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Sentinel-5P TROPOMI - Aerosol Optical Depth (AOD), Level 3 - Global

Aerosol optical depth (AOD) as derived from TROPOMI observations. AOD describes the attenuation of the transmitted radiant power by the absence of aerosols. Attenuation can be caused by absorption and/or scattering. AOD is the primary parameter to evaluate the impact of aerosols on weather and climate. Daily AOD observations are binned onto a regular latitude-longitude grid. The TROPOMI instrument onboard the Copernicus SENTINEL-5 Precursor satellite is a nadir-viewing, imaging spectrometer that provides global measurements of atmospheric properties and constituents on a daily basis. It is contributing to monitoring air quality and climate, providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the top of atmosphere solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum. The operational trace gas products generated at DLR on behave ESA are: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4), together with clouds and aerosol properties. This product is created in the scope of the project INPULS. It develops (a) innovative retrieval algorithms and processors for the generation of value-added products from the atmospheric Copernicus missions Sentinel-5 Precursor, Sentinel-4, and Sentinel-5, (b) cloud-based (re)processing systems, (c) improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users, and (d) data visualization services.

Sentinel-5P TROPOMI – Aerosol Index (AI), Level 3 – Global

Aerosol Index (AI) as derived from TROPOMI observations. AI is an indicator for episodic aerosol plumes from dust outbreaks, volcanic ash, and biomass burning. The TROPOMI instrument onboard the Copernicus SENTINEL-5 Precursor satellite is a nadir-viewing, imaging spectrometer that provides global measurements of atmospheric properties and constituents on a daily basis. It is contributing to monitoring air quality and climate, providing critical information to services and decision makers. The instrument uses passive remote sensing techniques by measuring the top of atmosphere solar radiation reflected by and radiated from the earth and its atmosphere. The four spectrometers of TROPOMI cover the ultraviolet (UV), visible (VIS), Near Infra-Red (NIR) and Short Wavelength Infra-Red (SWIR) domains of the electromagnetic spectrum. The operational trace gas products generated at DLR on behave ESA are: Ozone (O3), Nitrogen Dioxide (NO2), Sulfur Dioxide (SO2), Formaldehyde (HCHO), Carbon Monoxide (CO) and Methane (CH4), together with clouds and aerosol properties. This product is created in the scope of the project INPULS. It develops (a) innovative retrieval algorithms and processors for the generation of value-added products from the atmospheric Copernicus missions Sentinel-5 Precursor, Sentinel-4, and Sentinel-5, (b) cloud-based (re)processing systems, (c) improved data discovery and access technologies as well as server-side analytics for the users, and (d) data visualization services.

METOP GOME-2 - Sulfur Dioxide (SO2) - Global

Gridded Level 3 SO2 total column densities derived from the Metop/GOME-2-instruments. Volcanoes are the largest soures of SO2 in the atmosphere, depending on the erruption the Sulfurous compounds can be injected into stratosphere but in most cases it stays within the troposphere. Another important source is the coal combustion. Desulfurisation facilities within the power stations have reduced the sulfur emissions around the globe. In the stratosphere sulfur is a key component for building up aerosols, which reflect parts of the solar irradiation. The total SO2 column is retrieved from GOME solar back-scattered measurements in the ultraviolet wavelength region [using the DOAS method]. Depending on the plume SO2 can be a very strong absorber, because of that the ODAS retrieval might have some smaller issues, they can be reduced by choosing different wavelenght ranges depending on the signal. We apply three different fitting windows between 310 and 360nm. For the AMF, we assume a plumeheight of 6 km altitude. The Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) instrument continues the long-term monitoring of atmospheric trace gas constituents started with GOME / ERS-2 and SCIAMACHY / Envisat. Three instruments operate on board EUMETSAT's Meteorological Operational satellites MetOp-A, -B, and -C, launched in 2006, 2012, and 2018, respectively. GOME-2 measures a range of atmospheric trace constituents, with the emphasis on global ozone distribution. Furthermore, cloud properties and intensities of ultraviolet radiation are retrieved. These data are crucial for monitoring the atmospheric composition and the detection of pollutants. DLR generates operational GOME-2 / MetOp products in the framework of EUMETSAT's Satellite Application Facility on Atmospheric Composition Monitoring (AC-SAF).

