Untersuchung von Wasserdampfstrukturen in ERA-Interim - und MERIS - Daten
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Fachbereich Geowissenschaften
Institut für Weltraumwissenschaften
Bachelorarbeit im Fach Meteorologie
Untersuchung von Wasserdampfstrukturen in
ERA-Interim – und MERIS – Daten
von Nicole Docter
Betreuer:
Hannes Diedrich
Gutachter:
Prof. Dr. Jürgen Fischer
Dr. Rasmus Lindstrot
10. April 2013Zusammenfassung
Die Fernerkundung von atmosphärischen Gasen wie Wasserdampf, welches hoch varia-
bel in der Atmosphäre auftritt und als wichtigstes Treibhausgas gilt, hat aufgrund der
hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung der Daten eine besondere Bedeutung für
die Analyse der Atmosphäre. Im Rahmen des GlobVapor – Projekts wurde aus Mess-
daten vom Satellitenmessinstrument MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer)
der Wasserdampfgehalt über Landflächen bestimmt, welcher in dieser Arbeit mit dem
der ERA-Interim – Reanalysedaten verglichen wird. Dazu wurden die zonalen monat-
lichen Mittel mit Standardabweichung des Säulenwasserdampfgehalts berechnet und
anschließend eine Einteilung in neun Zonen vorgenommen um Wasserdampfstrukturen
zu untersuchen. Die Strukturen innerhalb dieser Zonen von ERA-Interim und MERIS
stimmen hinsichtlich der untersuchten Charakteristika, wie dem im Mittel auftretenden
Wasserdampfgehalt mit zugehöriger Standardabweichung und der Variabilität des Wasser-
dampfs, miteinander überein. Um Gründe für Unterschiede in den einzelnen Werten zu
finden, wurde zusätzlich die Abweichung der zonalen monatlichen Mittel von MERIS zu
ERA-Interim untersucht. Dabei war allgemein festzustellen, dass der Säulenwasserdampf-
gehalt von beiden Datensätzen innerhalb der Standardabweichung gleich ist und so auch
die hohe Ähnlichkeit der Wasserdampfstrukturen zu erklären ist. In beiden Datensätzen
sind dabei die Tropen mit den höchsten im Mittel auftretenden Werten gekennzeichnet,
welche zu den Polarregionen hin abnehmen. In den dazwischen gelegenen Zonen kann
eine teils sehr deutliche Änderung des Säulenwasserdampfgehalts innerhalb eines Jahres
verzeichnet werden, wobei der Einfluss des Ozeans für Unterschiede in der Nord– und
Südhemisphäre verantwortlich ist.
Abstract
Remote sensing of atmospheric gases like water vapour, which occurs highly variable
in the atmosphere and is considered to be the most important greenhouse gas, is of
importance for atmospheric analysis because of its high resolution data in space and time.
Total column water vapour above land surfaces has been retrieved from measurement
data of satellite instrument MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) within the
GlobVapor – project and in this thesis, it is compared to the one of ERA-Interim reanalysis.
Therefore, zonal monthly means and standard deviations of total column water vapour
have been calculated and, subsequently a classification in nine zones was created in order
to analyse water vapour patterns. Patterns match concerning analysed characteristics, like
in average occurring water vapour with linked standard deviation and the variability
of water vapour, in between these zones of ERA-Interim and MERIS. In addition, the
deviation of zonal monthly means of MERIS and ERA-Interim has been analysed to
find reasons for differences in individual values. In the course of this, it was generally
ascertained that total column water vapour of both datasets are equal within standard
deviation, which also explains the close resemblance of water vapour patterns.The tropics
were characterized by the highest in average occurring values, which were decreasing
heading toward the Polar Regions in both datasets. A partly significant change in total
column water vapour was captured for zones in between within a year, whereby the
influence of the ocean is responsible for differences between the northern and southern
hemispheric zones.
-I-Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 5
2.1 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Methodik 11
4 Ergebnisse 15
4.1 Zonale Monatliche Mittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 Abweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Zusammenfassung und Diskussion 29
Literatur 33
Abbildungsverzeichnis 34
Tabellenverzeichnis 34
- II -Dies hier ist ein Blindtext zum Testen von Textausgaben. Wer diesen Text liest, ist selbst schuld. Der Text gibt lediglich den Grauwert der Schrift an. Ist das wirklich so? Ist es gleichgültig, ob ich schreibe: „Dies ist ein Blindtext“ oder „Huardest gefburn“? Kjift – mitnichten! Ein Blindtext bietet mir wichtige Informationen. An ihm messe ich die Lesbarkeit einer Schrift, ihre Anmutung, wie harmonisch die Figuren zueinander stehen und prüfe, wie breit oder schmal sie läuft. Ein Blindtext sollte möglichst viele verschiedene Buchstaben enthalten und in der Originalsprache gesetzt sein. Er muss keinen Sinn ergeben, sollte aber lesbar sein. Fremdsprachige Texte wie „Lorem ipsum“ dienen nicht dem eigentlichen Zweck, da sie eine falsche Anmutung vermitteln.
1
1 Einleitung
Wasserdampf hat aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, sowohl in der Atmosphä-
re als auch im globalen Klimasystem, eine bedeutende Rolle. Er ist in Raum und Zeit
stark inhomogen in der Atmosphäre verteilt, wobei er einen Anteil von bis zu 4% an der
Luft haben kann. [Kraus, 2004]
Von besonderer Bedeutung ist vor allem die physikalische Eigenschaft, dass bei der Än-
derung des Aggregatzustands, des in der Atmosphäre vorkommenden Stoffes Wasser,
ständig Energie in Form von Wärme, die man auch als latente Wärme bezeichnet, benötigt
oder abgegeben wird. So wird beispielsweise bei der Verdunstung, auch als Evaporation
kJ
bezeichnet, eine Wärmeenergie von 2.500 kg benötigt [Kraus, 2004]. Genau diese Energie
wird bei der Kondensation wieder abgegeben, weshalb man diese Wärmeenergie auch als
Verdunstungs- oder Kondensationswärme bezeichnet. Da Wasser in allen drei Aggregatzu-
ständen in der Erdatmosphäre auftreten kann, finden ständig Phasenumwandlungen bzw.
Energieumsätze statt, wodurch wiederum der Wasserdampftransport mit einem ständigen
horizontalen und vertikalen Energietransport verbunden ist. Somit ist Wasserdampf ein
wichtiger Faktor bei der Bildung von Wolken und Niederschlag und hat Einfluss auf die
Bildung von Zyklonen und auf die globale Zirkulation.
Eine weitere wichtige Eigenschaft des Wasserdampfs ist seine Wechselwirkung mit elektro-
magnetischer Strahlung in allen Wellenlängenbereichen vom Sichtbaren bis zum Mikrowel-
lenbereich. In Abbildung 1 auf der nächsten Seite ist im oberen Teil die emittierte Strahlung
von Schwarzkörpern mit Strahlungstemperaturen von 6.000K und 255K dargestellt, was
W
der solaren Einstrahlung in m2 µm
(gelbe Kurve) und der terrestrischen Ausstrahlung in
W
m2 srµm
(rote Kurve) entspricht, wenn keine Absorption durch atmosphärische Bestandteile
stattfinden würde. Im unteren Teil der Abbildung ist zudem das Absorptionsvermögen
des Wasserdampfs in Prozent dargestellt, wobei die schwarzen Bereiche die Wasserdampf-
absorption kennzeichnen.
