Universität zu Köln

Walbröl, Andreas ORCID: 0000-0003-2603-2724 (2025). Assessing water vapour from state-of-the-art observations and models in the central Arctic and the impact of inversions on downwelling longwave radiation. PhD thesis, Universität zu Köln.

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• Assessing water vapour from state-of-the-art observations and models in the central Arctic and the impact of inversions on downwelling longwave radiation. (deposited 13 Mar 2025 10:25) [Currently Displayed]

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Abstract

Observations have revealed that the rapidly warming Arctic is also moistening in certain regions and seasons. As water vapour is the strongest greenhouse gas, it contributes to the enhanced warming of the Arctic via the water vapour feedback. Water vapour estimates are uncertain in the Arctic due to the low amount of ground stations and challenges in satellite remote sensing. Thus, it is not surprising to see uncertainties in water vapour trends across reanalyses, which use these observations. In contrast to lower latitudes, Arctic humidity profiles feature inversions where the specific humidity increases with height. The representation of humidity inversions in current models and satellite products and the radiative effect of humidity inversions is poorly studied. Furthermore, the ability of ground-based microwave radiometers (MWRs) to capture humidity inversions has yet to be analyzed. The year-long Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition in the Arctic Ocean provides excellent reference water vapour observations to evaluate the water vapour products of models and satellites. Radiosonde observations are complemented by two MWRs with complementary water vapour sensitivity. The first part of this thesis includes two studies to quantify the benefit of the synergy of the two MWRs for water vapour products compared to the use of single MWRs. In the first study, the measurements of each MWR were quality controlled and atmospheric parameters, including coarse humidity profiles and integrated water vapour (IWV), were retrieved using regression and Neural Networks. The single MWR retrievals were evaluated with the MOSAiC radiosondes. In the second study, measurements from both MWRs were combined in a Neural Network approach to exploit their complementary moisture sensitivity. The synergy benefit was determined by comparing the errors computed in the synergy evaluation to those of the single MWR retrievals. The synergy reduces lower tropospheric specific humidity errors by 50 % and the root mean squared error of IWV by 15 % over a wide atmospheric moisture range. Additionally, the vertical resolution of the specific humidity profile is improved by a factor of two in the lower troposphere. In the second part of the thesis, the water vapour products from the MWR synergy and the radiosondes were used as reference to evaluate the water vapour from four state-of-the-art models (two global reanalyses, a regional and a global weather forecast model) and two satellite products. A particular focus was on analyzing the representation of humidity inversions with respect to radiosondes. Strong negative IWV and specific humidity biases in moist conditions were found for the satellite data. The models underestimate the lower tropospheric specific humidity in the cold seasons, except for the lowest 100 m. The presence of surface-based inversions is well captured by the models and the MWR synergy but not by the satellite observations. Elevated inversions are missed by both the MWR synergy and satellite observations. Additionally, all tested data sets tend to underestimate the number of inversions per profile and the inversion strength but overestimate the vertical extent (depth) of inversions. Then, radiative transfer simulations for clear sky cases were used to analyze the sensitivity of downwelling longwave radiation (DLR) to water vapour within humidity inversions. Therefore, the radiative effect of humidity inversions was also quantified. The sensitivity tests with artificial humidity inversion strength modifications revealed that in most cases the radiation emitted from water vapour within an inversion only has a notable impact on DLR when the inversion is located in the lower troposphere. In most of the clear sky cases, the surface-based inversion contributed 60-100 % to the total radiative effect of humidity inversions, which can reach up to 16 W m-2. Additionally, we quantified DLR deviations resulting from using specific humidity profiles of the different models and observations (ground- and space-based) as input to the radiative transfer simulations. With the DLR based on the radiosonde profiles as reference, DLR deviations exceed 5 W m-2 in some cases but are mostly lower. The humidity profiles of the MWR synergy resulted in one of the smallest DLR deviations, demonstrating the high quality of the MWR humidity profiles. The deviations could be equally attributed to differences in lower tropospheric specific humidity and IWV. The results suggest that the IWV and the lower tropospheric specific humidity, and therefore the near-surface humidity inversions, are equally important for accurate DLR calculations.