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Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Langwelliger Strahlungsantrieb durch Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen: Satelliten und Klimamodelle im Vergleich zu HALO

Der Strahlungsantrieb durch anthropogene Aerosole aufgrund von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen ist die Hauptunsicherheit bezüglich des Antriebs des Klimawandels. Für Flüssigwasserwolken, die den Strahlungsantrieb im solaren (kurzwelligen) Spektrum dominieren, konnten mittlerweile einige Fortschritte in der Quantifizierung erzielt werden. Im Gegensatz dazu gibt es für den Strahlungsantrieb im langwelligen (terrestrischen) Spektralbereich nur sehr grobe Abschätzungen von Klimamodellen. In Vorarbeiten haben wir einen Vorschlag entwickelt, wir aktive Fernerkundung zur Charakterisierung von Eiskristallkonzentrationen und Aerosol benutzt werden könnte, um eine beobachtungsbasierte Abschätzung des Strahlungsantriebs durch Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen im langwelligen Spektrum zu ermöglichen. Allerdings sind die Satellitendaten höchst unsicher und benötigen eine Validierung mit Referenzdaten. In FLASH wird vorgeschlagen, (i) die Satelliten-abgeleitete Eiskristallkonzentration sowie ihre Sensitivität bezüglich Temperatur, Vertikalwind und Aerosolbedingungen mit den neuen In-situ-Daten von HALO zu validieren bzw. evaluieren, (ii) die Ableitung der Eiskristallkonzentration vom Satelliten mit der von Lidar und Radar an Bord von HALO zu verifizieren, (iii) Klimamodelle zu evaluieren und zur Interpretation der statistischen Relationen zu benutzen, und (iv) schließlich eine Abschätzung des Strahlungsantriebs durch Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und seines Unsicherheitsbereichs zu erarbeiten. Die Rolle von FLASH im SPP 1294 ist es, die vorhandenen Daten auszuwerten und mit den Daten geplanter Kampagnen in integrierender Weise zu arbeiten mit dem Ziel, eine bessere Abschätzung des Aerosol-Wolken-Strahlungsantriebs zu erreichen, neue innovative Satellitendaten zu validieren, und die relevanten Parametrisierungen in Klimamodellen zu evaluieren und zu verbessern.

Trajectories and sensor data from drifter deployment number 12 during MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE cruise HE644

During cruise HE644 (joint campaign of MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE), Lagrangian surface drifters (Meyerjürgens et al., 2019; Deyle et al., 2024) were deployed from MS FRITZ REUTER, following the near-surface water motion, therefore allowing for observations within a moving water mass over extended periods with minimal disturbance to the surrounding water. Coordinates of the drifter position were transmitted by a GPS satellite tracker (inReach® Messenger from Garmin Ltd.) at two-minute intervals. Position data was processed after Deyle et al. (2024) and is available on minutely resolution in this dataset. For original trajectories see "<DOI>". In addition, the drifters were equipped with (down to 1.75 m depth) instrument chains including temperature and lightweight CTD (conductivity, temperature, depth) sensors. Depth in water was only recorded by RBRbrevio³ sensors, for others the depth was measured during sensor chain preparation and saved in the data array as fixed depth. The in situ temperature was recorded at up to six different depths using RBRsolo³, RBRbrevio³ (both sample frequency 1-2 Hz) and Aqua TROLL® 100 sensors (sample frequency 1 min-1). Conductivity was measured at up to three different depths, using RBRbrevio³ and Aqua TROLL® 100 sensors. RBR sensors were calibrated to a measurement uncertainty of ± 0.002 °C and ± 0.003 mS cm-1, whereas the TROLL sensors have a measurement uncertainty of ± 0.1 °C and ± 0.5%. For details on the sensor data processing see the appropriate processing report.

Sentinel-5P TROPOMI - Aerosol Single-Scattering Albedo (ASSA), Level 3 - Global

Aerosol single-scattering albedo (ASSA) as derived from TROPOMI observations. ASSA is a measure of how much light is scattered by aerosols compared to how much is absorbed. It is important for understanding the impact of aerosols on climate and radiative forcing. ASSA is unitless; a value of unity implies that extinction is completely due to scattering; conversely, a single-scattering albedo of zero implies that extinction is completely due to absorption. Daily ASSA 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.

