Inhaltsverzeichnis ............................................ vii
Abbildungsverzeichnis .......................................... ix
Tabellenverzeichnis ............................................ xi
Akronyme ...................................................... xii
Formelzeichen ................................................. xiv
1 Einführung ................................................... 1
1.1 Stand des Wissens ....................................... 2
1.2 Zielsetzung ............................................. 3
2 Grundlagen ................................................... 5
2.1 Aerosole in der Grenzschicht ............................ 5
2.2 Aerosolmessungen mit Hilfe von Satelliten ............... 7
2.3 SYNAER - Bestimmung von Aerosolkomponenten ............. 10
2.4 Das Modellsystem EURAD ................................. 14
2.5 Variationelle Datenassimilation ........................ 17
3 Der H-Operator und seine Sensitivitäten ..................... 21
3.1 Konzept zur Assimilation von SYNAER Aerosolmessungen ... 21
3.2 Vergleichbarkeit von SYNAER- und EURAD-Aerosoltypen .... 23
3.3 Bestimmung der Extinktionseffizienz im EURAD-Modell .... 31
3.4 SYNAER-äquivalente Größenverteilung in EURAD............ 33
3.5 Optische Eigenschaften der EURAD-Aerosolklassen ........ 35
3.6 Bestimmung der aerosoloptischen Dicke im
EURAD-Modell ........................................... 40
3.7 Der adjungierte H-Operator ............................. 40
4 Die zweidimensionale variationelle Assimilation ............. 41
4.1 Referenzmessungen verschiedener
Bodenstationsnetzwerke ................................. 41
4.2 Testdatensätze ......................................... 43
4.3 Validierung der Beobachtungen .......................... 43
4.4 Qualitätskontrolle der SYNAER-Beobachtungen ............ 46
4.5 Validierung des Hintergrundfelds ....................... 49
4.6 Vergleich von Beobachtungen und Hintergrundfeld ........ 54
4.7 Realisierung der 2D-Var-Methode ........................ 56
4.8 Statistik der Analyseinkremente ........................ 57
5 Fehleranalyse und Validierung des Analysefelds .............. 63
5.1 Fehleranalyse .......................................... 63
5.2 Validierung der aerosoloptischen Dicke ................. 67
5.3 Vergleich mit dem UK Smoke and Sulphur Dioxide
Network ................................................ 69
5.4 Vergleich mit dem EMEP-Netzwerk ........................ 70
6 Fallbeispiele ............................................... 72
6.1 Fallbeispiel 15. August 1997 ........................... 72
6.2 Fallbeispiel 5. und 25. August 1997 .................... 80
6.3 Staubausbrüche in Europa ............................... 88
7 Zusammenfassung und Diskussion .............................. 89
A Detailergebnisse ............................................. I
B Satelliten-basierte Retrievalmethoden ........................ V
C Brechungsindex organischer Substanzen ....................... IX
D Literatur .................................................. XXI
Abbildungsverzeichnis
Abb.1: Einfluß der Atmosphäre auf das Satellitensignal ......... 9
Abb.2: Schematische Übersicht des ERS-2-SYNAER-Verfahrens ..... 13
Abb.3: Das Zusammenspiel der Kostenfunktionen Jb und Jo ....... 20
Abb.4: Schematische Darstellung des Assimilationskonzepts ..... 23
Abb.5: Messungen des Realteils des komplexen Brechungsindex
für Ruß ................................................ 24
Abb.6: Messungen des Imaginärteils des komplexen
Brechungsindex für Ruß ................................. 25
Abb.7: Imaginärteil des Brechungsindex für
mineralische Aerosolpartikel ........................... 26
Abb.8: In OPAC beschriebene Größen Verteilungen
der Aerosolkomponenten ................................. 34
Abb.9: Sensitivität des Extinktionskoeffizienten bzgl.