Sowohl in Bereichen der solaren Einstrahlung, z.B. um 0, 8µm, 0, 9µm, 1, 1µm, 1, 4µm,
1, 8µm und zwischen 2, 1µm und 3, 2µm, aber auch im Bereich der thermischen Strah-
lung um 6, 3µm und ab 13µm absorbiert Wasserdampf [Wissenschaft Online, nd]. Da
nach Kirchhoff Gase, wie der Wasserdampf, die absorbierte Strahlung einer bestimmten
Wellenlänge auch wieder emittieren können, wird ein gewisser Teil der Strahlung in
Richtung Erdoberfläche re-emittiert, was ein zusätzliches Aufheizen bewirkt. Der Anteil
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin2 1 EINLEITUNG
Abbildung 1: Strahlungsabsorption des Wasserdampfs als Funktion der Wellenlänge;
oben: Emittierte Strahlung eines Schwarzen Körpers mit einer Strahlungstemperatur
von 6.000K (gelb) und 255K (rot) in Abhängigkeit von der Wellenlänge; unten:
Absorption des Wasserdampfs in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Quelle: [Australian Government - Bureau of Meteorology, nd]
des Wasserdampfs zum Treibhauseffekt beträgt 60% bei klarem Himmel, wodurch er als
wichtigstes Treibhausgas gilt [Kiehl und Trenberth, 1997].
Um ein zusätzliches Aufheizen oder auch Abkühlen der Atmosphäre zu verhindern, muss
der globale Strahlungsfluss von einfallender und austretender Strahlung im Gleichgewicht
sein. Im Gegensatz dazu wurde jedoch zuletzt eine positive globale Strahlungsbilanz
W
von 0,9 m2
für den Zeitraum von März 2000 bis Mai 2004 auf Grundlage von CERES1 –
Messungen festgestellt [Trenberth et al., 2009], was eine globale Erwärmung zur Folge
hat, da mehr kurzwellige Strahlung eintritt, als das langwellige Strahlung wieder in den
Weltraum ausstrahlt. Dadurch kann es wiederum zu Veränderungen im Klimasystem
kommen, welche ihrerseits die Temperatur beeinflussen können und daher auch als
Rückkopplungseffekte bezeichnet werden.
Einer dieser Effekte ist die Wasserdampfrückkopplung. Es wird dabei nach der Clausius–
Clapeyron – Gleichung (siehe Kapitel 2.1 auf Seite 5) davon ausgegangen, dass das
Wasserdampffassungsvermögen der Atmosphäre mit der Temperatur steigt. Dadurch
kann in der Theorie wiederum mehr Wasserdampf aufgenommen werden, der einen
1 CERES, Kurzform für Clouds and Earth’s Radiant Energy System, ist ein Satelliteninstrument, das u.a. zur
Messung der Strahlungsflüsse eingesetzt wird. In der genannten Studie werden Daten des Instruments
an Board des polarumlaufenden sonnensynchronen Terra-Satelliten der NASA (National Aeronautics and
Space Administration) genutzt.
Nicole Docter, FU-Berlin April 20133
größeren Teil der austretenden langwelligen Strahlung in den entsprechenden Bereichen
absorbieren kann. Dies hat zur Folge, dass der Treibhauseffekt verstärkt wird und es somit
zu einer zusätzlichen Erwärmung kommt, weswegen dieser Rückkopplungsprozess auch
als positive Wasserdampfrückkopplung bezeichnet wird. [IPCC TAR WG1 et al., 2001]2
Ein weiterer vom Wasserdampf beeinflusster Effekt ist die Rückkopplung durch Wolken,
da er, wie schon erwähnt, die Wolkenbildung begünstigt. Wolkenrückkopplungen sind
dabei abhängig von der Wolkenhöhe, -dicke und der Wechselwirkung der Wolkenbestand-
teile mit der Strahlung. Da Wolken beispielsweise die solare Strahlung reflektieren können,
kann so eine Abkühlung begünstigt werden, was wiederum als negative Rückkopplung
bezeichnet wird. [IPCC TAR WG1 et al., 2001]
Um diese, mit dem Wasserdampf in Zusammenhang stehenden, komplexen Vorgänge
besser verstehen zu können, ist eine möglichst genaue Beobachtung von Notwendigkeit.
Daher werden Satelliten zur Messung bzw. Bestimmung genutzt, um zeitlich und räum-
lich hochauflösende Daten zur globalen Analyse des Wasserdampfs zu erhalten, die in
Numerische Wettervorhersage- und Klimamodelle einfließen.
Die Beobachtung des Wasserdampfs über Ozeanen durch Satelliten wird schon seit den
1980er Jahren mithilfe von Mikrowellenradiometern wie dem SSM/I 3 [Schluessel und
Emery, 1990] durchgeführt. Die Bestimmung des Wasserdampfs über Landflächen im
Mikrowellenbereich ist hingegen nicht geeignet, da die Emissivität der Oberfläche varia-
bel ist [Lindstrot et al., 2012]. Daher nutzt man über Land Sensoren, die im sichtbaren
und nahen Infrarot – Bereich operieren. Ein Beispiel für ein solches Instrument ist das
Medium Resolution Imaging Spectrometer, kurz MERIS, mithilfe dessen Messungen der
Säulenwasserdampfgehalt über Land bestimmt wurde. Für die auf diese Weise ermittelten
Werte des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre wurde bereits eine ausführliche Valida-
tion gegenüber anderen Messverfahren durchgeführt, wobei über Landflächen GUAN
Radiosondendaten, AERONET Sonnenphotometer – Messungen, ARM Mikrowellenradio-
meter – Messungen und bodengestützte GPS Wasserdampfbeobachtungsdaten zu nennen
sind [Lindstrot et al., 2012]. Eine globale Analyse und ein Vergleich mit Modelldaten, wie
z.B. denen von ERA-Interim wurde jedoch noch nicht realisiert.
Zudem werden je nach Anwenderschwerpunkt sowohl die MERIS – als auch die ERA-
Interim – Wasserdampfdaten als Referenz genutzt, weswegen in dieser Arbeit ein qualitati-
2 IntergovernmentalPanel on Climate Change Third Assessment Report
3 Special
Sensor Microwave/Imager; erstmals an Board des DMSP (Defense Meteorological Satellite Program)
F–8 Satelliten, der im 1987 in die Erdumlaufbahn gebracht wurde [Schluessel und Emery, 1990]
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin4 1 EINLEITUNG ver Vergleich der Strukturen und ein quantitativer Vergleich der zonalen Monatsmittel mit Standardabweichung und Differenzen für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 auf Grundlage von MERIS – und ERA-Interim – Säulenwasserdampfgehalt – Daten vorgenommen wird. Dabei erfolgt auf Grundlage der zonalen monatlichen Mittel die zonale Einteilung bzw. Identifikation von Strukturen des Wasserdampfs in Bereiche von hohem bis hin zu niedrigem und für den Zeitraum stark bis gering variierenden Wasserdampfgehalt in Kapitel 4.1. Der Vergleich der Daten von MERIS und ERA-Interim erfolgt dann durch die Betrachtung der Abweichung der zonalen monatlichen Mittel voneinander in Abschnitt 4.3, wobei die Standardabweichung (siehe Kapitel 4.2) berücksichtigt wird. Nicole Docter, FU-Berlin April 2013
5
2 Grundlagen
Im folgenden Abschnitt wird sowohl auf die theoretischen Grundlagen, welche die Größe
des Säulenwasserdampfgehalts und die horizontale und vertikale Verteilung des Wasser-
dampfs in der Atmosphäre beinhalten, als auch auf die Datengrundlage eingegangen.
2.1 Theoretische Grundlagen
Die in dieser Arbeit verwendeten Daten liegen in der Größe des Säulenwasserdampfgehalts
(engl. Total Column Water Vapour) vor und werden im Weiteren in der Kurzform als TCWV
bezeichnet. Der TCWV ist dabei der gesamte Wasserdampf in einer gedachten Säule über
einer bestimmten Fläche an der Erdoberfläche und besitzt die Einheit Kilogramm pro
Quadratmeter. Er kann über die absolute Feuchte d, d.h. den Wasserdampfgehalt in einem
Luftvolumen, hergeleitet werden, indem man ihn vertikal integriert (siehe Gl. 1).
ZH
TCWV = d dh (1)
0
Eine alternative Bezeichnung ist precipitable water, was die Höhe über einer festen Fläche
beschreibt, die eine Wassersäule hätte, wenn der gesamte Wasserdampf über der Fläche
kondensieren und als Regen fallen würde [Seidel, 2002]. Die zugehörige Einheit ist hier
Millimeter, welche vom zugehörigen Zahlenwert allerdings genau dem TCWV, aufgrund
kg
der zugehörigen Umrechnung unter Berücksichtigung der Dichte des Wassers von 1.000 m3
und der Einheiten, entspricht.
