der AMSU

Daten verwendet wird. Ver¨offentlichungen zum Thema schneller Strahlungstransfer sind:

2 Eingehende Darstellung

45˚

50˚

55˚

60˚

AMSU−20

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 K 280

45˚

50˚

55˚

60˚

190.31 GHz

130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 K 280

Abbildung 2.3: AMSU Messung (links) und ARTS Simulation (rechts) einer Szene mit in- tensiven Eiswolken.

• Eriksson, P., M. Ekstroem, C. Melsheimer, and S. A. Buehler (2006), Efficient for- ward modelling by matrix representation of sensor responses, Int. J. Remote Sensing, 27(9–10), 1793–1808, doi:10.1080/01431160500447254

2.1.4 Cirrus Impact

Das Strahlungstransfermodell kann dazu verwendet werden, zu untersuchen, wie sich Eis- wolken (Cirren) auf die Messung der Mikrowellensensoren auswirken. Abbildung 2.3 zeigt eine gemessene AMSU-Szene mit intensiven Eiswolken (links) und die von ARTS simu- lierte Szene (rechts). Input f¨ur die Simulation waren Felder eines mesoskaligen Wettervor- hersagemodells (Met Office). Ver¨offentlichungen zum Thema Cirrus Impact sind:

• Teichmann, C., S. A. Buehler, and C. Emde (2006), Understanding the polarizati- on signal of spherical particles for microwave limb radiances, J. Quant. Spectrosc.

Radiat. Transfer, 101(1), 179–190, doi:doi:10.1016/j.jqsrt.2006.03.001

• Emde, C., S. A. Buehler, P. Eriksson, and T. R. Sreerekha (2004b), The effect of cirrus clouds on microwave limb radiances, J. Atmos. Res., 72(1–4), 383–401, doi:

10.1016/j.atmosres.2004.03.023

2.1.5 Feuchte Retrieval

Die Arbeiten in diesem Teilprojekt konzentrierten sich auf die Entwicklung von Methoden zur Ableitung eines Upper Tropospheric Humidity (UTH) Parameters aus AMSU-Daten.

Abbildung 2.4 zeigt ein Beispiel einer so gewonnenen UTH-Feldes (saisonales Mittel Win- ter 1999-2000). Ver¨offentlichungen hierzu sind:

• Houshangpour, A., V. O. John, and S. A. Buehler (2005), Retrieval of upper tropos- pheric water vapor and upper tropospheric humidity from AMSU radiances, Atmos.

Chem. Phys., 5, 2019–2028, sRef-ID:1680-7324/acp/2005-5-2019

2.1 Erzielte Ergebnisse

Abbildung 2.4: Saisongemittelte UTH f¨ur Winter 1999-2000 (DJF) aus Daten des AMSU-B Sensors auf dem NOAA-15 Satelliten. (Methode: Buehler and John, 2005.)

• Jimenez, C., P. Eriksson, V. O. John, and S. A. Buehler (2005), A practical demons- tration on AMSU retrieval precision for upper tropospheric humidity by a non-linear multi-channel regression method, Atmos. Chem. Phys., 5, 451–459

• Buehler, S. A., and V. O. John (2005), A simple method to relate microwave ra- diances to upper tropospheric humidity, J. Geophys. Res., 110, D02110, doi:10.1029/

2004JD005111

• Eriksson, P., C. Jimenez, and S. A. Buehler (2005), Qpack, a general tool for in- strument simulation and retrieval work, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 91(1), 47–64, doi:10.1016/j.jqsrt.2004.05.050

2.1.6 Feuchte Validation

Die Arbeiten in diesem Teilprojekt konzentrierten sich auf die Validation der AMSU-Daten durch Vergleich mit in-situ Messdaten und Modellen. Auch instrumentelle Probleme des AMSU Sensors wurden untersucht. Abbildung 2.5 zeigt als Beispiel einen Vergleich zwi- schen AMSU und Radiosonden der DWD Referenzstation Lindenberg. Ein Ergebnis dieser Arbeiten war, dass die Radiosonden bei sehr trockenen Bedingungen einen Trockenbias von ungef¨ahr 2-4 %RH haben. Ver¨offentlichungen in diesem Teilgebiet sind:

• Buehler, S. A., M. Kuvatov, and V. O. John (2005b), Scan asymmetries in AMSU-B data, Geophys. Res. Lett., 32, L24810, doi:10.1029/2005GL024747

• John, V. O., and S. A. Buehler (2005b), Comparison of microwave satellite humidity

2 Eingehende Darstellung

Abbildung 2.5: Streuplots AMSU-Messung gegen Radiosonden. (Quelle: Buehler et al., 2004.)