Analyse und Nowcasting von konvektiven Systemen mit VERA

Die genaue Vorhersage von Gewittern ist sowohl für die Wissenschaft als auch für die Öffentlichkeit ein wichtiges Anliegen, da konvektive Ereignisse im Sommer zu den größten Naturgefahren in unseren Breiten gehören. Um die Entstehungsprozesse von Gewittern genauer zu verstehen, ist eine Untersuchung von Konvektion auf einer hoch auflösenden Skala nötig. Nur damit kann man den heutigen Anforderungen an die Vorhersage (in Bezug auf Zeit, Raum und Intensität) gerecht werden. Zu diesem Zweck wird im nächsten Jahr im Rahmen von zwei internationalen Projekten (COPS und MAP D-PHASE) im Süden von Deutschland eine groß angelegte Messkampagne durchgeführt. Das Hauptziel dieser Kampagne ist die Erstellung eines hochwertigen Datensatzes für die Untersuchung konvektiver Prozesse, von der Auslösung von Konvektion über die Wolken- und Niederschlagsbildung bis hin zur Untersuchung von Wolkenchemie und Hydrometeoren. Damit sollen meteorologische (und hydrologische) Vorhersagen für konvektive Ereignisse verbessert werden. Sowohl bei COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study; Teil des Priority Program SSP 1167 der Deutschen Forschungsgemeinschaft) als auch bei MAP D-PHASE (Mesoscale Alpine Program Demonstration of Probabilistic Hydrological and Atmospheric Simulation of flood Events in the Alpine region, ein von der Welt-Meteorologischen Organisation gefördertes Projekt) ist das Institut für Meteorologie und Geophysik in der Planungsphase vertreten. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll die Messkampagne durch den Einsatz eines eigenen Meso-Messnetzes und Personal unterstützt werden, womit ein wichtiger Beitrag zu dem einmaligen Datensatz, der durch den Einsatz verschiedenster Messsysteme (Bodenstationen, Dopplerradar, Lidar, Satelliten, Flugzeuge, Radiosonden, ...) zu Stande kommt, geleistet wird. Mit Hilfe der Daten aus der Feldkampagne soll im Zuge des Projektes das Analyseverfahren VERA, das im Rahmen von FWF-Projekten am Institut entwickelt worden ist, einerseits für das Nowcasting von Gewittern, andererseits zur genaueren Niederschlagsanalyse, weiterentwickelt werden. Für beide Entwicklungsschritte wird dem Fingerprint-Ansatz, mit dem Zusatzinformation für das Downscaling meteorologischer Felder in die VERA-Analyse implementiert werden kann, eine wichtige Rolle zukommen. Dieser Ansatz wird für 3 Dimensionen, mehrere Fingerprints und höhere Auflösungen (bis 1km Gitterdistanz) erweitert. Mittels des Datensatzes werden neue Fingerprints entwickelt, die dazu beitragen werden, die Analysegenauigkeit für den Niederschlag und die Vorhersagbarkeit von Gewittern in Echtzeit mit Routinedaten zu verbessern. Das fertig entwickelte Analyseverfahren soll dann in einem weiteren Schritt zur Echtzeit-Validierung von hoch auflösenden Wettermodellen verwendet werden, wobei ein neuer Ansatz des Vergleiches zum Tragen kommt. Auch dadurch wird ein Beitrag zur besseren Vorhersagbarkeit von Gewittern geleistet.