Zur Untersuchung der Strukturen des Wasserdampfs in der Atmosphäre ist ferner die
Wasserdampfverteilung von Bedeutung, da Wasserdampf, wie bereits erwähnt, hoch
variabel in Ort und Zeit in der Atmosphäre auftritt. Dabei unterliegt die Verteilung
verschiedenen Abhängigkeiten. Die Bedeutendste ist die Temperaturabhängigkeit, die
mithilfe der Clausius–Clapeyron – Gleichung (siehe Gl. 2, [Kraus, 2004]) beschrieben
werden kann.
∗
dew l g, f
= (2)
dT T (νg − ν f )
∗ als eindeutige Funktion der
Hierbei wird der Sättigungsdampfdruck über Wasser ew
Temperatur T beschrieben, wobei l g, f die spezifische latente Wärme (hier: Verdunstungs-
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin6 2 GRUNDLAGEN
bzw. Kondensationswärme), νg das spezifische Volumen des Wasserdampfs und ν f das
Spezifische Volumen des Flüssigwassers sind. Somit kann eine wärmere Atmosphäre
mehr Wasserdampf aufnehmen als eine kühlere, bevor sie mit Wasserdampf gesättigt ist.
Als grobe Näherung für einen Temperaturbereich zwischen −20◦ und 30◦ C gilt dabei,
dass sich der Sättigungsdampfdruck bei einer Temperaturerhöhung um 10◦ C verdoppelt
und bei einer Erniedrigung der Temperatur um 10◦ C halbiert. [Kraus, 2004]
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Wasserdampfverteilung ist das Vorhandensein
von Wasser. So ist aufgrund der größeren Wasserverfügbarkeit bei gleicher Temperatur
die Verdunstungsrate über dem Ozean höher als über Landflächen. Betrachtet man
den hydrologischen Zyklus ohne Berücksichtigung des atmosphärischen Transports,
des Abflusses sowie des Niederschlages, ergibt die Summe der Verdunstung über den
Ozeanen 505.000km3 und über Landoberflächen nur 72.000km3 [Kraus, 2004]. Zuletzt
sind auch Austauschprozesse innerhalb der Atmosphäre durch großräumige Strömungen,
Konvektion und Turbulenzen, nicht zu vernachlässigen.
Aufgrund dieser Abhängigkeiten lässt sich so auf die horizontale und vertikale Verteilung
des Wasserdampfs in der Atmosphäre schließen.
Wie auch in Abbildung 2 auf der nächsten Seite zu erkennen ist, findet man den höchsten
Säulenwasserdampfgehalt aufgrund der ganzjährig hohen Temperaturen im Bereich des
Äquators mit Abnahme der Werte zu den Polen hin. Ferner sind größere Bereiche des
kg
westlichen äquatorialen Pazifiks durch TCWV – Werte von bis zu 56, 5 m2 für den Zeitraum
von Januar 2003 bis Dezember 2008 geprägt, was mit ganzjährig hohen Temperaturen und
der Wasserverfügbarkeit zu erklären ist.
Wüstengebiete sind hingegen trotz der hohen Temperaturen sehr trocken, was vorallem
an der globalen atmosphärischen Zirkulation liegt. Über dem Äquator steigen warme
Luftmassen mit einem sehr hohen Wasserdampfanteil auf, kühlen in der Höhe ab, wo-
durch sich Wolken bilden, die anschließend ausregnen. In der Höhe strömen zudem die
Luftmassen nach Norden und Süden, akkumulieren über den Wendekreisen und sinken
nach unten ab, wobei sie sich wieder Erwärmen, was zur Folge hat, dass die relative
Luftfeuchte der Luftmasse sinkt.
In Bereichen von Gebirgen, wie dem Himalaya oder den Anden, sind im Gegensatz zu
den umliegenden Regionen äußerst geringe Säulenwasserdampfgehälter zu finden, was
mit der vertikalen Temperaturabnahme in der Troposphäre zusammenhängt und somit
nach Clausius–Clapeyron auch den Wasserdampfgehalt in Anbetracht der Orographie
Nicole Docter, FU-Berlin April 20132.2 Datengrundlage 7
0 45 90 135
60
60
60
50
30
30
40
TCWV [kg/m^2]
30
0
0
−30
−30
20
−60
−60
10
0
0 45 90 135
kg
Abbildung 2: Mittlerer ERA-Interim TCWV in m2
für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember
2008
beeinflusst. Bereits in den unteren 1, 5km der Atmosphäre befinden sich fast 50% des
gesamten Wasserdampfs. Weniger als 5% sind schließlich noch in der oberen Troposphä-
re, also über 5km, wieder zu finden und in etwa 1% des Wasserdampfs befindet sich
schließlich in der Stratosphäre. [Seidel, 2002]
2.2 Datengrundlage
Die in NetCDF – Dateien vorliegenden vorprozessierten ERA-Interim – und MERIS – Da-
ten zur Untersuchung der Wasserdampfstrukturen sind TCWV-Messwerte in Kilogramm
pro Quadratmeter vom Januar 2003 bis Dezember 2008. Sie liegen in gleichen räumlichen
und zeitlichen Abständen vor, wobei die räumliche Auflösung 1◦ x1◦ ist und die Werte
für 10:00 Uhr mittlerer lokaler Sonnenzeit eines jeden Tages im Monat vorhanden sind.
Die hier vorgegebene Uhrzeit ist dabei mit der Zeit des Äquatorüberfluges4 bzw. dem
Zeitpunkt der MERIS – Messungen zu begründen.
4 [ESA Eartnet Online, 2013]
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin8 2 GRUNDLAGEN ERA-Interim ist ein Reanalyseprodukt des ECMWF5 von 1979 an bis zur Gegenwart. Dafür werden Observationsdaten von Synoptischen Messstationen, Bojen, Schiffs- und Flugzeug- meldungen, Radiosonden und Satellitendaten 12 stündlich, 4 dimensional variationell assimiliert. [Dee et al., 2011] Die mit Hilfe von MERIS ermittelten Säulenwasserdampfgehalt – Werte wurden im Rah- men des GlobVapor – Projekts bestimmt. GlobVapor wurde durch das ESA6 Data User Element – Programm finanziert und sollte validierte, mehrjährige, globale Wasserdampf- datensätze erstellen. Das Projekt lief von Dezember 2009 bis Januar 2012, wobei für die Bestimmung des Wasserdampfsäulengehalts das Institut für Weltraumwissenschaften der Freien Universität Berlin verantwortlich war. [GlobVapor Newsletter 1, 2010, GlobVapor Newsletter 4, 2012] MERIS selbst ist ein Instrument an Bord von ENVISAT. Dieser Satellit befindet sich in einem sonnensynchronen – polarumlaufenden Orbit in ca. 800 km Höhe und einer Inkli- nation von 98, 5◦ [ESA, 2012]. Nach drei Tagen ist dabei eine komplette Datenabdeckung der gesamten Erde erreicht und nach 35 Tagen befindet er sich wieder auf demselben Orbit wie zu Beginn [ESA, 2012]. Die Mission startete im März 2002 und wurde im April 2012 für beendet erklärt, da der Kontakt zu dem Satelliten abgebrochen ist. MERIS war vor allem für die Beobachtung des Ozeans und der Küste verantwortlich, sodass u.a. aus der Ozeanfarbe auf den Chlorophyllgehalt geschlossen werden konnte. Des Weiteren wurden Landoberflächen zur Betrachtung der Vegetation beobachtet, aber auch die Atmosphäre war Teil der Mission, wobei hier wiederum der Wasserdampf zu erwähnen ist. MERIS deckt ein Sichtfeld von 68, 5◦ um Nadir ab und hat eine Schwadbreite von 1.150km. Das Instrument operiert im Bereich der reflektierten solaren Strahlung und hat 15 Kanäle die vom sichtbaren Bereich bis in den nahen Infrarotbereich (390nm – 1.040nm) reichen. [ESA, 2012] Für die Bestimmung des Säulenwasserdampfgehalts gibt es zwei wichtige Faktoren, die das Vorgehen limitieren. Zum einen können nur Strahldichten vom Tag genutzt werden, da man die reflektierte solare Strahlung betrachtet. Zum anderen muss Wolkenfreiheit gegeben sein, da sonst die Strahlung in einer zu hohen Schicht reflektiert wird und somit verfälschte Ergebnisse liefert. Von Bedeutung für das Retrieval des Säulenwasser- dampfgehalts sind insbesondere die letzten beiden MERIS – Kanäle (siehe Abb. 3 auf der 5 European Center for Medium-Range Weather Forecast 6 European Space Agency Nicole Docter, FU-Berlin April 2013
2.2 Datengrundlage 9
nächsten Seite). In Kanal 14 bei 885nm ist die Transmission annähernd 1, wodurch er als
1.0
Transmission 0.8
0.6
0.4
0.2
CH 14 CH 15
0.0
880 900 920 940
Wavelength [nm]
Abbildung 3: MERIS Kanäle 14 und 15 in grau sowie in schwarz die Transmissivität in Abhängigkeit
von der Wellenlänge in einem Bereich von 875 bis 950nm
Fensterkanal angesehen werden kann. Kanal 15 bei 900nm ist hingegen nicht mehr für die
annähernd gesamte Strahlung durchlässig, was vor allem auf den in der Atmosphäre vor-
handenen Wasserdampf zurückzuführen ist. Der TCWV ist schließlich proportional zum
Logarithmus des Verhältnisses, der in diesen beiden Kanäle gemessenen Strahldichten L15
und L14 (siehe Gl. 3).
