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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).

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).

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions, Auswirkungen des geomagnetischen Feldes auf die vertikale Kopplung durch Schwerewellen in der Thermosphäre/Ionosphäre

Schwerewellen (GW) stellen nicht nur den zentralen Kopplungsmechanismus zwischen der unteren Atmosphäre und dem Thermosphäre/Ionosphäre (TI) System dar, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf das Erdklima. Ein Großteil der Schwerewellen hat ihren Ursprung in der Troposphäre. Durch ihre vertikale Ausbreitung übertragen sie Energie und Impuls zwischen den verschiedenen atmosphärischen Schichten. Ionenreibung und molekulare Viskosität sind die wichtigsten Dissipationsmechanismen der Schwerewellen in der TI. Magnetfeldschwankungen verändern die Brechungseigenschaften der Atmosphäre (großräumige Temperatur und Windfelder) und modulieren damit die Ionenreibung. Das Primärziel dieses Projektes ist die Erforschung und Quantifizierung der Einwirkungen der Magnetfeldvariationen auf die Ausbreitung und Wirkungsmechanismen der Schwerewellen, die aus der unteren Atmosphäre stammen, und die daraus resultierende dynamische Rückkopplung. Vor allem soll untersucht werden, ob Schwerewellen eine Verbindung zwischen dem Trend der Magnetfeldschwächung und der beobachteten starken Abkühlung der Thermosphäre herstellen können. Die Studie soll mit dem Coupled Middle Atmosphere Thermosphere-2 (CMAT2) genannten allgemeinen Zirkulationsmodell durchgeführt werden. Ein wichtiger Teil von CMAT2 ist die von uns entwickelte und implementierte state-of-the-art spektrale, nichtlineare GW Parametrisierung. Die Ergebnisse neuer numerischer Simulationen mit CMAT2 sollen mit schon vorhandenen und zukünftigen Beobachtungen, z.B. der SWARM Satelliten verglichen werden. Wir erwarten neben Fortschritten im fundamentalen Verständnis der Schwerewellenkopplung auch zu Verbesserungen von Weltraumwettervorhersagen beitragen zu können.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Untersuchung von Wolken und Niederschlag auf der Subkilometer-Skala mit HAMP - der Übergang zu leichtem Regen

Die Bildung von Niederschlag ist ein Schlüsselprozess in der Passatregion, um ein Regime von flacher Konvektion aufrechtzuerhalten, in dem das Wachstum der Grenzschicht und von konvektiven Wolken gehemmt wird. Dieser Effekt entscheidet mit darüber, wie diese Wolken auf die globale Erwärmung reagieren und ob sie den Klimawandel beschleunigen oder verzögern. Die Einflussfaktoren, die bestimmen ob eine flache Konvektionswolke zu regnen beginnt, sind bis heute nicht vollständig geklärt - insbesondere, weil umfassende, simultane Messdaten aller Einflussgrößen fehlen. Die EUREC4A Messkampagne ("Elucidating the Role of Cloud-Circulation Coupling in Climate") wird diese Beschränkung überwinden und erstmalig gleichzeitige Beobachtung der Makro- und Mikrophysik von Wolken, der großskaligen Dynamik und der zugrundeliegenden Energie- und Feuchteflüsse liefern. EUREC4A wird im Januar und Februar 2020 stattfinden und wird Wolken östlich von Barbados vermessen. Die Antragsteller sind Teil des internationalen Teams, das diese Kampagne initiiert hat, und werden das "HALO Microwave Package" (HAMP) bestehend aus einem Wolkenradar und Mikrowellenradiometern betreiben. Als Basis zur Beantwortung der wissenschaftlichen Fragen werden synergistische Verfahren zur Ableitung von Flüssig- und Regenwassergehalt entwickelt und eine Wolkendatenbank, in der bereits Daten der vorangegangen NARVAL-Kampagnen enthalten sind, erweitern. Diese Datenbasis wird sowohl zur Validierung von Satellitenprodukten als auch zur Evaluierung der nächsten Generation von Atmosphärenmodellen mit Maschenweitern zwischen 100 m und wenigen Kilometern eingesetzt.

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.

