Atmosphärische Vertikalstruktur und Trends in Klimadaten

Temperaturbeobachtungen der Erdoberfläche geben eindeutige Hinweise auf eine Klimaänderung. Während Trends der Bodentemperatur verschiedener Datenzentren gut übereinstimmen, gibt es immer noch ungelöste Fragen zu Klimatrends der freien Atmosphäre. Einigkeit herrscht über die globale Erwärmung der Troposphäre und die Abkühlung der Stratosphäre, große Unsicherheiten bestehen jedoch bezüglich Trendraten und ihrer vertikalen Struktur. Daher können nur beschränkt robuste und konsistente Aussagen über Klimatrends gemacht werden. Dieses Schlüsselproblem laut neuestem IPCC Report verlangt nach Daten von besserer Genauigkeit. Dies ist eine große Herausforderung da Unsicherheiten in Beobachtungen, Reanalysen, und Klimamodellen bestehen. Datensätze von Wettersatelliten und Ballons haben Schwächen, da sie nicht zur Klimabeobachtung konzipiert wurden. Diese erfordert genaue und langzeitstabile Messungen. In Reanalysen werden Beobachtungsdaten in Modelle integriert und beinhalten sowohl Beobachtungs- als auch Modellfehler. Aktuelle Klimamodelle zeigen Unterschiede zu Beobachtungen bezüglich thermischer Struktur und Trends, besonders in der oberen Troposphäre und Stratosphäre. Die Radio-Okkultation (RO) liefert Beobachtungen mit vorteilhaften Eigenschaften in diesem Zusammenhang. Zeitmessungen mittels hochgenauer Atomuhren garantieren langzeitstabile und konsistente Datensätze mit globaler Abdeckung. Genauigkeit, geringe strukturelle Unsicherheit und die Verwendbarkeit für Trendstudien wurden demonstriert. Beste Qualität und vertikale Auflösung sind von klarem Vorteil für die Untersuchung der vertikalen thermodynamischen Struktur. Hauptziel des Projektes VERTICLIM ist die Erforschung und Evaluierung der vertikalen Struktur von atmosphärischer Variabilität und Klimatrends, deren regionale Ausprägung und relevante Prozesse von der Erdoberfläche bis zur Stratopause. Im Fokus sind 20022015 mit dichter Datenverfügbarkeit für Kurzzeitstudien, sowie 19792015 mit guter Datenbedeckung für komplementäre Langzeitstudien. Neue Einblicke in jüngste Klimaänderungen in der Troposphäre und Stratosphäre werden durch die systematische Exploration von Beobachtungen, Reanalysen und Klimamodellen gewonnen. Die Evaluierung von RO als Referenzdatensatz und anderen hochqualitativen Beobachtungsdaten, wie MIPAS, SABER, Radiosonden, sowie AMSU/SSU Schichttemperaturen, wird neue Informationen über die Klimaqualität atmosphärischer Beobachtungsdaten liefern. Die Erforschung verschiedener Charakteristika wie Jahresgang, Tropopausen/Stratopausendynamik und Klimavariabilität wird Stärken, Schwächen und Verbesserungspotential von Reanalysen und Modellen erschließen. Neue Einblicke in die vertikale Struktur von Trends und deren regionale Ausprägung in der Atmosphäre im Vergleich zur Erdoberfläche werden aus RO und den evaluierten Datensätzen gewonnen. Insgesamt wollen wir mit VERTICLIM ein Bild noch nie dagewesener Qualität von der vertikalen Struktur atmosphärischer Klimavariabilität und Trends zeichnen und von den Stärken atmosphärischer Beobachtungsdaten, Reanalysen und Klimamodellen mit RO als Referenzklimadatensatz.

Die Erdatmosphäre wird maßgeblich von einer Reihe natürlicher Variabilitätsmuster bestimmt. Um diese richtig von anthropogenen Klimaänderungen abgrenzen zu können, müssen die kurzfristigen Schwankungen genau charakterisiert werden. Dazu benötigt man genaue Messdaten, welche die Qualitätskriterien des Global Climate Observing System (GCOS) erfüllen. In diesem Zusammenhang hat die Radio-Okkultation (RO), basierend auf Signalen von globalen Navigationssatellitensystemen (GNSS), vorteilhafte Eigenschaften wie Langzeitstabilität, Allwettertauglichkeit, globale Bedeckung, hohe Genauigkeit und vertikale Auflösung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Wir präsentieren Ergebnisse zur Charakterisierung der vertikalen thermischen Struktur der Variabilitäten und Trends, sowie der relevanten Prozesse von der Erdoberfläche bis in die Stratosphäre, mittels RO und anderen Atmosphärenbeobachtungen, Reanalysen und Klimamodellen. Wir bestätigen die Klimaqualität von RO mittels Quantifizierung der strukturellen Unsicherheiten in RO Daten von mehreren Satelliten und Prozessierungszentren. Die Daten zeigen hohe Konsistenz innerhalb von 8 km bis 25/30 km in niederen bis mittleren Breiten. Die strukturelle Unsicherheit in der Temperatur beträgt <0.05 K pro Dekade und <0.1 K pro Dekade bis in hohe Breiten. Dies zeigt die Eignung als Klimadatensatz entlang der GCOS Kriterien. Der Wegener Center RO OPSv5.6 Datensatz wurde frei verfügbar online gestellt, und ist geeignet für Klima- und andere hochgenaue Anwendungen. Wir liefern neue höhenaufgelöste Indizes zur Atmosphärenvariabilität direkt aus RO Temperaturdaten. Die Indizes repräsentieren die El Niño-Southern Oscillation (ENSO) und die quasi-biennale Oszillation (QBO), und verbessern essentiell die Trendanalyse. Außerdem untersuchen wir verschiedene weitere Variabilitätsquellen, wie Tropopausen, Schwerewellen oder vulkanische Eruptionen. Wir finden eine substantielle Verbesserung der Übereinstimmung von Temperaturtrends in der Stratosphäre von Beobachtungsdaten und Chemie-Klimamodellen. Diese zeigen, dass der Abkühlungstrend in der Stratosphäre ab 1998 geringer wird. Vertikal aufgelöste Trends aus RO im Zeitraum 2002 bis 2018 zeigen eine Erwärmung der gesamten Troposphäre und über der tropischen Tropopause, sowie eine Abkühlung in der tropischen Stratosphäre. Ebenso sichtbar ist die stärkere Erwärmung der Arktis in den Temperaturdifferenzen zwischen Tropen und Arktis. Die Trends von RO sowie Radiosonden und Reanalysen stimmen überwiegend überein, allerdings zeigen sich auch Unterschiede. Die Ergebnisse wurden für den kommenden sechsten Sachstandbericht des IPCC zur Verfügung gestellt. RO als einzigartiger Datensatz ermöglicht einen verbesserten Einblick in die vertikale Struktur und Trends der Atmosphäre, und ist daher höchst relevant für Studien zur Atmosphärendynamik, Detektion von Klimatrends, und für die Evaluierung der nächsten Generation von Klimamodellen.