L15
TCWV ≈ ln (3)
L14
Für die reale Atmosphäre reicht diese Betrachtungsweise allerdings nicht aus, da Streu-
prozesse, Beobachtungsgeometrie, Oberflächenalbedo, das zugehörige Temperaturprofil,
Luftdruck und Aerosole berücksichtigt werden müssen [Lindstrot et al., 2012]. Dazu
werden Strahldichten für diese beiden Kanäle in Abhängigkeit von den gerade genannten
Parametern, aber auch vom Wasserdampf, simuliert und die Verhältnisse Rmodelliert werden
in sogenannte Look-Up – Tables, kurz LUTs, geschrieben. Diese werden wiederum mit
dem gemessenen Verhältnis R gemessen verglichen, wobei es das Ziel ist, die in Gleichung 4,
formulierte Funktion zu minimieren, um den TCWV – Wert zu optimieren.
F = | Rmodelliert − R gemessen | (4)
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin11
3 Methodik
Zur Untersuchung der Wasserdampfstrukturen wurden die Daten zunächst einer Ana-
lyse auf Vollständigkeit unterzogen. Die MERIS – Daten liefern dabei keine komplette
Abdeckung der gesamten Erdoberfläche innerhalb eines Tages aufgrund des ENVISAT
Orbits in Kombination mit der Schwadbreite von MERIS. Zudem gibt es fehlende Mess-
werte innerhalb der daraus resultierenden typischen Streifenstruktur, die durch fehlende
reflektierte Strahlung oder Wolken begründet sein können. Daher wurde die Analyse
der zonalen monatlichen TCWV – Mittel in Kilogramm pro Quadratmeter, TCWV (siehe
Gl. 5), mit zonaler monatlicher Standardabweichung, STDV (siehe Gl. 6), gewählt. Die
Standardabweichung wurde dabei betrachtet, um einen Absolutwert zur Einschätzung der
Abweichungen innerhalb eines Monats pro zonalem Mittel zu erhalten. Zur Berechnung
wurden die folgenden Gleichungen genutzt:
1 n
n i∑
TCWV (m, lat) = TCWVi (m, lat) (5)
=1
s
2
∑in=1 TCWVi (m, lat) − TCWV (m, lat)
STDV (m, lat) = (6)
n−1
Hierbei entspricht n der Anzahl der Tage im Monat und TCWVi dem Säulenwasserdampf-
gehalt am jeweiligen Tag im Monat (m) und in Abhängigkeit des gewählten Breitengrades
(lat).
Des Weiteren wurde eine Bedingung für die Berechnung vorgegeben. Sie besagt, dass nur
dann der Mittelwert mit Standardabweichung berechnet wird, wenn mindestens 20% der
maximal möglichen TCWV – Werte pro Breitengrad und einer mittleren Anzahl von 30
Tagen im Monat vorhanden sind. Dabei wurde auch die Verteilung der Landmassen pro
Breitengrad berücksichtigt, da MERIS unter Beachtung der Validierung nur über Land-
oberflächen zufriedenstellende TCWV – Werte liefert. Das bedeutet wiederum, dass die
maximale Anzahl an Werten pro Breitengrad und Tag, der Anzahl an Landgitterpunkten
pro Breitengrad entspricht.
Im Bereich von 84, 5◦ bis 90, 0◦ nördlicher Breite (N) ist dabei zu berücksichtigen, dass
keine Landmassen vorhanden sind, weswegen für diesen Bereich für die Analyse keine
Ergebnisse zu erwarten sind. Des Weiteren gibt es von 35, 5◦ bis 65, 5◦ Süd (S) nur einen
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin12 3 METHODIK
sehr geringen Anteil von Landmassen, der sich vor allem durch den Süden Südamerikas
und Australiens sowie durch Inseln und Inselgruppen, z.B. Neuseeland, Tasmanien und
die Falklandinseln, zusammensetzt. Die Landflächen leisten hier zur Gesamtanzahl an
Werten pro Breitengrad einen Beitrag von weniger als 25% und können daher teilweise
stark vom Ozean beeinflusst werden, was sich u.a. in einer erhöhten Wolkenbildung
äußern kann.
Für die einzelnen Monate ergeben sich durch die Mindestanzahl an Werten unterschiedli-
che Breitengrade, für die aufgrund der nicht ausreichenden Datengrundlage im MERIS –
Datensatz keine Berechnungen durchgeführt werden. Um dies zu verdeutlichen, sei auf
Abbildung 4 verwiesen, in der die Bedingung (schwarze Kurve) in Kombination mit der
tatsächlichen Anzahl an vorhandenen Werten beispielhaft für Dezember 2003 (links) und
Juni 2005 (rechts) dargestellt sind. Auf der Abzisse sind dabei die Breitengrade von -90
(entspricht 90◦ S) bis 90 (entspricht 90◦ N)7 und auf der Ordinate die Anzahl der validen
Werte von 0 bis 12.000 angegeben. Die rote Kurve gibt jeweils die Anzahl der validen
TCWV von ERA-Interim und die blaue Kurve die von MERIS wieder.
Dezember 2003 Juni 2005
1.2•104 MERIS
1.2•104 MERIS
ERA−Interim ERA−Interim
4
Bedingung 4
Bedingung
1.0•10 1.0•10
Anzahl der Werte
Anzahl der Werte
8.0•103 8.0•103
6.0•103 6.0•103
4.0•103 4.0•103
2.0•103 2.0•103
0 0
−90 −60 −40 −20 0 20 40 60 90 −90 −60 −40 −20 0 20 40 60 90
Breitengrad Breitengrad
Abbildung 4: Anzahl der vorhandenen Werte des TCWV in Abhängigkeit des Breitengrades für
MERIS (blau) und ERA-Interim (rot) mit Angabe der Anzahl der Werte die mindestens
zur Berechnung des zonalen Mittels pro Breitengrad vorhanden sein müssen (schwarz)
links: für Dezember 2003;
rechts: für Juni 2005
Wie in der Abbildung zu erkennen ist, erfüllen die MERIS – Daten in Bereichen der
hohen und mittleren Breiten nicht über alle Monate eines Jahres die Bedingung und
werden somit nicht bei der Berechnung der zonalen Mittel für den jeweiligen Monat
berücksichtigt. Der Grund für das Nicht-Erfüllen der Anforderung ist der sich über das
Jahr verändernde Sonnenstand. Aus MERIS – Messungen kann, wie bereits erwähnt, kein