Forschergruppe (FOR) 1740: Ein neuer Ansatz für verbesserte Abschätzungen des atlantischen Frischwasserhaushalts und von Frischwassertransporten als Teil des globalen Wasserkreislaufs, The Atmospheric Side of the Freshwater Budget

The focus of this project is to analyse the observed surface freshwater fluxes through improved estimates of evaporation and precipitation and their individual error characteristics in the HOAPS climatology and its ground validation in climate-related hotspots of the Atlantic Ocean. To enable that in a consistent manner we propose to establish an error characterization of the HOAPS evaporation data by triple collocations with ship and buoy measurements and between individual satellites and to improve the error characterization of the HOAPS precipitation by analysing available shipboard disdrometer data using point to area statistics. After these improvements, an analysis of the spatio-temporal variability of the surface fresh water balance E-P over the Atlantic Ocean is planned, especially with respect to the Hadley circulation and the hotspot regions of interest to related WPs. Also the atmospheric water transport shall be analysed in order to find the source or target region of local fresh water imbalances. And finally, a consistent inter-comparison of the upcoming global ocean surface salinity fields from SMOS with freshwater fluxes from the HOAPS climatology is proposed.

The ESA Earth System Model 3.0

The ESA Earth System Model (ESA ESM) provides a synthetic data set of the time-variable global gravity field that includes realistic mass variations in atmosphere, oceans, terrestrial water storage, continental ice sheets, and the solid Earth on a wide set of spatial and temporal frequencies. For more than 10 years already, it is widely applied as a source model in end-to-end simulation studies for future gravity missions, but has been also utilized to study novel gravity observing concepts on the ground. For those purposes, the ESM needs to include a wide range of signals even at very small spatial scales which might not yet have been reliably observed by any active satellite mission. The updated ESA ESM 3.0 improves upon its predecessor by utilizing ECMWF’s ERA5 atmospheric reanalysis along with dedicated simulated ocean bottom pressure data from the MPIOM ocean model. In addition, it offers a small ensemble of co- and post-seismic earthquake signals, an updated GIA model, additional ice mass balance signals from previously not considered Arctic glaciers, sub-monthly surface-mass balance changes and a more realistic representation of ice sheet dynamics. Extreme hydrometeorological events as well as climate-driven and anthropogenic impacts on continental water storage are represented through an update of the hydrological component. Additionally, the ESM separately includes ocean bottom pressure variations along the western slope of the Atlantic, representing variations in the meridional overturning circulation as a critically important component of the interactively coupled global climate system as well as estimated trend signals from sediment erosion and subsequent marine deposition. The ESA ESM 3.0 is available with a 6-hourly resolution from January 2007 until December 2020 in the from of Stokes coefficients up to degree and order 180.

Nachtaufnahme Hamburg

Bei dieser Nachtaufnahme handelt es sich um ein Mosaik, welches aus zwei unterschiedlichen Datensätzen besteht. Datensatz 1 [Zentrum und Randgebiete] - Satellitenaufnahmen: Jilin-1 - Spektrale Auflösung: RGB - Aufnahmezeitraum: 12/21 – 01/22 - Quelle: Chang Guang Satellite Technology CO., LTD (CGSTL)/Veritas Imagery Services Ltd Datensatz 2 [vereinzelte Randgebiete] - Astronautenphotographie: NASA - Spektrale Auflösung: RGB - Aufnahmezeitraum: 03/22 - Quelle: Earth Science and Remote Sensing Unit, NASA Johnson Space Center; https://eol.jsc.nasa.gov/ Hinweise: Die Datensätze unterscheiden sich hinsichtlich ihrer geometrischen Auflösung. Die Datensätze sind spektral nicht zueinander kalibriert. Verwendung nur zu Visualisierungszwecken.

Sentinel-5P TROPOMI Surface Nitrogendioxide (NO2), Level 4 – Regional (Germany and neighboring countries)

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 displays the Nitrogen Dioxide (NO2) near surface concentration for Germany and neighboring countries as derived from the POLYPHEMUS/DLR air quality model. Surface NO2 is mainly generated by anthropogenic sources, e.g. transport and industry. POLYPHEMUS/DLR is a state-of-the-art air quality model taking into consideration - meteorological conditions, - photochemistry, - anthropogenic and natural (biogenic) emissions, - TROPOMI NO2 observations for data assimilation. This Level 4 air quality product (surface NO2 at 15:00 UTC) is based on innovative algorithms, processors, data assimilation schemes and operational processing and dissemination chain developed in the framework of the INPULS project. The DLR project INPULS 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.

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