−90 −60 −30 0 30 60 90

Latitude 0

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Ice Water Path (kg/m2)

CCMA GFDL CM2.0 GFDL CM2.1 GISS ER GISS EH INMCM3 IPSL MIROC MPI ECHAM5 NCAR CCSM3 UKMO HADCM3

−90 −60 −30 0 30 60 90

Latitude

−20 0 20 40

δ Ice Water Path (%) @ 2xCO2

CCMA GFDL CM2.0 GFDL CM2.1 GISS ER GISS EH INMCM3 IPSL MIROC MPI ECHAM5 NCAR CCSM3 UKMO HADCM3

Abbildung 2.6: Ice Water Path (IWP): Zonale Mittel (links) und ¨ Anderung f¨ur ein doppel- CO 2 Szenario (rechts). (Quelle: John and Soden, 2006.)

• Buehler, S. A., M. Kuvatov, V. O. John, U. Leiterer, and H. Dier (2004), Compari- son of microwave satellite humidity data and radiosonde profiles: A case study, J.

Geophys. Res., 109, D13103, doi:10.1029/2004JD004605

2.1.7 Klima Anwendungen

Ziel dieses Teilprojekts war es, die entwickelten Methoden und die gewonnenen AMSU Daten f¨ur Studien im Themenkreis Klima zu nutzen. Als Beispiel zeigt Abbildung 2.6 ein Ergebnis aus John and Soden, 2006, n¨amlich den Vergleich der zonalen Klimatologie des Eiswasserpfades (Ice Water Path, IWP) von verschiedenen Klimamodellen im IPCC AR4 Archiv. Ver¨offentlichungen in diesem Teilprojekt waren:

• John, V. O., S. A. Buehler, A. von Engeln, P. Eriksson, T. Kuhn, E. Brocard, and

G. Koenig-Langlo (2006b), Understanding the variability of clear-sky outgoing long-

2.1 Erzielte Ergebnisse wave radiation based on ship based temperature and water vapor measurements, Q. J.

R. Meteorol. Soc., in press

• John, V. O., and B. J. Soden (2006), Does convectively-detrained cloud ice enhance water vapor feedback?, Geophys. Res. Lett., 33, L20701, doi:10.1029/2006GL027260

• John, V. O., S. A. Buehler, and N. Courcoux (2006a), A cautionary note on the use of gaussian statistics in satellite based UTH climatologies, IEEE Geosci. R. S. Le., 3(1), 130–134, doi:10.1109/LGRS.2005.859350

• Buehler, S. A., and N. Courcoux (2003), The impact of temperature errors on percei-

ved humidity supersaturation, Geophys. Res. Lett., 30(14), 1759, doi:10.1029/2003GL017691

2.1.8 COST 723

COST Aktion 723 wurde vom Projektleiter gegr¨undet, um das UTH-MOS Projekt besser mit anderen Forschungsarbeiten im H¨ohenbereich obere Troposph¨are / untere Stratosph¨are zu vernetzen.

Zu den Zielen der Aktion hier ein Auszug aus der COST 723 Webseite (http://www.cost723.

org):

The main objective of the Action is to advance the understanding of the state of the global upper troposphere and lower stratosphere, and the role of the dyna- mical, chemical, and radiative processes in this altitude region. COST Action 723 provides value-added quality-controlled datasets of geophysical parame- ters (e.g., ozone and water vapour) which are believed to be important for the study of radiative, dynamical, and photochemical processes in the tropopause altitude region (5 km above and below the tropopause). Hitherto, there has be- en little information on these geophysical parameters in this region. The Action contributes toward making the best use of observations, models and assimilati- on algorithms, and toward the definition of new strategies for future research.

Die Aktion bestand aus drei Arbeitsgruppen (Abbildung 2.7):

WG 1 Data and Measurement Techniques

WG 2 An assimilated Ozone and Humidity Dataset

WG 3 Assessing the State of the UTLS and Understanding the Relevant Processes

Diese drei Arbeitsgebiete sind eng miteinander verkn¨upft, was in der COST Aktion durch

2 Eingehende Darstellung

Abbildung 2.7: Die drei Arbeitsgruppen von COST 723.

