Untersuchung von Wasserdampfstrukturen in ERA-Interim - Userpage

Fachbereich Geowissenschaften
Institut für Weltraumwissenschaften
Bachelorarbeit im Fach Meteorologie
Untersuchung von Wasserdampfstrukturen in
ERA-Interim – und MERIS – Daten
von Nicole Docter
Betreuer:
Hannes Diedrich
Gutachter:
Prof. Dr. Jürgen Fischer
Dr. Rasmus Lindstrot
10. April 2013

Zusammenfassung
Die Fernerkundung von atmosphärischen Gasen wie Wasserdampf, welches hoch variabel
in der Atmosphäre auftritt und als wichtigstes Treibhausgas gilt, hat aufgrund der
hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung der Daten eine besondere Bedeutung für
die Analyse der Atmosphäre. Im Rahmen des GlobVapor – Projekts wurde aus Messdaten
vom Satellitenmessinstrument MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer)
der Wasserdampfgehalt über Landflächen bestimmt, welcher in dieser Arbeit mit dem
der ERA-Interim – Reanalysedaten verglichen wird. Dazu wurden die zonalen monatlichen
Mittel mit Standardabweichung des Säulenwasserdampfgehalts berechnet und
anschließend eine Einteilung in neun Zonen vorgenommen um Wasserdampfstrukturen
zu untersuchen. Die Strukturen innerhalb dieser Zonen von ERA-Interim und MERIS
stimmen hinsichtlich der untersuchten Charakteristika, wie dem im Mittel auftretenden
Wasserdampfgehalt mit zugehöriger Standardabweichung und der Variabilität des Wasserdampfs,
miteinander überein. Um Gründe für Unterschiede in den einzelnen Werten zu
finden, wurde zusätzlich die Abweichung der zonalen monatlichen Mittel von MERIS zu
ERA-Interim untersucht. Dabei war allgemein festzustellen, dass der Säulenwasserdampfgehalt
von beiden Datensätzen innerhalb der Standardabweichung gleich ist und so auch
die hohe Ähnlichkeit der Wasserdampfstrukturen zu erklären ist. In beiden Datensätzen
sind dabei die Tropen mit den höchsten im Mittel auftretenden Werten gekennzeichnet,
welche zu den Polarregionen hin abnehmen. In den dazwischen gelegenen Zonen kann
eine teils sehr deutliche Änderung des Säulenwasserdampfgehalts innerhalb eines Jahres
verzeichnet werden, wobei der Einfluss des Ozeans für Unterschiede in der Nord– und
Südhemisphäre verantwortlich ist.
Abstract
Remote sensing of atmospheric gases like water vapour, which occurs highly variable
in the atmosphere and is considered to be the most important greenhouse gas, is of
importance for atmospheric analysis because of its high resolution data in space and time.
Total column water vapour above land surfaces has been retrieved from measurement
data of satellite instrument MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) within the
GlobVapor – project and in this thesis, it is compared to the one of ERA-Interim reanalysis.
Therefore, zonal monthly means and standard deviations of total column water vapour
have been calculated and, subsequently a classification in nine zones was created in order
to analyse water vapour patterns. Patterns match concerning analysed characteristics, like
in average occurring water vapour with linked standard deviation and the variability
of water vapour, in between these zones of ERA-Interim and MERIS. In addition, the
deviation of zonal monthly means of MERIS and ERA-Interim has been analysed to
find reasons for differences in individual values. In the course of this, it was generally
ascertained that total column water vapour of both datasets are equal within standard
deviation, which also explains the close resemblance of water vapour patterns.The tropics
were characterized by the highest in average occurring values, which were decreasing
heading toward the Polar Regions in both datasets. A partly significant change in total
column water vapour was captured for zones in between within a year, whereby the
influence of the ocean is responsible for differences between the northern and southern
hemispheric zones.
- I -

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 5
2.1 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2 Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Methodik 11
4 Ergebnisse 15
4.1 Zonale Monatliche Mittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.3 Abweichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Zusammenfassung und Diskussion 29
Literatur 33
Abbildungsverzeichnis 34
Tabellenverzeichnis 34
- II -