des Modendurchmessers .................................. 35
Abb.10: βext,550nm als Funktion des Realteils des
Brechungsindex ......................................... 36
Abb.11: βext,550nm als Funktion des Imaginärteils
des Brechungsindex ..................................... 36
Abb.12: Realteil des Brechungsindex für organische
Substanzen ............................................. 38
Abb.13: Vergleich der AODSYNAER,ERS-2 bei 550 nm mit
Bodenmessungen des AERONET-Netzwerks ................... 44
Abb.14: Vergleich der AODSYNAER der ENVISAT-SYNAER VI.8
Messung mit AERONET für 119 europäische
Vergleichspaare in 2003 ................................ 45
Abb.15: Europäische Karte aller AERONET-Stationen .............. 46
Abb.16: AODSYNAER-AERONET als Funktion retrievalinterner
Parameter .............................................. 48
Abb.17: Vergleich der AODSYNAER der ENVISAT VI.8 Messung nach
der automatischen Qualitätskontrolle mit AERONET für
105 Vergleichspaare in Europa und Afrika in 2003 ....... 49
Abb.18: Zweidimensionales Histogramm der AODEURAD vs.
AODAERONET ............................................... 49
Abb.19: Monatsweises 2D-Histogramm der AODEURAD vs.
AODAERONET .............................................. 51
Abb.20: Europäische Karte der EURAD-Validierungsergebnisse
für jede AERONET-Station ............................... 52
Abb.21: Europäische Validierungskarte für jede AERONET-
Station nach Monaten getrennt .......................... 53
Abb.22: Zweidimensionale AOD-Histogramme von EURAD vs
ENVISAT-SYNAER VI.8 .................................... 54
Abb.23: AODEURAD/SYNAER als Funktion der AODSYNAER für INSO
(links) und SOOT (rechts) .............................. 55
Abb.24: Histogramme der OmFwaso (Punkte) und der OmAwaso
(Linie) für den gesamten ASSET-Zeitraum ................ 57
Abb.25: Histogramme der OmF (Punkte) und der OmA (Linie)
für die INSO-Komponente (oben) und die SOOT-
Komponente (unten) jeweils für den gesamten ASSET-
Zeitraum ............................................... 58
Abb.26: Europakarte der für jede EURAD-Gitterzelle und für
den ASSET-Zeitraum gemittelten OmF der AODGesamt
(links), der gemittelten OmA (Mitte) und der
Anzahl der genutzten Werte pro Gitterzelle (rechts) .... 59
Abb.27: Europakarte der für jede EURAD-Gitterzelle und für
Juli (oben), August (Mitte) und September 2003
(unten) gemittelten OmFwaso (links) und der Anzahl
der Werte pro Gitterzelle (rechts) ..................... 60
Abb.28: Europakarte der für jede Gitterzelle und für
Oktober (oben) und November 2003 (unten) gemittelten
OmFwaso (links) und der Anzahl der Werte pro
Gitterzelle (rechts) ................................... 61
Abb.29: Europakarte der für jede EURAD-Gitterzelle und
August 2003 (rechts) gemittelten OmFSOOT (links), der
gemittelten OmASOOT (Mitte) und der Anzahl der
genutzten Werte pro Gitterzelle (rechts) ............... 62
Abb.30: Farbkomposit des NOAA-AVHRR-Instruments am 14. August
2003 zur Überflugszeit um 14:29 UTC. Verbrannte
Flächen sind an ihrer dunklen Färbung in der Mitte
und im Süden Portugals zu erkennen ..................... 62
Abb.31: Histogramm von Differenzen (AODohne N-Umrechnung
AODmit N-Umrcchnung) ....................................... 64
Abb.32: Prozentualer Anteil der Produkte der Alkane und
Alkene an der AODEURAD.550nm AODmit N-Umrcchnung) ............ 65
Abb.33: Prozentualer Anteil der Produkte der Aromate, des
Limonen und des α-Pinen an der AODEURAD,550nm ............ 66
Abb.34: Histogramm der OTOTALmF (Punkte), der OTOTALmA (Linie)
und der OWISmA (Striche) für den gesamten ASSET-