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Beobachtungen haben ergeben, dass die sich rapide erwärmende Arktis in gewissen Regionen und Jahreszeiten ebenfalls feuchter wird. Wasserdampf, welches das stärkste Treibhausgas ist, trägt zur schnellen Erwärmung der Arktis durch den Wasserdampfrückkopplungseffekt bei. Wasserdampfschätzungen sind aufgrund der geringen Anzahl an Bodenstationen und Schwierigkeiten in der Satellitenfernerkundung unsicher. Daher überrascht es nicht, dass Wasserdampftrends ebenfalls in verschiedenen Reanalysen, die jene Beobachtungen mitverwenden, unsicher sind. Im Gegensatz zu niedrigeren Breitengraden zeichnen sich arktische Feuchteprofile durch Inversionen aus, bei denen die spezifische Feuchte mit der Höhe zunimmt. Die Repräsentation von Feuchteinversionen in aktuellen Modellen und Satellitenprodukten, sowie der Strahlungseffekt von Feuchteinversionen wurde bislang nur wenig untersucht. Des Weiteren wurde die Fähigkeit von bodengebundenen Mikrowellenradiometern (MWR) Feuchteinversionen zu erfassen noch nicht analysiert. Die ganzjährige Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) Expedition in der Arktis bietet exzellente Referenz-Wasserdampfbeobachtungen für die Evaluierung von Wasserdampfprodukten von Modellen und Satelliten. Beobachtungen von Radiosonden werden durch zwei MWR, die komplementäre Feuchtigkeitssensitivitäten haben, ergänzt. Der erste Teil der Dissertation umfasst zwei Studien, die zur Quantifizierung des Vorteils der Synergie der zwei MWR für Wasserdampfprodukte gegenüber der Verwendung einzelner MWR beitragen. In der ersten Studie wurde die Qualität der Messungen jedes MWR kontrolliert und atmosphärische Parameter, darunter grobe Feuchteprofile und der integrierte Wasserdampfgehalt, mithilfe von Regression und neuronalen Netzwerken abgeleitet. Die individuellen MWR Produkte wurden mittels der MOSAiC Radiosonden evaluiert. In der zweiten Studie wurden die Messungen beider MWR mit neuronalen Netzwerken kombiniert, um deren komplementäre Feuchtigkeitssensitivitäten zu nutzen. Der Vorteil der Synergie wurde durch den Vergleich der durch die Evaluierung bestimmten Fehler der Synergie mit denen der individuellen MWR ermittelt. Die Synergie reduziert den Fehler der spezifischen Feuchte in der unteren Troposphäre um 50 % und die Wurzel der mittleren Fehlerquadratsumme des integrierten Wasserdampfgehalt um 15 % über einen weiten atmosphärischen Feuchtebereich. Zudem wurde die vertikale Auflösung der spezifischen Feuchteprofile in der unteren Troposphäre um einen Faktor 2 verbessert. Im zweiten Teil der Dissertation wurden die Wasserdampfprodukte der MWR Synergie, sowie die Radiosondenbeobachtungen als Referenz genutzt, um Wasserdampf von vier aktuellen Modellen (zwei globale Reanalysen, ein regionales und ein globales Wettervorhersagemodell) und zwei Satellitenprodukten zu evaluieren. Ein Schwerpunkt liegt auf der Analyse der Repräsentation von Feuchteinversionen im Vergleich zu Radiosonden. Für die Satellitendaten wurde eine starke Tendenz zu negativen Abweichungen des integrierten Wasserdampfgehalts und der spezifischen Feuchte in feuchten Bedingungen gefunden. Die Modelle unterschätzen die spezifische Feuchte in der unteren Troposphäre, abgesehen von den untersten 100 m, in den kalten Jahreszeiten. Die Präsenz von bodengebundenen Inversionen wird von den Modellen und der MWR Synergie gut dargestellt, allerdings nicht von den Satellitenbeobachtungen. Höher liegende Inversionen werden sowohl von der MWR Synergie, als auch von den Satellitenbeobachtungen nicht erfasst. Zudem tendieren alle getesteten Datensätze dazu, die Anzahl an Inversionen in einem Profil und die Inversionsstärke zu unterschätzen, während die vertikale Erstreckung der Inversionen (Tiefe) überschätzt wird. Anschließend wurden Strahlungstransportsimulationen in wolkenfreien Fällen verwendet, um die Sensitivität von nach unten gerichteter langwelliger Strahlung (ULS) zu Wasserdampf innerhalb von Feuchteinversionen zu untersuchen. Somit wurde ebenfalls der Strahlungseffekt von Feuchteinversionen quantifiziert. Die Sensitivitätstests mit künstlichen Veränderungen der Feuchteinversionsstärke ergaben, dass die Strahlung, die von Wasserdampf innerhalb der Inversion emittiert wurde, in den meisten Fällen nur einen merklichen Effekt auf die ULS hat, wenn sich die Inversion in der unteren Troposphäre befindet. In den meisten der wolkenfreien Fälle trägt eine bodengebundene Inversion 60-100 % zum gesamten Strahlungseffekt von Feuchteinversionen bei, der Werte bis zu 16 W m-2 erreichen kann. Des Weiteren wurden ULS Abweichungen quantifiziert, die sich durch die spezifischen Feuchteprofile der verschiedenen Modelle und Beobachtungen (bodengebunden und weltraumgestützt) ergeben, wenn diese als Eingangsparameter in den Strahlungstransportsimulationen verwendet werden. ULS Abweichungen, gegenüber der ULS basierend auf den Radiosondenprofilen, können in manchen Fällen mehr als 5 W m-2 betragen, liegen aber meist darunter. Die Feuchteprofile der MWR Synergie ergeben mit die geringsten ULS Abweichungen, was die hohe Qualität der MWR Feuchteprofile demonstriert. Die Abweichungen konnten gleichermaßen auf Unterschiede in der niedertroposphärischen spezifischen Feuchte und im integrierten Wasserdampfgehalt zurückgeführt werden. Den Ergebnissen entsprechend sind der integrierte Wasserdampfgehalt und die niedertroposphärische spezifische Feuchte, und damit die bodennahen Feuchteinversionen, gleichermaßen wichtig für akkurate ULS Berechnungen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Walbröl, Andreas a.walbroel@uni-koeln.de orcid.org/0000-0003-2603-2724 UNSPECIFIED
Corporate Creators:	Institute for Geophysics and Meteorology, University of Cologne
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-752375
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Arctic English water vapour English atmospheric remote sensing English microwave radiometer English retrieval English neural networks English multilayer perceptron English evaluation English reanalysis English satellite English infrared radiation English
Date of oral exam:	11 December 2024
Referee:	Name Academic Title Crewell, Susanne Prof. Dr. Löhnert, Ulrich Prof. Dr.
Open access funding:	Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation)
Projects:	Transregional Collaborative Research Centre TR 172 on Arctic amplification: Climate Relevant Atmospheric and Surface Processes, and Feedback Mechanisms
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/75237