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1
1 Einleitung
Wasserdampf hat aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften, sowohl in der Atmosphäre
als auch im globalen Klimasystem, eine bedeutende Rolle. Er ist in Raum und Zeit
stark inhomogen in der Atmosphäre verteilt, wobei er einen Anteil von bis zu 4% an der
Luft haben kann. [Kraus, 2004]
Von besonderer Bedeutung ist vor allem die physikalische Eigenschaft, dass bei der Änderung
des Aggregatzustands, des in der Atmosphäre vorkommenden Stoffes Wasser,
ständig Energie in Form von Wärme, die man auch als latente Wärme bezeichnet, benötigt
oder abgegeben wird. So wird beispielsweise bei der Verdunstung, auch als Evaporation
bezeichnet, eine Wärmeenergie von 2.500 kJ
kg
benötigt [Kraus, 2004]. Genau diese Energie
wird bei der Kondensation wieder abgegeben, weshalb man diese Wärmeenergie auch als
Verdunstungs- oder Kondensationswärme bezeichnet. Da Wasser in allen drei Aggregatzuständen
in der Erdatmosphäre auftreten kann, finden ständig Phasenumwandlungen bzw.
Energieumsätze statt, wodurch wiederum der Wasserdampftransport mit einem ständigen
horizontalen und vertikalen Energietransport verbunden ist. Somit ist Wasserdampf ein
wichtiger Faktor bei der Bildung von Wolken und Niederschlag und hat Einfluss auf die
Bildung von Zyklonen und auf die globale Zirkulation.
Eine weitere wichtige Eigenschaft des Wasserdampfs ist seine Wechselwirkung mit elektromagnetischer
Strahlung in allen Wellenlängenbereichen vom Sichtbaren bis zum Mikrowellenbereich.
In Abbildung 1 auf der nächsten Seite ist im oberen Teil die emittierte Strahlung
von Schwarzkörpern mit Strahlungstemperaturen von 6.000K und 255K dargestellt, was
der solaren Einstrahlung in
W
m 2 srµm
W
m 2 µm
(gelbe Kurve) und der terrestrischen Ausstrahlung in
(rote Kurve) entspricht, wenn keine Absorption durch atmosphärische Bestandteile
stattfinden würde. Im unteren Teil der Abbildung ist zudem das Absorptionsvermögen
des Wasserdampfs in Prozent dargestellt, wobei die schwarzen Bereiche die Wasserdampfabsorption
kennzeichnen.
Sowohl in Bereichen der solaren Einstrahlung, z.B. um 0, 8µm, 0, 9µm, 1, 1µm, 1, 4µm,
1, 8µm und zwischen 2, 1µm und 3, 2µm, aber auch im Bereich der thermischen Strahlung
um 6, 3µm und ab 13µm absorbiert Wasserdampf [Wissenschaft Online, nd]. Da
nach Kirchhoff Gase, wie der Wasserdampf, die absorbierte Strahlung einer bestimmten
Wellenlänge auch wieder emittieren können, wird ein gewisser Teil der Strahlung in
Richtung Erdoberfläche re-emittiert, was ein zusätzliches Aufheizen bewirkt. Der Anteil
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

