• Wie sehen RO-Daten nun eigentlich aus?

Wie kann man sich RO-Daten nun eigentlich vorstellen? Die ursprüngliche Messgröße ist die Phasenverschiebung des Radiosignals durch die Atmosphäre. Es wird ein vertikales Profil gemessen. Aber was verstehen wir Physiker unter einem vertikalen Profil?

Unter einem vertikalen Profil verstehen wir den Verlauf einer Zustandsvariable der Atmosphäre mit der Höhe, gemessen an einem fixen Standort. Das untere Bild zeigt ein vertikales Temperaturprofil für drei verschiedene Orte (das entspricht also drei RO-Messungen). Es wurde aus der Phasenverschiebung über die Prozessierungskette die im vorigen Artikel beschrieben wurde, die Temperatur mit der Höhe berechnet. Dieses Beispiel zeigt den Temperaturverlauf in den Tropen, den mittleren Breiten, sowie über dem Pol. Man sieht eindeutig das die Temperatur mit der Höhe abnimmt, in der Stratosphäre wieder zunimmt, und in der Mesosphäre wieder abnimmt. Weiters erkennt man das der Übergang von der Troposphäre zur Stratosphäre vom Ort, genaugenommen vom Breitengrad abhängt. Über den Tropen liegt die Tropopause höher als über den Polen. Dazu aber mehr etwas weiter unten.

 

Wegener Center 2018, Arbeitsgruppe ARSCliSys

 

Wenn wir uns nun nicht einzelne Profile anschauen wollen, sondern den gesamten Temperaturverlauf unserer Atmosphäre mit der Höhe, dann nehmen wir alle Messdaten die innerhalb eines gewissen Zeitraumes gemessen wurden und mitteln sie üblicherweise innerhalb eines bestimmten räumlichen Gitters. Der untere Fall zeigt den Temperaturverlauf mit der Höhe für den Monat Juni 2017. Die Daten wurden innerhalb 5° Breitengrad x 360° Längengrad pro Monat gemittelt. Das bedeutet für jedes 5° x 360° Gitter gibt es nach dem Mitteln nur mehr einen repräsentativen Temperaturwert pro Höhe. Zusammen ergibt das 36 mittlere Temperaturwerte pro Höhenwert. Dieses Mittel nennen wir in der Fachsprache eine Klimatologie, genaugenommen handelt es sich um eine Monats-Klimatologie. Wir sehen wieder den bekannten Temperaturverlauf. Über den Tropen ist es wärmer als an den Polen. Die warme und feuchte Luft reicht in den Tropen höher hinauf als weiter nördlich und südlich davon. Die Troposphäre, Stratosphäre und Mesosphäre sind schön zu erkennen. Würden wir uns nun Monats-Klimatologien für ein ganzes Jahr anschauen, würden wir eine saisonale Abhängigkeit der Temperatur erkennen (Jahreszeiten).

 

Wegener Center 2018, Arbeitsgruppe ARSCliSys

 

Im nächsten Bild wird der Unterschied zwischen der physikalischen und der trockenen Temperatur für den Monat Jänner 2005 mit der Höhe gezeigt (bis 14 km). Zur Berechnung der trockenen Temperatur wird die Feuchtigkeit als Faktor in der Rechnung komplett ausgeklammert. Dies ist möglich, da ab größeren Höhen die Feuchtigkeit vernachlässigbar ist. Schaut man sich nun die Differenz der beiden Größen an, ist es auch ein Maß für den Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre. Der Grund liegt darin dass die physikalische Temperatur und die trockene Temperatur gleich sind in großen Höhen wo die Feuchtigkeit keine Rolle mehr spielt, während die Unterschiede immer größer werden je näher man sich dem Boden nähert, wo wir den höchsten Anteil an feuchter Luft haben.

Auch im unteren Bild zeigt sich wieder das der größte Feuchtigkeitsgehalt in der Atmosphäre über den Tropen liegt. Weiters reicht hier die feuchte Luft in größere Höhen, da die Fähigkeit der Atmosphäre feuchte Luft aufzunehmen mit größeren Temperaturen zunimmt (Clausius-Clapeyron Gleichung).