METOP GOME-2 - Ozone (O3) - Global

Gridded Level 3 ozone column densities derived from the Metop/GOME-2-instruments. In the stratosphere – where the majority of the total O3 amount is located - O3 plays an vital role for the UV protection. In the troposphere O3 is generated by chemical processes caused by natural and anthropogenic emission of NO2 and volatile organic components (VOCs) (e.g. HCHO). Direct exposure to O3 is harmfull for humans and our environment. The total O3 column is retrieved from GOME solar back-scattered measurements in the uv wavelength region 325-335nm [using the DOAS method]. To determine the AMF an iterative process is applied, the assumed profile depends on the latitude, month, but also on the total column. 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).

Updated global compilation of coccolithophore calcification measurements from unperturbed water samples including ancillary data

This database expands the Poulton et al., 2018 (doi:10.1594/PANGAEA.888182) database of pelagic calcium carbonate (CP) rate measurements from isotopic tracer uptake in incubated discrete water samples, as discussed in Daniels et al., 2018 (doi:10.5194/essd-10-1859-2018), and accompanies Marsh et al. (in prep.). The database now includes more CP (new data n = 400; complete database n = 3165), net primary production rate (PP) (new data n = 399; complete database n = 3150), total coccolithophore cell counts (new data n = 240; complete database n = 1512), and Emiliania huxleyi cell counts (new data n = 27; complete database n = 612). This expanded database maintains the record of data, including the principal investigator, expedition, OS region, doi reference (where available), collection date and year, sample ID, latitude, longitude, sampling and light depth, and method of measuring CP. We further expand the Poulton et al. (2018) data collection by including ancillary and environmental data, including: optical depth (OD, n = 3165), pHtotal (hereinafter referred to as pHT, n = 398), temperature (n = 1160), salinity (n = 1161), and the concentrations of chlorophyll a (n = 1363), NOx (NO3 or the sum of NO3 + NO2, n = 1161), silicic acid (Si(OH)4, n= 1156), phosphate (PO4, n = 1232), dissolved inorganic carbon (DIC, n = 318), total alkalinity (TA, n = 307), bicarbonate ion concentration (n = 349), and carbonate ion concentration (n = 352). All data was matched to CP, sample bottle identifiers (Niskin bottle numbers), and/or sampling depth values. This global database (81 °N - 64 °S, 132 °E - 174 °W) now covers expeditions and upper ocean measurements (0 - 193 m) from 1989 to 2024. Global in-situ geolocated data spanning time is valuable for modelling, satellite algorithms, and capturing calcium carbonate production in the global ocean. This expanded database, including the environmental, nutrient, chlorophyll a, and carbonate chemistry data, also allows for analysis of factors influencing calcium carbonate production on a global scale. This data amalgamation contributes to understanding the biogeochemistry of the oceans, global carbon cycle, and ocean acidification.

GTS Bulletin: IUTG14 EDZW - Observational data (Binary coded) - BUFR (details are described in the abstract)

The IUTG14 TTAAii Data Designators decode as: T1 (I): Observational data (Binary coded) - BUFR T1T2 (IU): Upper air T1T2A1 (IUT): (used for satellite-derived sondes – see Note 3) A2 (G): 180° - 90°E tropical belt (Remarks from Volume-C: (CBS)SATELLITE RADIO OCCULTATION DATA)

GTS Bulletin: IUTJ14 EDZW - Observational data (Binary coded) - BUFR (details are described in the abstract)

The IUTJ14 TTAAii Data Designators decode as: T1 (I): Observational data (Binary coded) - BUFR T1T2 (IU): Upper air T1T2A1 (IUT): (used for satellite-derived sondes – see Note 3) A2 (J): 90°W - 180° southern hemisphere (Remarks from Volume-C: (CBS)SATELLITE RADIO OCCULTATION DATA)

Süßwasserflüsse über dem Ozean I - Verdunstungsflüsse (FreshOcean)