METOP GOME-2 - Water Vapour (H2O) - Global

Gidded Level 3 H2O total columns. The Earth's capacity to sustain life is attributed to two mechanisms: the greenhouse effect and the hydrological cycle. Water vapour in the atmosphere is a critical component of both processes and the main naturally occurring greenhouse gas in the Earth's climate system. Water in gaseous form varies more than other greenhouse gases. Monitoring atmospheric water vapour globally is essential to understand its climate impacts. Measurements of water vapor columns are derived from satellite observations of solar radiation in the ultraviolet and visible (430 – 450 nm) spectral ranges. A water vapour absorption band is detectable across some European Sentinel platforms (Sentinel-4, Sentinel-5P and 5), former (GOME and SCIAMACHY) and future instruments (CO2M). This absorption signature by water vapor is used to derive the shown concentrations with the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) technique. The retrieval methodology, as applied to the fleet of available platforms, demonstrates several advantages, including optimal sensitivity and coverage characteristics across both oceans and continents, enhanced temporal sampling frequency for weather applications, and continuous extension of long-term datasets for climate study purposes. This is accomplished by DLR in the framework of the EUMETSAT's Satellite Application Facility on Atmospheric Composition (AC-SAF) monitoring where DLR generates operational GOME-2 / MetOp products.

Untersuchung des Anregungsmechanismus der Natrium-D Nightglow-Emission

Die Natrium D-Linien stellen eine der wichtigsten Emissionen des terrestrischen Nightglow-Spektrums dar. Die Na-Emission wurde 1929 durch Vesto Slipher erstmals beschrieben. Sydney Chapman schlug im Jahre 1939 einen Anregungsmechanismus für die Na-D Emission vor, der durch die Reaktion von Na und Ozon initiiert wird. Obwohl die Na-D Nightglow-Emission seit über 80 Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist, ist das Verständnis ihres Anregungsmechanismus noch immer unvollständig. Neuere Studien identifizierten zeitliche Variationen des D2/D1-Linienverhältnisses, das nicht mit dem ursprünglichen Chapman-Mechanismus vereinbar ist. Ein modifizierter Chapman-Mechanismus wurde 2005 durch Slanger et al. vorgeschlagen, der explizit zwischen den verschiedenen elektronischen Anregungszuständen des beteiligen NaO-Moleküls differenziert. Dieser Mechanismus wurde mit Boden-gestützten Messungen des D2/D1-Linienverhältnisses getestet, aber die vertikale Variation des Linienverhältnisses - ein kritischer Test des modifizierten Chapman-Mechanismus - wurde bisher nicht durchgeführt.Das Hauptziel der hier vorgeschlagenen Untersuchungen besteht darin, das wissenschaftliche Verständnis des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus mit Hilfe Satelliten-gestützter Messungen zu testen und eine Methode zur Ableitung von Na Profilen in der Mesopausenregion aus Messungen der Na-D Nightglow-Emission zu konsolidieren. Hierzu sollen Messungen der Instrumente OSIRIS auf dem Odin Satelliten, sowie SCIAMACHY auf Envisat verwendet werden. Die Synergie der beiden Datensätze ermöglicht auf einzigartige Weise die Untersuchung des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus. Konkret sollen die Satellitenmessungen für folgende Zwecke verwendet werden: 1) Die OSIRIS Messungen, die ein sehr hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis besitzen, sollen verwendet werden um das Verzweigungsverhältnis f für die Produktion von Na(2P) über die Reaktion von NaO und O - entsprechend dem ursprünglichen oder effektiven Chapman-Mechanismus - empirisch zu bestimmen. Hierzu werden unabhängige Na-Profilmessungen mit Boden-gestützten LIDARs und anderen verfügbaren Na Datensätzen eingesetzt. 2) Die SCIAMACHY Nightglow Limb-Messungen erlauben die spektrale Trennung der beiden Na D-Linien und sollen eingesetzt werden, um die vertikale Variation des D2/D1-Verhältnisses in der realen Atmosphäre abzuleiten. Die SCIAMACHY Messungen sind hierfür auf einzigartige Weise geeignet. Die hier vorgeschlagenen Ansätze ermöglichen wichtige und neue Beiträge, um das wissenschaftliche Verständnis des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus zu verbessern. Darüber hinaus tragen die erwarteten Ergebnisse dazu bei, die Methode zur Ableitung von Na-Profilen in der Mesopausenregion aus Messungen der Na-D Nightglow-Emission zu konsolidieren. Letzteres wird erreicht durch die Bereitstellung eines optimalen Verzweigungsverhältnisses f (sowie dessen Unsicherheit) des ursprünglichen Chapman-Anregungsmechanismus.