7 Diese Darstellung der Breitengrade in Abbildungen bleibt die gesamte Arbeit über erhalten.
Nicole Docter, FU-Berlin April 201313 TCWV ermittelt werden, wenn keine reflektierte solare Strahlung, z.B. in der jeweiligen Polarnacht, vorhanden ist. Aufgrund dessen wurde beispielsweise im Dezember 2003 nur ein Bereich von 50, 5◦ N bis 83, 5◦ S und im Juni 2005 ein Bereich von 83, 5◦ N bis 56, 5◦ S betrachtet, wobei anzumerken ist, dass sich die Sonne am 21. Dezember über dem südlichen und am 21. Juni über dem nördlichen Wendekreis im Zenit befindet. Zu diesen Zeiten trifft dementsprechend nicht genügend solare Strahlung auf die nicht berücksichtigten Gebiete der Nord- und Südhalbkugel. Des Weiteren erfüllt der Bereich von 45, 5◦ bis 61, 5◦ S nicht immer die Bedingung für die Berechnung des zonalen monatlichen TCWV – Mittels der MERIS – Daten, wie z.B. auch in Abb. 4 auf der vorherigen Seite bei 51, 5◦ S, 53, 5◦ S, zwischen 57, 5◦ und 59, 5◦ S wie auch bei 61, 5◦ und 62, 5◦ S für den Dezember 2003 (links) und für den Juni 2005 (rechts) zwischen 45, 5◦ und 51, 5◦ S, aber auch zwischen 53, 5◦ und 55, 5◦ S zu erkennen ist. Dabei ist hier als Grund für die fehlenden Daten die Möglichkeit von Wolkenbildung über den vom Ozean beeinflussten wenigen Landmassen anzuführen. Außerdem fällt insbesondere in der Abbildung für den Dezember 2003 (Abb. 4, links) der Bereich vom Äquator bis in etwa 15◦ Süd auf. So werden keine Berechnungen für 2, 5◦ , 3, 5◦ , 12, 5◦ und 13, 5◦ S mit den vorhandenen MERIS – TCWV – Daten durchge- führt, da nur Werte für 23 Tage vorliegen und somit Fehlwerte, die z.B. durch Wolkenstruk- turen begründet sind, in diesem Monat schwerer ins Gewicht fallen. Der Effekt, dass die Bedingung aufgrund von zu wenig TCWV – Werten für Tage im Monat in Kombination mit Fehlwerten durch Wolken nicht erfüllt wird, trat nur noch einmal im Februar 2003 auf, wodurch 2, 5◦ , 3, 5◦ und 13, 5◦ S nicht für die Berechnungen berücksichtigt werden. Insgesamt kann man zudem erkennen, dass im ERA-Interim – Datensatz wesentlich mehr valide TCWV – Werte vorhanden sind. Daher werden, um die Vergleichbarkeit sicherzustellen, zur Berechnung der zonalen monatlichen Mittel und Standardabweichung nur ERA-Interim TCWV – Werte verwendet, für die auch zur selben Zeit und am selben Ort im MERIS – Datensatz valide Werte vorliegen. Ausnahmen bilden für ERA-Interim hierbei nur Berechnungen für Breitengrade und Monate, für die die gestellte Bedingung an Mindestwerten im MERIS – Datensatz nicht erfüllt wurde. In solchen Fällen wer- den alle vorhandenen ERA-Interim Werte verwendet, um eine komplette Übersicht der Wasserdampfstrukturen zu erhalten. Nach der Prüfung der Daten und Berechnung der zonalen monatlichen Mittel mit Stan- dardabweichung für die TCWV – Werte von ERA-Interim und aus dem MERIS – TCWV – April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin
14 3 METHODIK
Retrieval wurden die zonalen monatlichen Mittel nochmals miteinander verglichen, um
Gemeinsamkeiten oder auch Unterschiede zu betrachten. Dabei wurden die ERA-Interim –
Modelldaten in dieser Arbeit als Referenz betrachtet, da unabhängig von Wolken und Son-
nenzenitstand über den gesamten Zeitraum genügend valide Werte vorhanden sind, die
auch unter Beachtung der genannten Bedingung in die Berechnung pro geographischer
Breite einfließen können.
Die Abweichung der Daten voneinander wurde dabei wie folgt aus den zonalen monatli-
chen Mitteln berechnet:
∆TCWV (m, lat) = TCWV ERA− Interim (m, lat) − TCWV MERIS (m, lat) (7)
Die nach diesem Vorgehen erzielten Ergebnisse und die daraus resultierenden Wasser-
dampfstrukturen werden in Abschnitt 4 auf der nächsten Seite dargestellt und erläutert.
Nicole Docter, FU-Berlin April 201315
4 Ergebnisse
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchung der Wasserdampfstrukturen
aller vorhanden Monate der vorgegebenen sechs Jahre vorgestellt. Dazu werden die
einzelnen zonalen Mittel der Monate in Kapitel 4.1 ab Seite 15 zusammenhängend jeweils
für ERA-Interim und für MERIS analysiert und erklärt. Das gleiche Vorgehen folgt später
auch für die zonalen monatlichen Standardabweichungen in Kapitel 4.2 ab Seite 21.
In Zusammenhang mit dieser Betrachtung kann eine Einteilung nach Zonen vorgenommen
werden, um so die Strukturen des Säulenwasserdampfgehalts zu beschreiben. Dabei
erfolgt die Gruppierung der Zonen auf Grundlage des im Mittel auftretenden zonalen
monatlichen TCWV – Mittel, des Intervalls, in dem er auftritt und in Abhängigkeit der
Änderung der Werte innerhalb einer Zone für den gesamten Zeitraum.
Abschließend wird die Abweichung der zonalen monatlichen TCWV – Mittel von MERIS
zu ERA-Interim in Kapitel 4.3 ab Seite 26 betrachtet, um eine Aussage über die Vergleich-
barkeit und die Übereinstimmung der betrachteten Zonen in den beiden Datensätzen
treffen zu können.
4.1 Zonale Monatliche Mittel
In Abbildung 5 auf der nächsten Seite sind die zonalen monatlichen Mittel des TCWV in
Kilogramm pro Quadratmeter von ERA-Interim für alle 72 Monate dargestellt. Auf der
x-Achse sind dazu die Monate von Januar 2003 bis Dezember 2008 wiederzufinden und
auf der y-Achse die Zonen bzw. Breitengrade von 90◦ Süd bis 90◦ Nord. Der Farbbalken
auf der rechten Seite der Abbildung liefert die zugehörigen TCWV – Werte in Kilogramm
kg
pro Quadratmeter zu den Farben. Die Farbskala reicht dabei von dunkelblau mit 0 m2 bis
kg
dunkelrot mit 53 m2 . Der weiße Bereich von 84, 5◦ bis 90◦ kennzeichnet dabei Fehlwerte
aufgrund der nicht vorhandenen Landmassen in dieser Region.
Die Abbildung zeigt eine periodische Änderung des TCWV mit der Zeit, wodurch
eindeutig Strukturen zugehörig zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Breitengraden
identifiziert werden können. Die für diese Arbeit verwendete Einteilung der Zonen zur
Beschreibung der Abbildung und Strukturen ist in Tabelle 1 auf Seite 17 wiederzufinden,
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin16 4 ERGEBNISSE
90
80 50
70
60 45
50
40
40
30 35
TCWV in [kg/m^2]
20
Breitengrad
10 30
0
25
−10
−20 20
−30
−40 15
−50
10
−60
−70 5
−80
−90 0
Jan Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec
2003 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008
Monat
kg
Abbildung 5: Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in m2 der ERA-Interim – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen
wobei zugehörig auch die Mittel, das Minimum und das Maximum des zonalen ERA-
Interim – TCWV über den gesamten Zeitraum den jeweiligen Bereichen zugeordnet
ist.