2.1.9 Habilitationsschriften, Dissertation, Master- und Diplom-Arbeiten

Da UTH-MOS ein AFO 2000 Nachwuchsforschergruppenprojekt war, war ein ausdr¨uckli- ches Projektziel auch die Weiterqualifikation von Nachwuchs-Forschern. Das Projekt erm¨oglich- te Qualifikationsarbeiten auf verschiedenen Stufen: eine Habilitation, vier Promotionen, ei- ne Diplomarbeit, und vier Masterarbeiten. Die Arbeiten im Einzelnen:

• Buehler, S. A. (2004), Remote sensing of atmospheric composition for climate appli- cations, Habilitationschrift, University of Bremen

• John, V. O. (2005), Analysis of upper tropospheric humidity measurements by micro- wave sounders and radiosondes, Berichte aus dem Institut fuer Umweltphysik, Logos Verlag Berlin, ph. D. Thesis, University of Bremen, ISBN 3-8325-1010-9

• Sreerekha, T. R. (2005), Impact of clouds on microwave remote sensing, Ph.D. thesis, University of Bremen

• Emde, C. (2005), A polarized discrete ordinate scatterig model for radiative transfer simulations in spherical atmospheres with thermal source, Ph.D. thesis, University of Bremen, ISBN 3-8325-0885-4

• Kuhn, T. (2004), Atmospheric absorption models for the millimeter wave range, Ph.D. thesis, University of Bremen

• Teichmann, C. (2005), Polarization effects in microwave radiation due to cirrus clouds, Master’s thesis, University of Bremen

• Mills, P. (2004), Following the vapour trail: A study of chaotic mixing of water vapour

in the upper troposphere, Master’s thesis, Postgraduate Programme Environmental

Physics (PEP), University of Bremen

2.1 Erzielte Ergebnisse

• Brocard, E. (2004), Impact of changing tropospheric humidity on outgoing longwave radiation, Master’s thesis, Postgraduate Programme Environmental Physics (PEP), University of Bremen

• Courcoux, N. (2003), The statistical behaviour of humidity at mid-latitude in the tro- posphere, Master’s thesis, Postgraduate Programme Environmental Physics (PEP), University of Bremen

• Kuvatov, M. (2002), Comparison of simulated radiances from radiosonde data and microwave sounding data for the validation of the forward model for water vapor re- trieval, Master’s thesis, Postgraduate Programme Environmental Physics (PEP), Uni- versity of Bremen

Die Arbeiten von Emde und Teichmann wurden mit Preisen der Universit¨at Bremen f¨ur besonders gelungene Doktor- bzw. Diplomarbeiten ausgezeichnet.

2.1.10 Sonstige Ver ¨ offentlichungen

Das Projekt ergab auch zahlreiche sonstige Ver¨offentlichungen, z.B. Buchbeitr¨age, Arbeits- berichte, und Beitr¨age zu Konferenzen und Konferenz-Proceedings. Hier eine Auswahl von Ver¨offentlichungen dieses Typs:

• Buehler, S. A. (2006), Atmospheric radiative-transfer simulator, in Thermal Microwa- ve Radiation: Applications for Remote Sensing, IET Electromagnetic Waves Series, vol. 52, edited by C. Maetzler, chap. 2.5., pp. 54–56, The Institution of Engineering and Technology, ISBN 0 86341 573 3

• A., B., C. Simmer, S. Crewell, H. Czekala, C. Emde, F. Marzano, M. Mishchenko, J. Pardo, and C. Prigent (2006), Emission and scattering by clouds and precipitati- on, in Thermal Microwave Radiation: Applications for Remote Sensing, IET Elec- tromagnetic Waves Series, vol. 52, edited by C. Maetzler, chap. 3, pp. 101–242, The Institution of Engineering and Technology, ISBN 0 86341 573 3

• Lahoz, W., S. A. Buehler, and D. McKenna (Eds.) (2005), ACP - Special Issue: Data exploitation and modeling for the upper troposphere and lower stratosphere (COST 723), Atmos. Chem. Phys

• John, V. O., S. A. Buhler, M. Kuvatov, B. J. Soden, and T. R. Sreerekha (submitted

2006), Towards a long-term homogenized uth data set from satellite microwave mea-

surements, in Proceedings of SPIE Conference on Microwave Remote Sensing of the

2 Eingehende Darstellung

• Buehler, S. A. (2005), Upper tropospheric humidity and ice from meteorological ope- rational sensors (UTH-MOS), in Results of the German Atmospheric Research Pro- gramme — AFO2000, Markgraf-Verlag

• John, V. O., and S. A. Buehler (2004b), Scaling of microwave radiances to layer averaged relative humidity, in IASTA Bulletin, International conference on: aerosols, clouds, and climate., vol. 16, pp. 293–296, iSSN 0971-4510

