Zusammenfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die Inversion von Spurengasprofilen aus spektral hoch-aufgelösten bodengebundenen solaren Absorptionsmessungen im mittleren Infraroten.
Die vorliegende Arbeit befaßt sich zunächst mit experimentellen Aspekten, um eine gleichbleibend hohe Qualität der gemessenen Spektren sicherzustellen. Derzeit werden zwei bodengebundene kommerzielle Spektrometer der Firma Bruker am IMK (Institut für Meteorologie und Klimaforschung) betrieben. Neben Untersuchungen zu Interferenzen an Grenzflächen wurde die Größe der Abtastfehler charakterisiert und ein Programm zur Korrektur von Spektren entwickelt, die infolge von Nichtlinearität einen Nullinienversatz zeigen. Den Schwerpunkt der experimentellen Arbeiten bildeten die Untersuchungen zum Apparateprofil, dessen genaue Kenntnis von wesentlicher Bedeutung ist, um systematische Fehler in der Höhenzuordnung der abgeleiteten Profile zu vermeiden. Die Apparateprofile der beiden Spektrometer wurden eingehend untersucht und im Falle des Bruker IFS 120M deutlich verbessert. Es wurden mehrere Gaszellen angefertigt und die Software LINEFIT weiterentwickelt, die es ermöglicht, das Apparateprofil aus Gaszellenmessungen abzuleiten. Die regelmäßige Durchführung derartiger Messungen und ihre Analyse mit LINEFIT erlaubte die Dokumentation des instrumentellen Zustandes. Ferner wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Instrumentenmodell zur Beschreibung dejustierter Interferometer entwickelt.
Der theoretische Schwerpunkt der Arbeit lag in der Entwicklung eines Programmes zur Inversion von Spurengasprofilen aus bodengebundenen solaren Absorptionsmessungen. Unter Verwendung des leistungsfähigen, am IMK entwickelten Strahlungsübertragungscodes KOPRA (Karlsruhe Optimised and Precise Radiative Transfer Algorithm) entstand das Inversionsprogramm PROFFIT. Es erlaubt die gleichzeitige Inversion mehrerer Spurengase und ggf. des Temperaturverlaufes durch Anpassung des synthetischen an den gemessenen Spektralverlauf in mehreren spektralen Fenstern. Für jedes Gas kann wahlweise das Verfahren nach Tikhonov-Phillips, die Schätzung nach Bayes oder reine Skalierung eines angegebenen Profilverlaufes verwendet werden. Wird das Verfahren nach Tikhonov-Phillips benutzt, so kann die Inversion auch auf logarithmischer Skala erfolgen, wodurch das Auftreten negativer Mischungsverhältnisse ausgeschlossen werden kann.
Um PROFFIT mit realen Meßdaten zu erproben, wurden die in Kiruna gewonnenen Meßdaten des Winters 1997/1998 ausgewertet. Zur Bewältigung dieser Aufgabe wurde eine Vielzahl kleiner Hilfsprogramme erstellt. Diese Programme betreffen die Berechnung der astronomischen und scheinbaren Sonnenhöhe, die Entfernung solarer Signaturen, die Umsetzung des gemessenen Spektrums auf eine andere spektrale Gitterweite und die Erstellung von Temperaturprofilen aus NCEP (National Centers for Environmental Prediction)-Daten. Für die Spezies O3, HCl, HF, N2O, CH4, HNO3, NO und ClO wurden Profile gewonnen, im Falle von NO2 und ClONO2 wurden Standardprofile skaliert.