Allgemein ist sowohl in Abb. 5 als auch in Tab. 1 auf der nächsten Seite zu erkennen, dass
um den Äquator die höchsten TCWV – Werte auftreten, welche dann in Richtung Norden
und Süden abfallen. Zudem wird die Variabilität des Wasserdampfs in der Atmosphäre
durch die sich ändernden Werte entlang der Breitengrade einer Zone über den gesamten
Zeitraum durch die Farbänderung in der Abbildung deutlich.
kg
In der Äquatorregion treten mit im Mittel 45, 3 m2 die höchsten TCWV – Werte auf. Dabei
kg
variieren sie von minimal 35, 0 bis maximal 52, 5 m2 über den gesamten Zeitraum und
kg
weichen somit maximal um 17, 5 m2 voneinander ab.
Der direkt an diesen Bereich Anschließende, der südlichen und nördlichen Tropen, weist,
entsprechend des horizontalen Temperaturgefälles nach Nord und Süd, die zweithöchsten
zonalen TCWV – Werte auf. Dabei verändert sich der Wert des TCWV jährlich im Mittel
Nicole Docter, FU-Berlin April 20134.1 Zonale Monatliche Mittel 17
Tabelle 1: Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus ERA-Interim – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
Zone Bereich in Grad Mittel Minimum Maximum
der Zone der Zone der Zone
kg kg kg
in m2 in m2 in m2
nördliche hohe Breiten 60 bis 90 6.5 1.4 21.5
nördliche mittlere Breiten 40 bis 60 11.7 3.3 23.9
nördliche Subtropen 20 bis 40 17.6 6.0 36.7
nördliche Tropen 5.5 bis 20 33.5 15.5 51.1
Äquatorregion -5.5 bis 5.5 45.3 35.0 52.5
südliche Tropen -5.5 bis -20 36.1 18.0 50.9
südliche Subtropen -20 bis -40 18.7 9.7 39.8
südliche mittlere Breiten -40 bis -60 11.0 2.5 21.8
südliche hohe Breiten -60 bis -90 2.5 0.2 11.6
kg
über alle Breitengrade der Zone maximal um 24, 1 m2 in der nördlichen Hemisphäre und
kg
um 21, 4 m2 in der Südlichen, wodurch diese beiden Zonen durch die höchsten TCWV –
Änderungen mit der Zeit gekennzeichnet sind.
In der Zone der Subtropen sind auffällig geringere TCWV – Werte wiederzufinden. Im
kg kg
Mittel betragen sie 17, 6 m2 in diesem Bereich der Nordhalbkugel und 18, 7 m2 auf der
Südhalbkugel. Insgesamt ändert sich der zonale TCWV dieser Zone dabei mit der Zeit
ähnlich stark wie der des zuvor genannten Bereichs.
In den mittleren Breiten, d.h. von 40◦ bis 60◦ N bzw. S, sind im Mittel wieder geringere
TCWV – Werte als in den äquatornäheren Zonen zu finden. Die Variation des TCWV
mit der Zeit ist dabei für die Südhalbkugel deutlich geringer als für die Nordhalbkugel
kg
und beträgt nur 8, 6 m2 . Die mittleren Breiten der Nordhalbkugel weisen hingegen eine
kg
maximale Änderung des TCWV von im Mittel 19, 0 m2 auf.
Schließlich folgt noch die letzte Zone von 60◦ bis 90◦ N bzw. S. In diesen Bereichen sind die
kg kg
im Mittel geringsten TCWV – Werte mit 6, 5 m2 im Norden und 2, 5 m2 im Süden zu finden.
Die jährliche Änderung des TCWV ist dabei auch in diesen Zonen je Hemisphäre die ge-
kg
ringste und beträgt über alle Breitengrade dieser Zone gemittelt maximal 14, 1 bzw. 3, 1 m2
im Norden bzw. Süden, wobei auch hier wieder ein deutlicher Unterschied der Variabilität
zwischen den Hemisphären zu erkennen ist.
Die Darstellung der zonalen monatlichen TCWV – Mittel, die aus MERIS – Daten stam-
men, liefert dieselbe periodische Struktur mit den höchsten Werten in Äquatornähe und
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin18 4 ERGEBNISSE
abfallenden TCWV – Werten zu den Polen hin, wobei die Werte in den Zonen leicht von
denen von ERA-Interim abweichen.
In Abbildung 6 auf der nächsten Seite sind die mittleren zonalen TCWVs von MERIS in
Kilogramm pro Quadratmeter in Abhängigkeit des Monats und des Breitengrades aufge-
tragen. Dabei ist die Achsen- und Farbeinteilung analog zu der der zonalen monatlichen
Mittel ERA-Interims.
90
80 50
70
60 45
50
40
40
30 35
TCWV in [kg/m^2]
20
Breitengrad
10 30
0
25
−10
−20 20
−30
−40 15
−50
10
−60
−70 5
−80
−90 0
Jan Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec
2003 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008
Monat
kg
Abbildung 6: Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in m2 der MERIS – Daten für einen Zeitraum
von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen
Besonders auffällig sind die meist periodisch auftretenden, weiß gekennzeichneten Fehl-
wertbereiche in dieser Abbildung. In den nördlichen Breiten können sie für den Bereich
von 84, 5◦ bis 90◦ N mit fehlenden Landmassen und im Bereich von 50, 5◦ bis 84, 5◦ N mit
fehlender reflektierter solarer Strahlung im Jahresverlauf erklärt werden. In der südlichen
Hemisphäre ist eine größere Breitenzone periodisch mit Fehlwerten belegt, da der vorhan-
dene TCWV in diesen Gebieten nach der zuvor gestellten Bedingung nicht repräsentativ
ist. Sie erstreckt sich von 45◦ bis 90◦ S und ist nicht mehr nur durch die fehlende solare
Strahlung aufgrund des Sonnenzenitstandes im Südwinter zu erklären. Dabei sei an
Nicole Docter, FU-Berlin April 20134.1 Zonale Monatliche Mittel 19
dieser Stelle jedoch auf das Kapitel 3 ab Seite 11 verwiesen, in dem bereits der Einfluss
von Wolken und einem geringeren Landmassenanteil vorgestellt wurde. Ebenso wurden
dort bereits Gründe für die Fehlwerte im Bereich südlich des Äquators im Februar und
Dezember 2003 erörtert.
Des Weiteren wurden auch hier wieder die Zonen zur Beschreibung der Abbildung
mit zugehörigen Mittelwerten, Minima und Maxima des gesamten Zeitraumes zusam-
mengefasst und sind in Tabelle 2 zu finden. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die
mit Sternchen (*) gekennzeichneten Bereiche zwar Angaben zu Mittelwert, Minima und
Maxima haben, jedoch nicht eindeutig vergleichbar mit denen von ERA-Interim sind.
Insbesondere die Minima und dadurch auch die Mittelwerte könnten in diesen Zonen
von den Angegebenen abweichen, da zumeist die entsprechenden Wintermonate über
größere Bereiche mit Fehlwerten belastet sind. Sie sind hier der Vollständigkeit halber
angegeben, um eine komplette Übersicht zu erhalten.
Tabelle 2: Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus MERIS – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
Zone Bereich in Grad Mittel Minimum Maximum
der Zone der Zone der Zone
kg kg kg
in m2 in m2 in m2
nördliche hohe Breiten 60 bis 90 * 8.4 2.1 22.1
nördliche mittlere Breiten 40 bis 60 * 11.8 2.9 25.0
nördliche Subtropen 20 bis 40 18.6 5.9 36.9
nördliche Tropen 5.5 bis 20 34.2 17.1 51.2
Äquatorregion -5.5 bis 5.5 44.6 35.5 51.1
südliche Tropen -5.5 bis -20 35.8 18.7 49.6
südliche Subtropen -20 bis -40 18.9 9.1 39.5
südliche mittlere Breiten -40 bis -60 * 10.9 5.0 20.6
südliche hohe Breiten -60 bis -90 * 3.4 0.7 12.6
Der Bereich der Äquatorregion ist auch in den aus MERIS – Daten ermittelten zonalen
kg
monatlichen Mitteln jener, der die höchsten TCWV – Werte mit im Mittel 44, 6 m2 aufweist.
Dabei tritt auch hier wieder eine verhältnismäßig geringe Variabilität über den gesam-
kg
ten Zeitraum, mit einem minimalen TCWV von 35, 5 m2 und einem maximalen TCWV
kg
von 51, 1 m2 , auf.