Zeitraum ............................................... 67
Abb.35: Kumulative Verteilung der Differenz OTOTAL - 0WSI ........ 67
Abb.36: Vergleich von AODx_b-AERONET (a) und AODx_a-AERONET
(b) .................................................... 68
Abb.37: Histogramm der Differenzen BCx_b-UKBC und BCx_a-UKBC ....... 69
Abb.38: Histogramm der Differenzen (N+S)x_b-EMEP und
(N+S)x_a-EMEP ............................................. 71
Abb.39: PM2.5 und PM10 des EURAD-Modells für 10 UTC am
15.8.1997 (Quelle: EURAD) .............................. 72
Abb.40: Massenkonzentration verschiedener EURAD
Aerosolklassen (Quelle: EURAD) ......................... 74
Abb.41: AODSYNAER bei 550 nm gemessen vom ERS-2 am 15.8.1997 .... 75
Abb.42: Assimilationsbeispiel für die Komponente WASO .......... 76
Abb.43: Assimilationsbeispiel für die Komponente INSO .......... 77
Abb.44: Assimilationsbeispiel für die Komponente SOOT .......... 78
Abb.45: Räumliche Verteilungen der analysierten
Massenkonzentrationen .................................. 79
Abb.46: Farbkomposite des NOAA-14-AVHRR am 5.8.1997 um 12:08
UTC (rechts) und 13:50 UTC (links) ..................... 81
Abb.47: Farbkomposit des NOAA- 14-AVHRR am 25.8.1997 um 11:50
UTC (rechts) und 13:31 UTC (links) ..................... 81
Abb.48: Vergleich von Modellhintergrund und Beobachtungen ...... 82
Abb.49: AODx_b,i in den Vertikalschichten der Zelle (19,15)
für den 5.8.1997 ....................................... 83
Abb.50: Analysefelder des ECMWF-Modells am 25.8.1997 ........... 85
Abb.52: Hintergrund- bzw. Analysefeld versus AERONET
AOD-Messung für Staubfälle ............................. 88
Abb.53: Europakarte der für jede EURAD-Gitterzelle und für
den ASSET-Zeitraum gemittelten OmF (links), der
gemittelten OmA (Mitte) und der Anzahl der genutzten
Werte pro Gitterzelle (rechts) für die
Aerosolkomponenten WASO (oben), INSO (Mitte) und
SOOT (unten) .......................................... 111
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Anteile der Basiskomponenten an den SYNAER-
Aerosolmischungen ...................................... 11
Tab. 2: Eigenschaften der erweiterten SYNAER-
Aerosolkomponenten ..................................... 27
Tab. 3: Übersicht der in den EURAD-MADE behandelten
Aerosolklassen ......................................... 27
Tab. 4: Übersicht der in den EURAD-SORGAM behandelten
Aerosolklassen ......................................... 28
Tab. 5: Abbildung von EURAD-Klassen auf SYNAER-Komponenten ..... 31
Tab. 6: Komplexer Brechungsindex für alle EURAD-
Aerosolklassen ......................................... 39
Tab. 7: Monatliche Validierungsergebnisse für AODEURAD-AERONET
um 10 UTC ............................................. 50
Tab. 8: Beitrag einzelner Modellschichten i zur AODx_b bei
550 nm ................................................. 84
Tab. 9: Im Vergleich mit ENVISAT-SYNAER VI.9 genutzte
AERONET-Bodenstationen .................................. I
Tab.10: Übersicht über die im Vergleich mit EURAD
genutzten AERONET-Bodenstationen ....................... II
Tab.11: Übersicht Satellitenplattformen und
Retrievalmethoden ....................................... V
Tab.12: Übersicht verschiedener Sensoren und ihrer raum-
zeitlichen Auflösung ................................... VI
Tab.13: Übersicht über Stärken und Schwächen der einzelnen
Verfahren ............................................. VII
Tab.14: Übersicht zum Brechungsindex organischer Substanzen .... XX
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