Achtung! Es ist natürlich etwas verwirrend feuchte Luft über die Temperatur darzustellen. Eigentlich muss man nur verstehen das der Unterschied zwischen physikalischer Temperatur und trockener Temperatur größer ist je mehr Feuchtigkeit in der Luft liegt. Im Artikel Atmospheric Rivers werden wir dann echte Feuchtemaße zeigen.

 

DryTemperaturediffWegener Center 2018, Arbeitsgruppe ARSCliSys

 

Als nächstes zeigen wir Werte für die Tropopause für den Monat Jänner 2008 als Funktion des Breitengrades (Latitude). Jeder Tropopausenwert wurde aus einem RO-Temperaturprofil berechnet. Dazu bestimmt man die sogenannte Lapse-Rate. Das bedeutet die Abnahme der Temperatur mit der Höhe. Wenn die Temperaturabnahme mit der Höhe geringer als 2°C pro Kilometer wird, dann hat man den Wert der Tropopause gefunden (etwas vereinfacht erklärt). Interessant ist das untere Bild aber vor allem weil man nun schön die Tropopausenhöhe abhängig von der geographischen Breite sieht. In den Tropen ist die Temperatur in der Atmosphäre höher und die Tropopause liegt somit höher als an den Polen, wo die Temperaturen niedriger sind, und damit die Feuchtigkeit in der Atmosphäre geringer ist. 

 

Wegener Center 2018, Arbeitsgruppe ARSCliSys, Rieckh et al. (2014)

 

Zum Schluss möchten wir ein noch etwas kompliziertes, aber auch sehr interessantes Bild herzeigen. Grundsätzlich wird wieder der Verlauf der Temperatur mit der Höhe gezeigt, diesmal aber als Zeitreihe von 2002 - 2017, und ausschließlich über den Tropen. Die Temperatur wird als Differenz zur mittleren Temperatur gezeigt. Das bedeutet man nimmt zum Beispiel die Temperatur des Jänners 2002 und zieht davon die mittlere Temperatur aller Jänner von 2002-2017 ab.

$$T_{\text{Jan}} - \overline{T}_{\text{Jan, Mittel}}$$

Die Abweichung eines einzelnen Monats zum langjährigen Mittel jedes Monats nennt man Anomalie. Und nun kommt das Interessante. Ganz eindeutig zeigt sich dabei ein erkennbares Temperaturmuster in der Atmosphäre, sowohl in der Troposphäre, als auch ein weiteres eindeutiges Muster in der Stratosphäre. Die graue Linie zeigt die Trennung der beiden durch die Tropopause. Aber was verursacht dieses Temperaturmuster?

Zwei unterschiedliche Einflüsse verursachen dieses Muster. In der Troposphäre bewirkt das sogenannte ENSO-Phänomen (kurz für El Niño-La Niña) die Temperaturänderungen. Dabei verändern sich die Meeresströmungen im äquatorialen Pazifik, was wiederum zu einer Änderung der Meeresoberflächentemperatur führt. Das Phänomen tritt ca. alle vier Jahre auf und hat natürlich auch eine Auswirkung auf die Temperatur unserer unteren Atmosphäre (Troposphäre). In der Stratosphäre hingegen bewirkt die sogenannte QBO (quasi-biennale Oszillation, d.h., quasi-zweijährige Schwingung) eine Temperaturveränderung. Dabei kommt es in der Stratosphäre zu einer Ost-West Windumkehr des zonalen Windes. Beides sind natürliche Phänomene die zu einer natürlichen Schwankung des Klimas führen (und dieses wunderschöne Temperaturmuster in der Atmosphäre ergeben).

 

Wegener Center 2018, Arbeitsgruppe ARSCliSys, Wilhelmsen et al. (2018)

 

Rieckh et al., Characteristics of tropopause parameters as observed with GPS radio occultation, Atmos. Meas. Tech., 7, 3947–3958, 2014.

Wilhelmsen et al., Atmospheric QBO and ENSO indices with high vertical resolution from GNSS radio occultation temperature measurements, Atmos. Meas. Tech., 11, 1333–1346, 2018.

 

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