2 1 EINLEITUNG
Abbildung 1: Strahlungsabsorption des Wasserdampfs als Funktion der Wellenlänge;
oben: Emittierte Strahlung eines Schwarzen Körpers mit einer Strahlungstemperatur
von 6.000K (gelb) und 255K (rot) in Abhängigkeit von der Wellenlänge; unten:
Absorption des Wasserdampfs in Prozent in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Quelle: [Australian Government - Bureau of Meteorology, nd]
des Wasserdampfs zum Treibhauseffekt beträgt 60% bei klarem Himmel, wodurch er als
wichtigstes Treibhausgas gilt [Kiehl und Trenberth, 1997].
Um ein zusätzliches Aufheizen oder auch Abkühlen der Atmosphäre zu verhindern, muss
der globale Strahlungsfluss von einfallender und austretender Strahlung im Gleichgewicht
sein. Im Gegensatz dazu wurde jedoch zuletzt eine positive globale Strahlungsbilanz
von 0,9 W m 2 für den Zeitraum von März 2000 bis Mai 2004 auf Grundlage von CERES 1 –
Messungen festgestellt [Trenberth et al., 2009], was eine globale Erwärmung zur Folge
hat, da mehr kurzwellige Strahlung eintritt, als das langwellige Strahlung wieder in den
Weltraum ausstrahlt. Dadurch kann es wiederum zu Veränderungen im Klimasystem
kommen, welche ihrerseits die Temperatur beeinflussen können und daher auch als
Rückkopplungseffekte bezeichnet werden.
Einer dieser Effekte ist die Wasserdampfrückkopplung. Es wird dabei nach der Clausius–
Clapeyron – Gleichung (siehe Kapitel 2.1 auf Seite 5) davon ausgegangen, dass das
Wasserdampffassungsvermögen der Atmosphäre mit der Temperatur steigt. Dadurch
kann in der Theorie wiederum mehr Wasserdampf aufgenommen werden, der einen
1 CERES, Kurzform für Clouds and Earth’s Radiant Energy System, ist ein Satelliteninstrument, das u.a. zur
Messung der Strahlungsflüsse eingesetzt wird. In der genannten Studie werden Daten des Instruments
an Board des polarumlaufenden sonnensynchronen Terra-Satelliten der NASA (National Aeronautics and
Space Administration) genutzt.
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

3
größeren Teil der austretenden langwelligen Strahlung in den entsprechenden Bereichen
absorbieren kann. Dies hat zur Folge, dass der Treibhauseffekt verstärkt wird und es somit
zu einer zusätzlichen Erwärmung kommt, weswegen dieser Rückkopplungsprozess auch
als positive Wasserdampfrückkopplung bezeichnet wird. [IPCC TAR WG1 et al., 2001] 2
Ein weiterer vom Wasserdampf beeinflusster Effekt ist die Rückkopplung durch Wolken,
da er, wie schon erwähnt, die Wolkenbildung begünstigt. Wolkenrückkopplungen sind
dabei abhängig von der Wolkenhöhe, -dicke und der Wechselwirkung der Wolkenbestandteile
mit der Strahlung. Da Wolken beispielsweise die solare Strahlung reflektieren können,
kann so eine Abkühlung begünstigt werden, was wiederum als negative Rückkopplung
bezeichnet wird. [IPCC TAR WG1 et al., 2001]
Um diese, mit dem Wasserdampf in Zusammenhang stehenden, komplexen Vorgänge
besser verstehen zu können, ist eine möglichst genaue Beobachtung von Notwendigkeit.
Daher werden Satelliten zur Messung bzw. Bestimmung genutzt, um zeitlich und räumlich
hochauflösende Daten zur globalen Analyse des Wasserdampfs zu erhalten, die in
Numerische Wettervorhersage- und Klimamodelle einfließen.
Die Beobachtung des Wasserdampfs über Ozeanen durch Satelliten wird schon seit den
1980er Jahren mithilfe von Mikrowellenradiometern wie dem SSM/I 3 [Schluessel und
Emery, 1990] durchgeführt. Die Bestimmung des Wasserdampfs über Landflächen im
Mikrowellenbereich ist hingegen nicht geeignet, da die Emissivität der Oberfläche variabel
ist [Lindstrot et al., 2012]. Daher nutzt man über Land Sensoren, die im sichtbaren
und nahen Infrarot – Bereich operieren. Ein Beispiel für ein solches Instrument ist das
Medium Resolution Imaging Spectrometer, kurz MERIS, mithilfe dessen Messungen der
Säulenwasserdampfgehalt über Land bestimmt wurde. Für die auf diese Weise ermittelten
Werte des Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre wurde bereits eine ausführliche Validation
gegenüber anderen Messverfahren durchgeführt, wobei über Landflächen GUAN
Radiosondendaten, AERONET Sonnenphotometer – Messungen, ARM Mikrowellenradiometer
– Messungen und bodengestützte GPS Wasserdampfbeobachtungsdaten zu nennen
sind [Lindstrot et al., 2012]. Eine globale Analyse und ein Vergleich mit Modelldaten, wie
z.B. denen von ERA-Interim wurde jedoch noch nicht realisiert.
Zudem werden je nach Anwenderschwerpunkt sowohl die MERIS – als auch die ERA-
Interim – Wasserdampfdaten als Referenz genutzt, weswegen in dieser Arbeit ein qualitati-
2 Intergovernmental Panel on Climate Change Third Assessment Report
3 Special Sensor Microwave/Imager; erstmals an Board des DMSP (Defense Meteorological Satellite Program)
F–8 Satelliten, der im 1987 in die Erdumlaufbahn gebracht wurde [Schluessel und Emery, 1990]
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