Die Veränderung des globalen Wasserkreislaufs durch den Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen für die Gesellschaft, da trockene Regionen trockener und feuchte Regionen feuchter werden. Das Problem besteht darin, dass 85 % der Verdunstung und 77 % der Niederschläge über den Ozeanen stattfinden und der globale Wasserkreislauf aufgrund der schwierigen Beobachtungsbedingungen über den Ozeanen nur unzureichend verstanden wird. Der Austausch von Süßwasser zwischen dem Ozean und der Atmosphäre findet jedoch in einer obersten dünnen Schicht der Meeresoberfläche statt, den so genannten Oberflächenfilm. Die Verdunstung von Wasserdampf aus den Oberflächenfilmen erhöht deren Salzgehalt, während der Niederschlag den Salzgehalt in den Oberflächenfilmen verringert. Das Hauptziel dieses Forschungsprojekts ist ein umfassendes Verständnis der Dynamik und der Veränderungen des Salzgehalts und der damit zusammenhängenden thermischen Felder in den ozeanischen Oberflächenfilmen und der oberflächennahen Schicht (NSL) sowie deren Zusammenhang mit den verdunstenden Süßwasserflüssen zu erzielen. Einer der Hauptpunkte dieser Arbeit ist, dass Süsswasserflüsse (Verdunstung minus Niederschlag) direkt auf die Meeresoberfläche einwirkt und daher vorwiegend den Salzgehalt der Oberflächenfilme quasi-instant beeinflusst, während die derzeitigen Methoden, die den Salzgehalt der gemischten Schicht verwenden, sich auf dekadischen Skalen beziehen. Eine umfassende Reihe von Experimenten wird in einer großmaßstäblichen Mesokosmenanlage an der Universität Oldenburg durchgeführt, in der die treibenden Kräfte für die Verdunstung kontrolliert werden können (Wassertemperatur, Windgeschwindigkeit, turbulente Vermischung, Lufttemperatur und -feuchtigkeit). Im Mittelpunkt steht eine Expedition in den Mittelatlantik mit seinem hohen Oberflächensalzgehalt, d. h. Verdunstungsraten übersteigen die Niederschlagsraten. Während der Expedition kommt ein funkgesteuertes Katamaran zum Einsatz, der in der Lage ist, Oberflächenfilme zu sammeln. Die Beobachtungen werden durch Messungen von Bojen, schiffsbasierten Messungen und Satelliten unterstützt. Die Arbeiten ergänzen die laufenden Aktivitäten zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen dem Salzgehalt der Oberflächenfilme und den Niederschlägen. Diese Arbeit ist ein erster Schritt, um zu verstehen, wie der Salzgehalt der Oberflächenfilme und der oberflächennahe Salzgehalt verwendet werden können, um dynamische Süsswasserflüsse zu integrieren und Parametrisierungen zur Extrapolation von Süsswasserflüssen unter Verwendung von satellitengestützten Salzgehaltsdaten zu entwickeln.

Langzeitvariation der stratospherischen Aerosolextinktion und der Aerosolteilchengrößen bei mittleren und hohen nördlichen Breiten

Stratosphärisches Sulphataerosol ist von großer Bedeutung für das Klimasystem, weil es solare Strahlung streut und damit die planetare Albedo der Erde erhöht. Es ist außerdem wichtig für die Chemie der Stratosphäre, weil die Aerosolpartikel an der Chloraktivierung - sogar außerhalb der Polarwirbel - sowie bekanntermaßen an der Bildung polarer stratosphärischer Wolken beteiligt sind. Darüber hinaus ist stratosphärisches Aerosol laut dem 5. Sachstandsbericht des Intergovernmental Panel on Climate Change mitverantwortlich für die gegenwärtige Erwärmungspause. Boden-gestützte Lidar-Beobachtungen stellen eine der genauesten Methoden zur Fernerkundung stratosphärischer Aerosole dar. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Forschungsprojekts sollen Lidar-Messungen an 3 unterschiedlichen Orten - die bisher noch nicht zur Untersuchung stratosphärischer Aerosole verwendet wurden - genutzt werden. Die Lidar Systeme werden vom Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) e.V. an der Universität Rostock in Kühlungsborn betrieben und befinden sich im ALOMAR Observatorium in Andenes (Norwegen), auf der Davis Forschungsstation (Antarktis), sowie in Kühlungsborn. Zwei der Lidar-Messreihen decken gegenwärtig einen Zeitraum von 20 Jahren ab und die Lidar-Messungen in Alomar werden bei mehreren Wellenlängen durchgeführt, was die Ableitung von Teilchengrößen der stratosphärischen Aerosolpartikel erlaubt. Ein Alleinstellungsmerkmal der Lidar-systeme ist ihre Tageslichtfähigkeit, d.h., die Messungen können nicht nur nachts durchgeführt werden, was erstmals die Messung stratosphärischer Aerosole im polaren Sommer erlaubt. Die Lidar-Rohdaten werden in der ersten Phase des Projekts in vertikale Profile des Rückstreukoeffizienten und/oder der Aerosolextinktion konvertiert. Darüber hinaus werden aus den Mehrfarbenmessungen in ALOMAR Aerosolteilchengrößen bestimmt. In der zweiten Projektphase werden die abgeleiteten Aerosolzeitreihen verwendet, um deren zeitliche Variabilität sowie Langzeittrends über einen Zeitraum von mehr als 20 Jahren zu untersuchen und zu quantifizieren. Hierbei spielen saisonale Variationen, Einflüsse der QBO (Quasi-Biennial-Oscillation) und von Vulkanausbrüchen eine entscheidende Rolle. Die abgeleiteten Aerosolteilchengrößen liefern außerdem dringend benötigte Randbedingungen für die Ableitung der stratosphärischen Aerosolextinktion aus Satellitenmessungen des Horizont-gestreuten Sonnenlichts. Diese Messmethode wurde in der Vergangenheit zur Auswertung verschiedener Satellitendatensätze (z.B. OSIRIS/Odin, SCIAMACHY/Envisat, OMPS-LP/Suomi) verwendet und basiert auf a priori Wissen der Größenverteilung stratosphärischer Aerosole. Die zu erwartenden Ergebnisse liefern wichtige neue Kenntnisse über die Variabilität und Langzeittrends stratosphärischer Aerosolparameter (Extinktion, optische Dichte und Teilchengröße) sowie des Strahlungsantriebs des stratosphärischen Aerosols in mittleren und hohen nördlichen Breiten und über dekadische Zeitskalen.