Erosionsprozesse in degradierten Arganbeständen in Südmarokko

Boden und Vegetation endemischer Arganbestände in Marokko werden durch Expansion und Intensivierung der Agrarwirtschaft sowie Überweidung zunehmend degradiert. Überschirmte Flächen nehmen ab, unbedeckte Flächenanteile zwischen den Arganien nehmen zu. Infolge verminderter Infiltration steigen Oberflächenabfluss- und Bodenabtragsraten stark an. Auf den degradierten Böden kann sich nur lückenhafter Unterwuchs (Krautige und Gras) und kein Jungwuchs mehr ausbilden. Durch Untersuchungen verschieden stark degradierter Arganbestände werden in diesem Vorhaben Grenzwerte herausgearbeitet, ab denen bodenerodierende Prozesse initiiert werden, sowie solche, ab denen von einer Dynamisierung der Prozesse, insbesondere Rinnen- und Gully-Erosion, auszugehen ist. Dazu werden in drei Testgebieten im Hohen und Anti-Atlas eingezäunte Aufforstungsflächen mit ungeschützten Flächen auf verschiedenen Hangneigungen verglichen. Die Entwicklung der Bestandsdichten wird mit hochauflösenden CORONA-Satellitenbildern aus dem Jahr 1968 und großmaßstäbigen Luftbildern von 2017/18 quantifiziert, welche mit unbemannten Fluggeräten (UAVs) aufgenommen werden. Die Wuchsform der Bäume wird mit Structure from Motion (SfM)-Verfahren (3D-Modelle aus Multikopter-Aufnahmen) dokumentiert und klassifiziert. Untersuchungen zur Korngrößenverteilung, Aggregatstabilität, organischen Bodensubstanz und Bodennährstoffen sollen hypothesengeleitet den - mit steigendem Abstand der Bäume - sinkenden Einfluss der baumüberschirmten Fläche auf die erweiterten Zwischenbaumflächen aufzeigen. Mit Beregnungsversuchen und Infiltrationsmessungen werden Erodibilität und Infiltrationsvermögen der Zwischenbaumflächen in verschiedenen Degradationsstadien untersucht. Der Sedimentaustrag aus linearen Erosionsformen wird durch ein SfM-Monitoring mittels 3D-Modellen quantifiziert. Steinbedeckung und Viehwege lassen sich aus den selbst erstellten Luftbildern ermitteln. Viehzählungen und Interviews mit Schlüsselinformanten ergänzen die Kenntnisse über den Beweidungsdruck durch Schafe und Ziegen auf die Arganbestände. Anhand der Untersuchungen zur Degradation von Bestandsdichten, Zwischenbaum- und baumüberschirmten Flächen können die Arganbestände in mit Werten unterfütterte Stabilitätsklassen unterteilt werden. Die durch das Multi-Methoden-Konzept erarbeiteten Grenzwerte zeigen die Dynamisierung der Bodenerosionsprozesse unter Arganbeständen und belegen, dass bestimmte Erosionsprozesse verschiedenen Degradationszuständen der Fläche sowie unterschiedlichen Bestandsdichten zugeordnet werden können. Dies ist eine notwendige Voraussetzung für die nachhaltige Bewirtschaftung der Arganbestandsflächen.