4 1 EINLEITUNG
ver Vergleich der Strukturen und ein quantitativer Vergleich der zonalen Monatsmittel mit
Standardabweichung und Differenzen für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember
2008 auf Grundlage von MERIS – und ERA-Interim – Säulenwasserdampfgehalt – Daten
vorgenommen wird.
Dabei erfolgt auf Grundlage der zonalen monatlichen Mittel die zonale Einteilung bzw.
Identifikation von Strukturen des Wasserdampfs in Bereiche von hohem bis hin zu
niedrigem und für den Zeitraum stark bis gering variierenden Wasserdampfgehalt in
Kapitel 4.1. Der Vergleich der Daten von MERIS und ERA-Interim erfolgt dann durch die
Betrachtung der Abweichung der zonalen monatlichen Mittel voneinander in Abschnitt
4.3, wobei die Standardabweichung (siehe Kapitel 4.2) berücksichtigt wird.
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

5
2 Grundlagen
Im folgenden Abschnitt wird sowohl auf die theoretischen Grundlagen, welche die Größe
des Säulenwasserdampfgehalts und die horizontale und vertikale Verteilung des Wasserdampfs
in der Atmosphäre beinhalten, als auch auf die Datengrundlage eingegangen.
2.1 Theoretische Grundlagen
Die in dieser Arbeit verwendeten Daten liegen in der Größe des Säulenwasserdampfgehalts
(engl. Total Column Water Vapour) vor und werden im Weiteren in der Kurzform als TCWV
bezeichnet. Der TCWV ist dabei der gesamte Wasserdampf in einer gedachten Säule über
einer bestimmten Fläche an der Erdoberfläche und besitzt die Einheit Kilogramm pro
Quadratmeter. Er kann über die absolute Feuchte d, d.h. den Wasserdampfgehalt in einem
Luftvolumen, hergeleitet werden, indem man ihn vertikal integriert (siehe Gl. 1).
TCWV =
∫ H
0
d dh (1)
Eine alternative Bezeichnung ist precipitable water, was die Höhe über einer festen Fläche
beschreibt, die eine Wassersäule hätte, wenn der gesamte Wasserdampf über der Fläche
kondensieren und als Regen fallen würde [Seidel, 2002]. Die zugehörige Einheit ist hier
Millimeter, welche vom zugehörigen Zahlenwert allerdings genau dem TCWV, aufgrund
der zugehörigen Umrechnung unter Berücksichtigung der Dichte des Wassers von 1.000 kg
m 3
und der Einheiten, entspricht.
Zur Untersuchung der Strukturen des Wasserdampfs in der Atmosphäre ist ferner die
Wasserdampfverteilung von Bedeutung, da Wasserdampf, wie bereits erwähnt, hoch
variabel in Ort und Zeit in der Atmosphäre auftritt. Dabei unterliegt die Verteilung
verschiedenen Abhängigkeiten. Die Bedeutendste ist die Temperaturabhängigkeit, die
mithilfe der Clausius–Clapeyron – Gleichung (siehe Gl. 2, [Kraus, 2004]) beschrieben
werden kann.
de ∗ w
dT =
l g, f
T(ν g − ν f )
(2)
Hierbei wird der Sättigungsdampfdruck über Wasser e ∗ w als eindeutige Funktion der
Temperatur T beschrieben, wobei l g, f die spezifische latente Wärme (hier: Verdunstungs-
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6 2 GRUNDLAGEN
bzw. Kondensationswärme), ν g das spezifische Volumen des Wasserdampfs und ν f das