• English, S. J., U. O’Keeffe, T. Sreerekha, S. A. Buehler, C. Emde, and A. M. Doherty (2003), A comparison of rttovscatt with arts and amsu observations, using the met of- fice mesoscale model short range forecasts of cloud ice and liquid water, in Thirteenth International TOVS Study Conference (ITSC - XIII), St. Adele, Montreal, Canada

• John, V. O., S. A. Buehler, and M. Kuvatov (2003), Comparison of AMSU-B bright- ness temperature with simulated brightness temperature using global radiosonde data, in Thirteenth International TOVS Study Conference (ITSC - XIII), St. Adele, Montreal, Canada

• Emde, C., S. Buehler, and S. T.R. (2003), Modeling polarized microwave radiation in a 3D spherical cloudy atmosphere, in Electromagnetic and Light Scattering - Theory and applications VII, edited by T. Wriedt, Universit¨at Bremen, ISBN 3-88722-579-1

• Buehler, S. A. (2003), Upper tropospheric humidity and ice from meteorological ope- rational sensors (UTH-MOS), AFO 2000 Newsletter, 4

• Sreerekha, T. R., C. Emde, and S. A. Buehler (2002b), Using a new radiative trans- fer model to estimate the effect of cirrus clouds on AMSU-B radiances, in Twelfth International TOVS Study Conference (ITSC - XII), Lorne, Australia

• John, V. O., M. Kuvatov, and S. A. Buehler (2002), ARTS - a new radiative transfer model for AMSU, in Twelfth International TOVS Study Conference (ITSC - XII), Lorne, Australia

• Miao, J., S. Buehler, and K. Kunzi (2001), The polarization characteristics of ran- domly oriented nonspherical ice particles in mm and sub-mm frequency range: Im- plications to the remote sensing of cirrus clouds using satellite microwave radiometry, in IGARSS2001, Sydney, Australia

2.2 Voraussichtlicher Nutzen

Im UTH-MOS Projekt wurden Strahlungstransferalgorithmen mit Streuung und Methoden zur Bestimmung der atmosph¨arischen Feuchte aus Satellitendaten entwickelt. Beides ist von allgemeiner G¨ultigkeit, und wird inzwischen f¨ur weiterf¨uhrende Studien eingesetzt.

Wie im Projektantrag und im Verwertungsplan beschrieben, handelt es sich um Grund-

lagenforschung, die sich nicht direkt zur Patentierung und wirtschaftlichen Vermarktung

2.3 Zwischenzeitlicher Fortschritt bei anderen Stellen eignet. Diese Forschung ist n¨utzlich f¨ur die Scientific Community der Erdbeobachtung, ins- besondere auch in Hinblick auf geplante Instrumente der Europ¨aischen Raumfahrtagentur.

Die Ver¨offentlichungen, Konferenzen und Workshops, die durchgef¨uhrt wurden, haben zu einer betr¨achtlichen Sichtbarkeit unserer Gruppe und auch Programms AFO 2000 in der Community gef¨uhrt.

2.3 Zwischenzeitlicher Fortschritt bei anderen Stellen

Metop, der erste polar umlaufende europ¨aische Wettersatellit, wurde am 19. Oktober 2006 erfolgreich gestartet. An Bord ist das MHS Mikrowellen-Radiometer, ein Ger¨at das zu dem im UTH-MOS Projekt verwendeten AMSU-B praktisch identisch ist. Es ist geplant, die in UTH-MOS entwickelten Algorithmen auch auf diese Ger¨at anzuwenden.

Zwischenzeitlich wurde vom Projektleiter eine ESA Mission mit einem Radiometer bei noch h¨oheren Frequenzen als AMSU-B vorgeschlagen. Der Name des Instruments ist CIW- SIR (Cloud Ice Water Submillimeter Imaging Radiometer). ESA finanziert zur Zeit wissen- schaftliche und technische Vorstudien zu dieser Mission, an denen wir beteiligt sind.

2.4 Ver ¨ offentlichungen

Dieser Bericht, sowie alle anderen im Bericht zitierten Ver¨offentlichungen sind frei im Inter- net verf¨ugbar unter http://www.sat.uni-bremen.de/projects/uth-mos/. Die Adresse der Seite wird sich durch den Umzug der Gruppe in der Zukunft ¨andern, durch eine Google-Suche nach ‘UTH-MOS’ wird sie aber weiterhin leicht zu finden sein. F¨ur R¨uckfragen per Email steht der Autor gerne zur Verf¨ugung, unter der Adresse: sbuehler@irv.se.

Ein Exemplar des Berichts wurde der Technischen Informationsbibliothek — Deutsche For-

schungsberichte (TIB) zugeleitet.