Airglow-Forschung mit astronomischen Spektren

In der oberen Erdatmosphäre ab 70 km herrschen spezielle Bedingungen, die ein Leuchten im sichtbaren und infraroten Licht verursachen. Die Airglow genannten Emissionen werden durch solare extreme Ultraviolettstrahlung hervorgerufen, die Luftmoleküle zerstört und Atome ionisert. Daraufhin finden diverse chemische Reaktionen und physikalische Prozesse statt, die teilweise zur Lichtemission durch verschiedene Atome und Moleküle führen. Bedeutend sind z.B. die Beiträge durch Sauerstoff- und Natriumatome sowie Hydroxyl-, Sauerstoff- und Eisenoxidmoleküle. Airglow ist zeitlich und räumlich sehr variabel und die damit verbundenen komplexen Prozesse sind noch nicht vollständig verstanden.Die direkte Erforschung der oberen Atmosphäre ist schwierig, da nur Raketen diese Höhe erreichen können. Daher werden hauptsächlich erd- und satellitengebundene Fernerkundungsmethoden angewendet. Die verbreitetsten Messverfahren erfassen nur einen kleinen Teil des Lichtspektrums, womit viele der gleichzeitigen und teilweise verknüpften Emissionen nicht studiert werden können.Eine bisher wenig genutzte aber vielversprechende Methode zur Airglowmessung sind astronomische Spektren von bodengebundenen Teleskopen. Neben dem Licht vom astronomischen Objekt zeigen diese immer auch atmosphärische Emissionen. Für astronomische Anwendungen müssen diese Beiträge aufwändig entfernt werden, aber für die Atmosphärenforschung sind sie wertvoll, zumal die Spektrographen an großen Teleskopen besonders leistungsfähig sind. Speziell Instrumente, die einen großen Spektralbereich abdecken, erlauben simultane Messungen von vielen verschiedenen Airglowemissionen.Das geplante Projekt wird auf Aufnahmen verschiedener Spektrographen am Very Large Telescope in Nordchile und Apache Point Observatory in New Mexico basieren. Der volle Datensatz, beginnend im Jahr 2000, wird um die 100.000 Spektren umfassen. Er wird viel größer sein als alles was bisher unter Nutzung von astronomischen Daten zur Erdatmosphäre publiziert worden ist.Das Projektziel ist die Charakterisierung der zeitlichen Variationen aller beobachtbaren Airglowemissionen in der oberen Erdatmosphäre mit besonderen Fokus auf (1) Linienemissionen von Hydroxyl- und Sauerstoffmolekülen, besonders im Hinblick auf ihren Wert als Temperaturindikator für die Klimaforschung, (2) Kontinuumsemission von Metall- und Stickoxiden und (3) hochvariablen aber zumeist schwachen Linienemissionen in der Ionosphäre. Die Analyse wird auch Modell-, ergänzende Satelliten- und bodengestützte Daten berücksichtigen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse werden einen signifikanten Beitrag zum Verständnis der chemischen und physikalischen Prozesse in der oberen Atmosphäre, aber auch zur Atom- und Molekülphysik liefern. Mit besseren Modellen der Emissionen wird es auch möglich werden die natürliche Nachthimmelshelligkeit genauer abzuschätzen und astronomische Daten besser zu verarbeiten.

Wolkentröpfchenanzahlkonzentration aus mit Atmosphärenmodellierung verbesserten Satellitenbeobachtungen für die Analyse von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen

Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen führen zu einem effektiven Strahlungsantrieb, der eine der wesentlichen Unsicherheiten im Verständnis und der Interpretation des beobachteten Klimawandels darstellt. Globale Beobachtungen sind nötig, um die relevanten Prozesse besser zu quantifizieren, aber ein wesentlicher Parameter – die Wolkentröpfchenanzahlkonzentration (cloud droplet number concentration, CDNC, Nd) – ist nicht aus operationellen Produkten verfügbar. Auf Basis von substantiellen Vorarbeiten wird CDNC4aci auf verlässliche Satellitenprodukte für Nd hinarbeiten und hier auf einer engen Modell – Daten-Kombination aufbauen: seit Neuem verfügbare wolkenauflösende Simulationen instruieren die Weiterentwicklung der Satellitenprodukte, und umgekehrt werden die Daten genutzt, um das Verständnis und die Bestimmung der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen im Modell und in statistischer Analyse zu verbessern. Konkret wird das Modell Beobachtungen aus verschiedenen Winkel und der Polarisierung für bessere Nd-Produkte nutzen, dazu in den Ableitungsalgorithmen aus dem Modell synthetisierte vertikale Wolkenprofile für unterschiedene Wolkenregime implementieren, eingehend Produktfehler quantifizieren und korrigieren, und statistisch Aerosol-Wolken-Prozesse analysieren. Das Projekt wird in den Datenprodukten enthaltenen Informationen mit Hilfe von Modellsensitivitätsstudien bewerten, Modell und Daten mit Hilfe von Vorwärtsoperatoren kompatibel machen, und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen im globalen Klimamodell untersuchen, nachdem dieses mit Hilfe der neuen Daten evaluiert wurde. Diese Analysen zielen auf eine zwischen Daten und revidiertem Model konsistente und schlüssige Quantifizierung des Aerosol-Wolken-Strahlungsantrieb ab.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1488: Planetary Magnetism (PlanetMag), Probing the Earth's subdecadal core-mantle dynamics based on satellite geomagnetic field models

The CHAMP mission provided a great amount of geomagnetic data all over the globe from 2000 to 2010. Its dense data coverage has allowed us to build GRIMM - GFZ Reference Internal Magnetic Model - which has the highest ever resolution for the core field in both space and time. We have already modeled the fluid flow in the Earth's outer core by applying the diffusionless magnetic induction equation to the latest version of GRIMM, to find that the flow evolves on subdecadal timescales, with a remarkable correlation to the observed fluctuation of Earth rotation. These flow models corroborated the presence of six-year torsional oscillations in the outer core fluid. Torsional oscillation (TO) is a type of hydromagnetic wave, theoretically considered to form the most important element of decadal or subdecadal core dynamics. It consists of relative azimuthal rotations of rigid fluid annuli coaxial with the mantle's rotation and dynamically coupled with the mantle and inner core. In preceding works, the TOs have been studied by numerical simulations, either with full numerical dynamos, or solving eigenvalue problems ideally representing the TO system. While these studies drew insights about dynamical aspects of the modeled TOs, they did not directly take into account the observations of geomagnetic field and Earth rotation. Particularly, there have been no observation-based studies for the TO using satellite magnetic data or models. In the proposed project, we aim at revealing the subdecadal dynamics and energetics of the Earth's core-mantle system on the basis of satellite magnetic observations. To that end, we will carry out four work packages (1) to (4), for all of which we use GRIMM. (1) We perform timeseries analyses of core field and flow models, to carefully extract the signals from TOs at different latitudes. (2) We refine the conventional flow modeling scheme by parameterizing the magnetic diffusion at the core surface. Here, the diffusion term is reinstated in the magnetic induction equation, which is dynamically constrained by relating it to the Lorentz term in the Navier-stokes equation. (3) We develop a method to compute the electromagnetic core-mantle coupling torque on the core fluid annuli, whereby the energy dissipation due to the Joule heating is evaluated for each annulus. This analysis would provide insights on whether the Earth's TOs are free or forced oscillations. (4) Bringing together physical implications and computational tools obtained by (1) to (3), we finally construct a dynamical model for the Earth's TOs and core-mantle coupling such that they are consistent with GRIMM and Earth rotation observation. This modeling is unique in that the force balances concerning the TOs are investigated in time domain, as well as that the modeling also aims at improving the observation-based core flow model by considering the core dynamics.

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