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Stratospheric water vapour in the tropics [Elektronische Ressource] : observations by ground-based microwave radiometry / von Sven Heinrich Wolfgang Golchert

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Stratospheric Water Vapourin the TropicsObservations by Ground-Based Microwave RadiometrySven H W GolchertInstitut für UmweltphysikUniversität Bremen2009Stratospheric Water Vapourin the TropicsObservations by Ground-Based Microwave Radiometryvom Fachbereich Physik und Elektrotechnikder Universität Bremenzur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)genehmigte DissertationvonDipl.-Phys. Sven Heinrich Wolfgang Golchertaus Bremen1. Gutachter: Prof. Dr. Justus Notholt2. Prof. Dr. Klaus F. KünziEingereicht am 9. Januar 2009put “me” in the equation it’s alrightSonic Youth — MoteAbstractThis thesis reports on observations of tropical stratospheric water vapour bythe ground-based microwave radiometer/spectrometer WaRAM2 in 2007.The 22GHz receiver is set up at Mérida Atmospheric Research Station on ◦ ◦top of Pico Espejo, Venezuela (8 32 N, 71 03 W, 4765m above sea level). Itis the only such sensor that continuously operates at tropical latitudes. Thehigh altitude site is ideally suitable for microwave observations, becausemost tropospheric water vapour is located below the sensor.Water vapour plays a key role in middle atmospheric processes. Becauseof its large infrared resonance, it strongly participates in the radiative budget,both in terms of a greenhouse effect at lower altitudes and radiative coolingat higher altitudes.

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Published 01 January 2009
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Language English
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Stratospheric Water Vapour
in the Tropics
Observations by Ground-Based Microwave Radiometry
Sven H W Golchert
Institut für Umweltphysik
Universität Bremen
2009Stratospheric Water Vapour
in the Tropics
Observations by Ground-Based Microwave Radiometry
vom Fachbereich Physik und Elektrotechnik
der Universität Bremen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Phys. Sven Heinrich Wolfgang Golchert
aus Bremen
1. Gutachter: Prof. Dr. Justus Notholt
2. Prof. Dr. Klaus F. Künzi
Eingereicht am 9. Januar 2009put “me” in the equation it’s alright
Sonic Youth — MoteAbstract
This thesis reports on observations of tropical stratospheric water vapour by
the ground-based microwave radiometer/spectrometer WaRAM2 in 2007.
The 22GHz receiver is set up at Mérida Atmospheric Research Station on

