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| Da Wasserdampf eine Schlüsselrolle in vielen atmosphärischen Prozessen auf unterschiedlichen Skalen, einschließlich Wolkenbildung und Niederschlag, spielt, ist er sowohl räumlich als auch zeitlich sehr variabel. Die Charakterisierung und Quantifizierung seiner Variabilität ist wesentlich für die Verbesserung von Parametrisierungen von Prozessen, die von Klima- und Wettervorhersagemodellen nicht aufgelöst werden können, sowie für die Evaluierung von hoch auflösenden Simulationen. In der vorliegende Arbeit liegt de Schwerpunkt auf der Charakterisierung und Quantifizierung der Variabilität von integriertem Wasserdampf (IWV) auf Skalen von Meso-α bis Meso-γ in Deutschland.
Zuallererst wird ein Messinstrumentenvergleich für den zweimonatigen Zeitraum des High Definition Clouds and Precipitation for advancing Climate Prediction (HD(CP)^2) Observational Prototype Experiments (HOPE) durchgeführt um eine realistische Fehlerabschätzung für die einzelnen Instrumente zu geben. Die Kampagne fand vom 1. April bis zum 31. Mai 2013 am Forschungszentrum Jülich (FZJ) in Deutschland (50,9°N, 6,4°E) statt. Während dieser zwei Monate wurde die standardmäßige Geräteausstattung des Jülich ObservatorY for Cloud Evolution (JOYCE), die eine Global Positioning System (GPS) Antenne des GeoForschungsZentrums Potsdam, ein scannendes Mikrowellenradiometer (MWR) und ein Sonnenphotometer des Aerosol Robotic Network (AERONET) einschließt, ergänzt um regelmäßige Radiosondenaufstiege und vier weitere MWR, wobei alle Geräte in einer Entfernung von weniger als 4 km zueinander positioniert wurden. Zusätzlich zu den bodengebundenen Messungen, stehen IWV Abschätzungen von zwei Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) Produkten, aus Messungen im infraroten und nahem infraroten Bereich, von Satellitenüberflügen zur Verfügung, die Information mit einer räumlichen Auflösung von jeweils 1 und 3 km liefern. Der Vergleich zeigt eine gute Übereinstimmung im Hinblick auf Standardabweichung (≤ 1 kg m^− 2) und Korrelationskoeffizienten (≥ 0, 98) mit Ausnahme von MODIS, das unter unzureichender Wolkenfilterung leidet.
Basierend auf den Ergebnissen des Vergleichs, werden Messungen des Deutschlandweiten GPS Netzwerks zur Evaluierung zweier neuartiger COSMO Reanalysen — COSMO-REA2 und COSMO-REA6 — verwendet um ihre Darstellung des IWV zu bewerten. Die zwei hoch
auflösenden COSMO Reanalysen weisen einen deutlich geringeren Median über alle GPS Stationen der Standardabweichung (1,6 kg m^− 2) auf als ERA-Interim (2,4 kg m^−2). In diesem Zusammenhang wird außerdem gezeigt, dass eine vollständige Reanalyse einem dynamischen Downscaling, dass weniger rechenzeitintensiv ist, überlegen ist.
Für die Untersuchung der Variabilität von IWV werden mehrere Methoden angewandt. Die Analyse der Autokorrelation von GPS Messungen und COSMO-REA6 Simulationen zeigt die Bedeutung
synoptischer Prozesse auf der Meso-α-Skala. Die Analyse der Spektraldichte zeigt eine deutliche jahreszeitliche Abhängigkeit der IWV Variabilität. Auf Meso-γ-Skalen zeigen die Standardabweichungen von IWV, gemessen mit einem MWR, sogar auf Zeitskalen von wenigen Minuten eine hohe Variabilität (> 1 kg m^−2). Diese Variabilität kann von Messungen mit einer geringeren zeitlichen Auflösung nicht erfasst werden. Für Zeiträume über 30 min jedoch sind Messungen mit einer zeitlichen Auflösung von 15 min in der Lage die räumliche Variabilität genauso gut wiederzugeben, wie die Messungen mit einem Mikrowellenradiometer. Die räumlich-zeitliche Variabilität wird aus einer Simulation mit dem ICOsahedral Non-hydrostatic (ICON)
Modell in Large Eddy Simulations (LES) Konfiguration mit einer Auflösung von 156 m über drei Tage abgeschätzt. Diese Studie zeigt, dass Zeitunterschiede von 30–45 min oder eine räumlich Verschiebung von 9-10 km Standardabweichungen von ca. 0,7 kg m^−2 verursachen kann. Dieser Fehler hängt von der jeweiligen Wettersituation ab. Der mittlere Tagesgang des IWV im Frühling und Sommer wird in den COSMO Reanalysen, ERA-Interim und GPS Messungen untersucht. Grundsätzlich weist der mittlere Tagesgang ein Minimum am Morgen (4:00–10:00 UTC) und ein Maximum zwischen 14:00 und 23:00 UTC auf. Während die Amplituden des mittleren Tagesgangs
des IWV gemessen mit GPS je nach Station zwischen 0,4 und 2,0 kg m^−2 (3,0–13,7%) im Frühling und 0,4–2,6 kg m^−2 (1,4–12,0%) im Sommer variieren, zeigt der mittlere Tagesgang der Reanalysen kleinere Amplituden und eine geringer Variabilität in den Amplituden. Außerdem werden regionale Unterschiede gefunden: küstennahe Regionen weisen eine Verschiebung im Tagesgang mit kleineren Amplituden auf während in höheren Lagen der Tagesgang größere Amplituden aufweist. Des Weiteren zeigt eine Unterscheidung zwischen westlichen und östlichen Wettersituationen, dass die Wasserdampfadvektion, die mit westlichen Wetterlagen einhergeht, die Entwicklung des Tagesgangs überlagert.
Die Reanalyse COSMO-REA6 deckt einen Zeitraum von 19 Jahren ab und ermöglicht somit die regionale Analyse von Trends im IWV. Mittlere Trends von 0,32 und 0,21 kg m^−2 pro Dekade werden in COSMO-REA6 und ERA-Interim gefunden.
Die vorliegende Arbeit charakterisiert die Meso-skalige Variabilität von IWV in Deutschland und zeigt die Bedeutung der Berücksichtigung von IWV Variabilität z.B. für Modellevaluationen und Instrumentenvergleiche. | German |
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