Messung der horizontalen und vertikalen Verteilung von Luftschadstoffen in Wien

Das übergeordnete Ziel des geplanten Projektes besteht darin, vom Menschen verursachte Luftverschmutzung in Ballungsräumen besser zu verstehen. Die Untersuchung von Stickstoffdioxid (NO2) und Aerosolen wird sich dabei auf spektrale Messungen mit zwei MAX-DOAS (Multi-Axiale Differentielle Optische Absorptionsspektroskopie) Instrumenten an zwei verschiedenen Standorten in Wien stützen. Die MAX-DOAS Methode wird zur Messung von Streulicht in verschiedenen Blickrichtungen verwendet, aus denen die horizontale und vertikale Verteilung von Spurengasen und Aerosolen in der Troposphäre abgeleitet werden kann. Die Datenauswertung wird sich auf eine schnelle geometrische Annäherung sowie die exaktere Methode der Optimal Estimation stützen und troposphärische Säulen und Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen ergeben. Die Vertikalprofile liefern eine wichtige Datengrundlage, die für den Vergleich mit bestehenden in-situ Messungen verwendet werden kann. Die aus den MAX-DOAS Messungen abgeleiteten troposphärischen Vertikalsäulen ermöglichen zusammen mit meteorologischen Messungen (z.B. Windgeschwindigkeit, Windrichtung) die Überwachung von Luftschadstoffen über städtischem Hintergrund, stark befahrenen Straßen, und industriellen Punktquellen auf horizontaler Ebene. Die geplanten Langzeitmessungen (über zwei Jahre) liefern einen wertvollen Datensatz für die Analyse der zeitlichen Variabilität von Luftschadstoffen (NO2 und Aerosole) über Wien. Ein Vergleich der in Wien erhobenen Daten mit vergleichbaren MAX-DOAS Messungen in Athen, Griechenland, oder Bremen, Deutschland, wird Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den verschmutzten Standorten mit andersartigen meteorologischen und photochemischen Bedingungen aufzeigen. Die troposphärischen NO2-Säulen ermöglichen die Validierung von Satellitenmessungen der OMI, GOME-2, und TROPOMI Instrumente sowie den Vergleich mit Modellsimulationen (z.B. aus dem COPERNICUS Atmosphärenbeobachtungsdienst). Da sich bei den beiden Messgeräten Blickfelder einzelner azimutaler Richtungen teilweise überschneiden und die ergänzenden Messungen von in-situ Instrumenten eine Vielzahl an Information zur räumlichen Ausbreitung von NO2 bieten, soll versucht werden, ein räumlich aufgelöstes Bild der Luftverschmutzung über Wien mit Hilfe der tomographischen Darstellung zu entwickeln. Die Ergebnisse des Projektes werden wichtige Erkenntnisse zur horizontalen und vertikalen Ausbreitung von NO2 und Aerosolen liefern. Neben der Verbesserung der troposphärischen NO2 Auswertung werden die Ergebnisse wichtige Daten für Atmosphärenmodelle bereitstellen, da die Vertikalprofile von NO2 und Aerosolen eine nützliche Ergänzung zu den Punktmessungen von in-situ Messgeräten darstellen.

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