Die daran anschließenden Zonen der nördlichen und südlichen Tropen und Subtropen sind
kg kg
hingegen wieder durch eine hohe Variabilität von über 20 m2 im Norden und über 18 m2
im Süden geprägt. Dabei sind in den Tropen deutlich höhere TCWV – Werte mit im Mittel
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin20 4 ERGEBNISSE
kg
34, 2 bzw. 35, 8 m2 wiederzufinden. Im Bereich der Subtropen sind die TCWV – Mittel der
kg
Zone hingegen im Vergleich dazu um mehr als 15 m2 geringer.
Der mittlere TCWV aus MERIS – Daten der mittleren und hohen Breiten weist trotz der
Lücken ähnliche Werte zu denen von ERA-Interim auf. Dabei schwanken die zonalen
TCWV – Werte in den nördlichen, hohen und mittleren Breiten jährlich im Mittel um maxi-
kg kg
mal 12, 2 und 20, 3 m2 , in den südlichen, mittleren Breiten hingegen nur um maximal 9, 1 m2
innerhalb der abgebildeten Monate. In den südlichen, hohen Breiten tritt hier, wie bei
den zonalen monatlichen Mitteln der ERA-Interim – Daten, die geringste Variabilität des
TCWV auf. Dabei liegt eine über alle Breiten gemittelte jährliche Änderung des TCWV
kg
von maximal 2, 6 m2 vor.
Die Strukturen, die in den zonalen monatlichen Mitteln des TCWV der ERA-Interim
– und MERIS – Daten auftreten, zeigen eine eindeutige Sonnenstands- bzw. dadurch
Temperaturabhängigkeit. Der Sonnenstand beeinflusst hierbei die Temperaturen aufgrund
der Wärmezufuhr durch Einstrahlung. Gebiete, über denen sich die Sonne im Zenit
befindet, sind dabei durch eine höhere Wärmezufuhr als weiter davon entfernte Gebiete
gekennzeichnet, wodurch dort wiederum auch höhere Temperaturen begründet sind.
Zudem verändert sich die Position des Zenitstandes der Sonne zwischen nördlichem und
südlichem Wendekreis im Laufe des Jahres aufgrund der Neigung der Rotationsachse
der Erde zur Ekliptik, was zur Folge hat, dass die Einstrahlung und somit auch die
Temperaturen über einem bestimmtem Gebiet über das Jahr varrieren.
Da die Temperatur nach der Clausius–Clapeyron – Gleichung auch die Wasserdampfauf-
nahme der Atmosphäre beeinflusst, ist in den jeweiligen Hemisphären – Wintermonaten
je der geringste Wasserdampfgehalt pro Jahr und Zone und in den jeweiligen Sommermo-
naten der Höchste wiederzufinden. Hierbei ist anzumerken, dass Zonen um den Äquator
eine ganzjährig hohe Wärmezufuhr haben und daher in diesen Bereichen auch ganzjährig
die höchsten TCWV – Werte auftreten.
Zudem sind die Maxima und Minima des zonalen TCWV in Monaten anzutreffen, die
eine leichte Verschiebung zum eigentlichen Zeitpunkt des Sonnenzenitstandes haben. So
liegen die zonalen Minima bzw. Maxima im Januar – Februar (Winter der Nordhemisphä-
re, Sommer der Südhemisphäre) und im Juli – August (Sommer der Nordhemisphäre,
Winter der Südhemisphäre). Diese Feststellung ist darauf zurückzuführen, dass sich die
Erdoberfläche zunächst erwärmen muss. Das bedeutet, dass die Strahlungsenergie der
Nicole Docter, FU-Berlin April 20134.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 21
Sonne je nach Oberfläche unterschiedlich stark absorbiert wird, bevor sie in Form von
Wärmeenergie wieder an die Atmosphäre abgegeben wird.
Des Weiteren sind auf der Nordhalbkugel mehr Breiten durch eine deutliche, jahreszeitlich
bedingte Änderung des TCWV gekennzeichnet. Dies ist auf die erhöhte Wärmespeicher-
kapazität des Ozeans gegenüber Landoberflächen zurückzuführen und steht somit wieder
aufgrund der Clausius–Clapeyron – Gleichung in Zusammenhang mit der Wasserdampf-
aufnahme der Atmosphäre. Die Nordhalbkugel ist aufgrund der Landmassenverteilung
weniger stark vom Ozean beeinflusst. Die betrachteten Gebiete kühlen mit sinkender Wär-
mezufuhr durch Einstrahlung stärker und schneller aus und können mit zunehmender
Wärmezufuhr stärker und schneller aufheizen. Die wenigen Landmassen der Südhemi-
sphäre stehen hingegen aufgrund ihrer Verteilung unter einem stärkeren Einfluss des
Ozeans. Die betrachteten Gebiete kühlen nicht so schnell in den entsprechend kälteren
Monaten aus bzw. heizen sich nicht so schnell und stark in den entsprechenden wär-
meren Monaten auf. Aufgrund dessen sind in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel
vergleichsweise hohe Änderungen des TCWV über das Jahr festzustellen, wohingegen die
kg
Änderung in den südlichen mittleren Breiten weniger als 10 m2 beträgt.
Die Ausnahme bilden hierbei die Polarregionen. Die Arktis wird durch ein Eisschild,
welches sich auf dem Nordpolarmeer befindet, dargestellt. Die Antarktis ist hingegen ein
mit Eis bedeckter Kontinent. Aufgrund der Wechselwirkung mit dem Ozean ist somit die
Arktis im Jahresmittel durch höhere Temperaturen als die Antarktis geprägt, was sich
deutlich im zonalen TCWV aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Wasserdampfauf-
nahme der Atmosphäre äußert. Wobei natürlich auch in diesen Regionen der höchste
zonale TCWV in den jeweiligen Sommermonaten und der Niedrigste in den jeweiligen
Wintermonaten auftritt.
4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung
Im Folgenden wird die Standardabweichung des ERA-Interim und MERIS TCWV zuge-
hörig zu den zonalen monatlichen Mitteln betrachtet, um ein Maß für die Streubreite der
Werte innerhalb eines Monats zugehörig zu den Zonen zu erhalten. Daraus können u.a.
auch Rückschlüsse auf die Verlässlichkeit der ermittelten, zonalen monatlichen Mittel
innerhalb der Bereiche gezogen werden. Die Einteilung der Zonen, die schon in Abschnitt
4.1 vorgenommen wurde, wird dabei zur Beschreibung beibehalten.
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin22 4 ERGEBNISSE
Abbildung 7 auf der nächsten Seite zeigt die zonale monatliche Standardabweichung des
zonalen monatlichen ERA-Interim TCWV in Abhängigkeit vom Monat (x-Achse) und
Breitengrad (y-Achse) für den gesamten Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008.
Die Farbskala auf der rechten Seite gibt den farblich zugehörigen Wert der TCWV –
kg
Standardabweichung in Kilogramm pro Quadratmeter an, wobei sie von 0 bis 18 m2 reicht.
90 18
80
70 16
60
50 14
40
30 12
TCWV in [kg/m^2]
20
Breitengrad
10 10
0
−10 8
−20
−30 6
−40
−50 4
−60
−70 2
−80
−90 0
Jan Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec
2003 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008
Monat
kg
Abbildung 7: Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in m2 der ERA-
Interim – Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über
Landoberflächen
Insgesamt liegt die monatliche zonale Standardabweichung mit Ausnahme des Berei-
kg
ches zwischen 40◦ Süd bis 40◦ Nord im Mittel unter 10 m2 und im Bereich vom Äqua-
tor bis 40◦ S bzw. N periodisch darüber. Die periodische Änderung der Standardabwei-
chung ist dabei vor allem auf der Nordhalbkugel deutlicher erkennbar.