Schließlich erfolgt die Diskussion der Ergebnisse, insbesondere wurde ein Vergleich der gewonnen Mischungsprofile bzw. Säulengehalte mit dem am IMK betriebenen 3D-Chemietransportmodell KASIMA (Karlsruhe Simulation Model of the Middle Atmosphere) durchgeführt. Obwohl die bodengebundenen Messungen nur eine recht bescheidene Höhenauflösung ermöglichen (im günstigsten Fall lassen sich 4 Höhenstufen unterscheiden), ist die Übereinstimmung mit den berechneten Profilen bemerkenswert gut. Es gibt jedoch auch signifikante Unterschiede hinsichtlich einiger Gase, diese Abweichungen lassen sich jedoch in konsistenter Weise als Probleme der Modellierung deuten. KASIMA scheint den chemischen Ozonverlust im Winter 97/98 zu überschätzen und zeigt dementsprechend eine länger anhaltende Chloraktivierung, während zugleich der Anstieg von ClONO2 unterschätzt wird. Schließlich bestimmt KASIMA wesentlich kleinere Säulengehalte für NO, da die in der oberen Stratosphäre wirksamen Bildungsreaktionen nicht berücksichtigt sind.
Retrieval of trace gas profiles from high resolution, ground-based FTIR-measurements
Abstract
The first part of this work dealt with experimental aspects to ensure a continuously high quality of the measured spectra. By this time two commercial, ground-based spectrometers manufactured by Bruker are operated at IMK (Institute for Meteorology and Climatic Research). Besides investigations concerning channeling, the sampling errors have been quantified and a program has been developed to be used for the correction of baseline distortion due to nonlinearity. The main effort of the experimental investigations consisted in the characterisation of the instrumental line shape (ILS), due to its importance with regard to systematic errors in the height scale assigned to the deduced profiles. The ILS of both instruments have been examined in detail and in case of Bruker’s IFS 120M has been markedly improved. Several gas cells have been built and the software LINEFIT has been developed further. LINEFIT is a software to be used for the inversion of ILS of high resolution spectrometers from gas cell measurements. The continuos use of gas cell measurements and LINEFIT allows to monitor the instrumental conditions over the whole period of operation, which is done for both instruments. Moreover, a model for the simulation of misaligned cube-corner interferometers has been developed.
The main focus of the theoretical work consisted in the development of a code to be used for the inversion of trace gas profiles by ground based solar absorption spectra. By using the powerful radiative transfer algorithm KOPRA (Karlsruhe Optimised and Precise Radiative Transfer Algorithm) the inversion program PROFFIT has been built. PROFFIT offers the joint retrieval of several trace gases (and of the temperature profile) by using a least-squares fitting procedure in a specified number of spectral windows. For each gas the method given by Tikhonov and Phillips or the Optimal Estimation method can be used. If the Tikhonov-Phillips method is used, PROFFIT allows the inversion to be performed on a logarithmic scale, thereby negative volume mixing ratios in the linearised solution can be excluded.
To test PROFFIT with real data, the spectra measured in Kiruna during winter 97/98 have been analysed. To compete with this task, several auxiliary programs have been developed. These programs concern the calculation of true astronomical as well as apparent solar zenith angle, the elimination of solar lines in the spectra, the resampling of spectra to modified spectral stepwidth, and the generation of temperature profiles as needed by KOPRA from NCEP (National Centers for Environmental Prediction) data made available via the Goddard automailer system.
Finally, the results have been discussed. In particular the deduced mixing ratio profiles and column amounts have been compared with results from the KASIMA (Karlsruhe Simulation Model of the Middle Atmosphere). Despite the poor vertical resolution of the inverted profiles (up to 4 independent height levels can be resolved), the agreement with KASIMA is remarkably good. Nevertheless, there are also significant differences with respect to certain gases. These differences can be interpreted in a self-consistent manner by taking into account remaining problems concerning the model’s accuracy: It seems, that KASIMA overestimates the chemical Ozone loss in winter 97/98. Indeed, KASIMA finds a longer period with high ClO values and over the same period smaller column amounts of ClONO2. Moreover, KASIMA obtains significantly lower column amounts for NO. The relevant reactions leading to the formation of NO in the upper stratosphere are not implemented in the chemical model.