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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.

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).

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 - 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.

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.

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.

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.

BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) 2019-2023 L2B Descending (WMTS)

Die vielfältige Geologie Deutschlands sowie die sich hieraus ergebende Nutzung sind Ursachen für verschiedenste Bodenbewegungen, wie z.B. Bodenkompaktion, Erdrutsche, Grundwasserentnahme, Erdgasförderung, (Alt-)Bergbau- und Kavernenspeicherbetrieb. Die Produkte des BodenBewegungsdienst Deutschland (BBD) basieren auf SAR Daten der Copernicus Sentinel-1 Mission und einer Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) Verarbeitung. Das BBD Portal enthält PSI Daten der gesamten Bundesrepublik Deutschland (ca. 360.000 km²). Die PSI Technologie ermöglicht präzise Messungen von Bewegungen der Erdoberfläche im mm Bereich. Die Messpunkte (Persistent Scatterer, PS) entsprechen bereits am Boden vorhandenen Objekten, wie z.B. Gebäuden, Infrastruktur oder natürlichen Objekten, wie Gesteinen und Schuttflächen. Jeder PS wird durch einen über mehrere Jahre gemittelten Geschwindigkeitswert (ausgedrückt in mm/Jahr) und eine Zeitreihe der Verschiebungen charakterisiert. Für jeden PS kann die Zeitreihe der Verschiebungen von der ersten Sentinel-1 Aufnahme bis zur letzten ausgewerteten Sentinel-1 Aufnahme eingesehen werden. Die PS werden nach der mittleren Geschwindigkeit entlang der Sichtlinie der Sentinel-1 Satelliten, Line of Sight (LOS), gemäß der folgenden Konvention im BBD Portal visualisiert: - die grüne Farbe entspricht den PS, deren mittlere Geschwindigkeit sehr gering ist, zwischen -2,0 und +2,0 mm/Jahr, d.h. im Empfindlichkeitsbereich der PSI Technologie; - in den Farben von gelb bis rot werden diejenigen PS mit negativer Bewegungsrate visualisiert, d.h. Bewegungen vom Satelliten weg; - mit den Farben von türkis bis blau werden diejenigen PS mit positiver Bewegungsrate visualisiert, d.h. PS die sich dem Satelliten nähern. Die Präzision der dargestellten PSI Daten liegt in der Größenordnung von typischerweise +- 2 mm/Jahr für die mittlere Geschwindigkeit in LOS.

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.

Zirkulation und Klimavariabilität im tropischen Indischen Ozean

Im Projekt 'Circulation and Climate of the Indian Ocean' (CICIO) wird beantragt, die Zirkulation des westlichen Südindischen Ozeans mit profilierenden Tiefendriftern (Typ APEX) zu untersuchen, die auf flachen Trajektorien (200 m und 400 m) mit den Wassermassen mittreiben und alle 10 Tage Profile von Temperatur und Salzgehalt bis 2000 m messen und über Satelliten (ARGOS) absetzen. ... Die Arbeiten haben folgende Zielsetzungen: - Verbesserte Kenntnis der mittleren Zirkulation; Verfolgung des durch die Indonesischen Passagen eindringenden Pazifik-Wassers sowie des in der Südhemisphäre im Winter bei Abkühlung in die Sprungschicht eingetragenen (subduzierten) Wassers mit dem Südäquatorialstrom nach Westen, anteilige Aufspaltung in Somalistrom bzw. Verlassen des subtropischen Indischen Ozeans nach Süden und damit auch ein Beitrag zur Bestimmung der Ankopplung des Indischen Ozeans an das Weltmeer. - Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Sprungschichtvariabilität im Auftrieb in der Auftriebszone bei 5-10 Grad S und deren Relevanz für die atmosphärische Variabilität. Diese Zone nimmt nach neuen Erkenntnissen eine Schlüsselrolle für die Niederschlagsvariabilität über Ostafrika ein. - Beitrag zu ARGO: Das Vorhaben soll auch ein deutscher Beitrag zum internationalen Programm ARGO ('Array for Real-time Geostrophic Oceanography') sein, mit dem in den kommenden drei Jahren derartige Floats alle Ozeane (mit einer geplanten Gesamtzahl von ca. 3000) abdecken sollen, um die Rolle des Ozeans für Klimaschwankungen besser verstehen zu können. Die Auswertung der Beobachtungen wird großteils in internationaler Absprache mit anderen ARGO-Gruppen des Indischen Ozeans (besonders USA und Frankreich) erfolgen.

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