Die Zone von 5, 5◦ S bis 5, 5◦ N hat, im Vergleich zum entsprechenden monatlichen Mittel,
kg
mit durchschnittlich 9, 0 m2 die geringste monatliche Standardabweichung, obwohl die
Absolutwerte der mittleren und hohen Breiten geringer sind. So beträgt die Standard-
Nicole Docter, FU-Berlin April 20134.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 23
kg
abweichung der südlichen hohen Breiten im Mittel zwar nur 1, 4 m2 , ist aber dennoch
kg
im Vergleich zum durchschnittlich auftretenden zonalen monatlichen Mittel von 2, 5 m2
mit 54, 9% die Höchste.
kg
Die höchsten Absolut – Standardabweichungen von maximal 17, 8 m2 sind so auf der
Nordhalbkugel im Bereich Subtropen zu finden. Die Streuung entspricht auch hier über
50% des im Mittel auftretenden zonalen monatlichen TCWV. Dabei sind in dieser Zone
die höchsten Werte im Bereich des nördlichen Wendekreises leicht versetzt zum Zeitpunkt
des dortigen Sonnenzenits wiederzufinden.
Der Bereich der nördlichen Tropen weist die im Mittel höchste absolute Standardabwei-
kg
chung auf. Sie beträgt 11, 4 m2 , aber streut um den mittleren zonalen TCWV um lediglich
32, 9%.
Die Zonen der südlichen Tropen und Subtropen sind in Abb. 7 durch ähnlich hohe, maxi-
male Standardabweichungen gekennzeichnet. Dennoch treten im Bereich der südlichen
kg
Subtropen im Vergleich zu den zonalen monatlichen Mitteln mit durchschnittlich 7, 9 m2 ,
was einer Streuung von 42, 3% entspricht, höhere Standardabweichungen auf als in der
zum Äquator näheren Zone.
Die mittleren Breiten der Nord- und Südhalbkugel zeigen im Weiteren im jeweiligen
Hemisphärensommer höhere Standardabweichungen als im jeweiligen Winter, wobei
kg kg
sie über den gesamten Zeitraum minimal 2, 2 bzw. 1, 3 m2 und maximal 9, 6 bzw. 8, 1 m2
betragen.
Die Darstellung der zonalen monatlichen Standardabweichung des MERIS TCWV wurde
analog zu der vorherigen gewählt und ist in Abbildung 8 zu finden. Hierbei ist die Ach-
seneinteilung und Farbwahl zugehörig zur Standardabweichung des zonalen monatlich
TCWV analog zu der in Abbildung 7 auf der vorherigen Seite.
Insgesamt ist die Darstellung der Standardabweichungen des MERIS TCWV ähnlich zu
der von ERA-Interim. Allerdings treten hier im Mittel höhere Werte auf, was insbesondere
für den Bereich von 40◦ S bis 40◦ N in der Abbildung deutlich wird. Mit Ausnahme dieses
Bereichs beträgt die Standardabweichung dennoch auch für MERIS meist weniger als
kg
10 m2 .
In Abbildung 8 ist wie auch bereits für die ERA-Interim Daten die im Verhältnis zum
zonalen monatlichen Mittel geringste im Mittel vorliegende Standardabweichung mit
April 2013 Nicole Docter, FU-Berlin24 4 ERGEBNISSE
90 18
80
70 16
60
50 14
40
30 12
TCWV in [kg/m^2]
20
Breitengrad
10 10
0
−10 8
−20
−30 6
−40
−50 4
−60
−70 2
−80
−90 0
Jan Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec Jun Dec
2003 2003 2003 2004 2004 2005 2005 2006 2006 2007 2007 2008 2008
Monat
kg
Abbildung 8: Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in m2 der MERIS –
Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen
kg
10, 8 m2 in der Äquatorregion wiederzufinden, was einer Standardabweichung von durch-
schnittlich 24, 2% entspricht.
Die höchste Standardabweichung im Vergleich zum im Mittel auftretenden zonalen TCWV
ist auch hier in den südlichen hohen Breiten vorhanden. Sie beträgt im Mittel 59, 2%,
wobei anzumerken ist, das sie, genau wie die Standardabweichung der südlichen mittleren
Breiten, nur aus den innerhalb der Bedingung validen Werten berechnet wurde. Dennoch
ist in der Abbildung in den dargestellten Bereichen zu erkennen, dass die genannten
Zonen der Südhalbkugel vergleichsweise konstante Standardabweichungen aufweisen.
Im Gegensatz dazu ist im dargestellten Bereich der hohen und mittleren Breiten der
Nordhalbkugel eine Tendenz zu einer jahreszeitlichen Abhängigkeit zu erkennen, was sich
durch die zwischen Dezember und Juni ansteigenden Standardabweichungen äußert.
Wie in den ERA-Interim – Standardabweichungen tritt auch in denen von MERIS zonalem
TCWV die absolut Höchste im Bereich der nördlichen Subtropen auf und beträgt maxi-
kg
mal 17, 6 m2 . Die mittlere Standardabweichung in dieser Zone beträgt dabei über 50% im
Nicole Docter, FU-Berlin April 20134.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 25
Vergleich zum im Mittel auftretenden Säulenwasserdampfgehalt. Hierbei ist auch in dieser
Abbildung das Maximum der Standardabweichung innerhalb der Zone leicht verschoben
zum Zeitpunkt des Sonnenzenitstandes am nördlichen Wendekreis wiederzufinden.
Analog zu den zonalen monatlichen Standardabweichungen von ERA-Interim hat der
Bereich der nördlichen Tropen die höchsten mittleren Standardabweichungen mit durch-
kg
schnittlich 12, 2 m2 für den betrachteten Zeitraum.
Dabei sind ähnlich hohe Werte in diesem Bereich der Südhalbkugel zu finden. Die mittlere
kg
Standardabweichung beträgt dort 11, 9 m2 , wobei das Intervall in dem Standardabweichun-
kg kg
gen auftreten mit 9, 7 m2 bis 14, 9 m2 kleiner ist. Somit ist diese Zone das ganze Jahr über von
ähnlichen Standardabweichungen geprägt, wohingegen dieser Bereich der Nordhalbkugel
eine periodische Änderung aufweist.
Die periodische Änderung der zonalen monatlichen Standardabweichung ist sowohl in der
Darstellung von ERA-Interim als auch in der von MERIS für die Nordhalbkugel deutlich
erkennbar, was mit den sich über das Jahr ändernden Temperaturen zusammenhängt.
Insbesondere treten stets höhere Standardabweichungen im jeweiligen Hemisphärensom-
mer als -winter auf, da durch die höhere Wärmezufuhr, die damit verbundenen höheren
Temperaturen die Verdunstung, die in Zusammenhang mit Konvektion zu Wolkenbildung
und Niederschlägen führt, begünstigen. Daher variiert der Wasserdampfgehalt dieser
Zonen zum Zeitpunkt des Nordhemisphären – Sommers stärker als im Winter, was sich
in höheren monatlichen Standardabweichungen äußert.
Dabei sind die höchsten Absolut – Standardabweichungen auf der Nordhalbkugel im
Bereich der Subtropen zu finden, da diese Zone besonders stark durch die Wärmezufuhr
durch Einstrahlung beeinflusst wird, da innerhalb dieser Zone der nördliche Wendekreis
liegt, über dem sich die Sonne Ende März im Zenit befindet. Die höchsten Werte sind
dabei im Bereich des nördlichen Wendekreises leicht versetzt zum Zeitpunkt des dortigen
Sonnenzenits wiederzufinden, da es zunächst einmal zu einer Erwärmung kommen muss,
bevor mehr Wasserdampf aufgenommen werden kann. Folglich kann durch Konvektion
eine erhöhte Wolkenbildung und Niederschlag auftreten, was wiederum den täglich
vorliegenden Wasserdampfgehalt beeinflusst.
Auf der Südhalbkugel ist diese periodische Struktur hingegen nicht so deutlich zu erken-
nen, was auf den Einfluss des Ozeans auf die verhältnismäßig wenigen Landmassen der
Südhemisphäre zurückzuführen sein könnte. Die Temperaturen innerhalb der Zonen sind
über den gesamten Zeitraum, aufgrund der Wärmespeicherkapazität des Ozeans, in der
April 2013 Nicole Docter, FU-BerlinSie können auch lesen