◦top of Pico Espejo, Venezuela (8 32 N, 71 03 W, 4765m above sea level). It
is the only such sensor that continuously operates at tropical latitudes. The
high altitude site is ideally suitable for microwave observations, because
most tropospheric water vapour is located below the sensor.
Water vapour plays a key role in middle atmospheric processes. Because
of its large infrared resonance, it strongly participates in the radiative budget,
both in terms of a greenhouse effect at lower altitudes and radiative cooling
at higher altitudes. It is a source gas for the highly reactive hydroxyl radical,
and exerts indirect effects on ozone destruction in the formation of polar
stratospheric clouds. Due to its long lifetime, water vapour also serves as a
dynamical tracer.
Several studies indicate a sustained increase in stratospheric water vapour
over the second half of the 20th century, which is only partly explained by a
concurrent increase in methane. The processes governing water vapour dis-
tribution, variability, and trends are still not sufficiently understood. Mod-
elling capacity is currently restricted by the uncertainty and sparse avail-
ability of suitable observations, and their inherent discrepancies. Continuous
long-term time series of stratospheric water vapour are of particular impor-
tance in the separation of trend signals from the large seasonal and annual
variations in water vapour entering the stratosphere.
This work summarises existing water vapour observation techniques and
their evolution. It demonstrates the utility of WaRAM2 measurements for
mitigating the current observational shortcomings. The discussion focusses
on improvements to the existing retrieval set-up, which eliminate undesired
oscillations in the retrieved profiles. It also devotes detail to some issues that
viiviii ABSTRACT
have been identified in the data. The range of the WaRAM2 retrievals pre-
sented here is limited to 30−50km at roughly 10km vertical resolution, but
could be extended downwards by refinements to the retrieval set-up that are
currently being investigated. A numerical experiment supports the sensor’s
capacity to study seasonal variations in stratospheric water vapour entry
levels. WaRAM2 results are compared to correlative data from Aura/MLS,
yielding good agreement at 33km. At 44km, WaRAM2 is 0.7ppmv (10%)
lower than MLS on average.
Keywords: water vapour, stratosphere, tropics, microwave remote sens-
ing, ground-based observationDanksagung
Im Gedanken an die Unterstützung, die ich auf dem Weg zu dieser Arbeit
erfahren habe, assoziiere ich den Anblick des Sternenhimmels; und kaum
dass ich meine, alle Beteiligten gezählt zu haben, stoße ich auf weitere. —
Allen, die mich in meinem Studium, meiner Arbeit, und darüber hinaus un-
terstützt haben, möchte ich herzlich für den Beitrag danken, den sie damit
auch für das Zustandekommen dieser Arbeit geleistet haben.
Meinem Betreuer Justus Notholt danke ich für die Gelegenheit, diese
Arbeit in seiner bemerkenswert herzlichen Arbeitsgruppe Fernerkundung
durchzuführen, seine Geduld und Anregungen im Umgang mit den außer-
gewöhnlichen Widrigkeiten, denen ich im Rahmen dieser Arbeit begeg-
net bin, sowie für seine Rücksichtnahme auf meine familiären Belange.
Klaus F. Künzi danke ich für die Übernahme des Koreferats sowie sein
persönliches Interesse am Fortgang dieser Arbeit und zahlreiche hilfreiche
Kommentare. Die hier gezeigten Daten verdanke ich seinem persönlichen
Einsatz für den Wiederaufbau des WaRAM2, ohne den das Gerät nicht im
Dezember 2006 wieder in Betrieb gegangen wäre. Beiden danke ich für das
entgegengebrachte Vertrauen und die frühe Gelegenheit, Verantwortung zu
übernehmen.
Meinen ehemaligen und jetzigen KollegInnen danke ich für das persönli-
che Klima in der Arbeitsgruppe und die ausgeprägte Bereitschaft zu gegen-
seitiger Unterstützung und lebhaften Diskussionen, auch abseits der Wissen-
schaft, sowie für das Wellness-Geschenk auf der Zielgeraden dieser Arbeit,
das mir in wohliger Erinnerung bleibt. Einigen möchte ich besonders dan-
ken: Manuel Quack hat das WaRAM2 gebaut — hierfür danke ich auch allen
UnterstützerInnen — und zahlreiche Vorarbeiten zur Auswertung geleistet;
Mathias Palm hat mit fachlicher Betreuung, Retrieval-Diskussionen und sei-
nen Ermunterungen, meinen Ergebnissen zu vertrauen, viel zu den Resulta-
ten beigetragen, ferner zusammen mit Christoph Hoffmann eine gleicher-
ixxD ANKSAGUNG
maßen kurzweilige wie produktive Büroatmosphäre geschaffen und Teile
des Manuskripts korrekturgelesen; Tine Weinzierl, Birgit Teuchert und Pe-
ter Grupe haben mir die Arbeit mit vielfältiger praktischer Unterstützung
erleichtert. Nochmals Danke!
Gerd Hochschild und Jochen Groß von der MIRA Gruppe am Forschungs-
zentrum Karlsruhe danke ich für die hervorragende Zusammenarbeit. Ohne
ihren Einsatz für die Infrastruktur in Mérida und für die Beseitigung techni-
scher Probleme wären die hier gezeigten Messungen nicht zustande gekom-
men. Gerhard Kopp danke ich für seine Unterstützung mit dem Retrieval.
Pedro Hoffmann von der Universidad de Los Andes (ULA), Mérida, hat
unverzichtbare Beiträge für diese Arbeit geleistet, zeitweise unterstützt von
Eduardo Diez y Riega V. und Silvia M. Calderón. Den ersten beiden und
ihren Familien danke ich außerdem für die herzliche Aufnahme und hervor-
ragende Betreuung vor Ort, mit einem besonderen Dank an Edith Hoffmann,
deren Unterstützung die Dienstreisen nach Mérida fast leichter gemacht hat
als eine Zugfahrt nach Delmenhorst. Den fortwährenden Interventionen von
Marcos A. Peñaloza Murillo gegen unsere Arbeit in der MARS verdanke
ich zu gewissem Grad einen dreiwöchigen Weihnachtsurlaub in Venezue-
la, wenn auch auf Kosten einer einjährigen Projektverzögerung. E. Tatiana
Perez-Valero danke ich, dass sie mich bei meiner ersten Ankunft davor be-
wahrt hat, in Maiquetía zu stranden. Die folgende Busfahrt durch die Anden
werde ich nicht vergessen. Ferner gilt mein Dank der ULA (Betrieb der
MARS), der Sistema Teleférico de Mérida (Zugang zur Station) und ihren
fröhlichen MitarbeiterInnen, sowie dem Instituto Nacional de Parques (IN-
PARQUES, Erlaubnis zur Arbeit im Nationalpark Sierra Nevada).
Für die Bereitstellung der in dieser Arbeit verwendeten Daten danke ich
1den WissenschaftlerInnen des ECMWF , des HALOE- und des MLS-Pro-
2jekts , sowie dem beteiligten Personal.
Die Universität Bremen sowie die Deutsche Forschungsgemeinschaft (Kenn-
zeichen 50-EE-0010) haben Teile dieser Arbeit finanziert.
1 ECMWF operational data used in this work have been provided by ECMWF.
2 UARS/HALOE and Aura/MLS data used in this work were acquired as part of the NASA’s
Earth-Sun System Division and archived and distributed by the Goddard Earth Sciences
(GES) Data and Information Services Center (DISC) Distributed Active Archive Center
(DAAC). Aura/MLS analyses and visualizations used in this work were produced with the
Giovanni online data system, developed and maintained by NASA GES DISC.