Spezifische Volumen des Flüssigwassers sind. Somit kann eine wärmere Atmosphäre
mehr Wasserdampf aufnehmen als eine kühlere, bevor sie mit Wasserdampf gesättigt ist.
Als grobe Näherung für einen Temperaturbereich zwischen −20 ◦ und 30 ◦ C gilt dabei,
dass sich der Sättigungsdampfdruck bei einer Temperaturerhöhung um 10 ◦ C verdoppelt
und bei einer Erniedrigung der Temperatur um 10 ◦ C halbiert. [Kraus, 2004]
Ein weiterer wichtiger Faktor für die Wasserdampfverteilung ist das Vorhandensein
von Wasser. So ist aufgrund der größeren Wasserverfügbarkeit bei gleicher Temperatur
die Verdunstungsrate über dem Ozean höher als über Landflächen. Betrachtet man
den hydrologischen Zyklus ohne Berücksichtigung des atmosphärischen Transports,
des Abflusses sowie des Niederschlages, ergibt die Summe der Verdunstung über den
Ozeanen 505.000km 3 und über Landoberflächen nur 72.000km 3 [Kraus, 2004]. Zuletzt
sind auch Austauschprozesse innerhalb der Atmosphäre durch großräumige Strömungen,
Konvektion und Turbulenzen, nicht zu vernachlässigen.
Aufgrund dieser Abhängigkeiten lässt sich so auf die horizontale und vertikale Verteilung
des Wasserdampfs in der Atmosphäre schließen.
Wie auch in Abbildung 2 auf der nächsten Seite zu erkennen ist, findet man den höchsten
Säulenwasserdampfgehalt aufgrund der ganzjährig hohen Temperaturen im Bereich des
Äquators mit Abnahme der Werte zu den Polen hin. Ferner sind größere Bereiche des
westlichen äquatorialen Pazifiks durch TCWV – Werte von bis zu 56, 5 kg
m 2 für den Zeitraum
von Januar 2003 bis Dezember 2008 geprägt, was mit ganzjährig hohen Temperaturen und
der Wasserverfügbarkeit zu erklären ist.
Wüstengebiete sind hingegen trotz der hohen Temperaturen sehr trocken, was vorallem
an der globalen atmosphärischen Zirkulation liegt. Über dem Äquator steigen warme
Luftmassen mit einem sehr hohen Wasserdampfanteil auf, kühlen in der Höhe ab, wodurch
sich Wolken bilden, die anschließend ausregnen. In der Höhe strömen zudem die
Luftmassen nach Norden und Süden, akkumulieren über den Wendekreisen und sinken
nach unten ab, wobei sie sich wieder Erwärmen, was zur Folge hat, dass die relative
Luftfeuchte der Luftmasse sinkt.
In Bereichen von Gebirgen, wie dem Himalaya oder den Anden, sind im Gegensatz zu
den umliegenden Regionen äußerst geringe Säulenwasserdampfgehälter zu finden, was
mit der vertikalen Temperaturabnahme in der Troposphäre zusammenhängt und somit
nach Clausius–Clapeyron auch den Wasserdampfgehalt in Anbetracht der Orographie
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

2.2 Datengrundlage 7
60
0 45 90 135
TCWV [kg/m^2]
50
40
30
20
10
−60 −30 0 30 60
60 30 0 −30 −60
0
0 45 90 135
Abbildung 2: Mittlerer ERA-Interim TCWV in kg
m 2 für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember
2008
beeinflusst. Bereits in den unteren 1, 5km der Atmosphäre befinden sich fast 50% des
gesamten Wasserdampfs. Weniger als 5% sind schließlich noch in der oberen Troposphäre,
also über 5km, wieder zu finden und in etwa 1% des Wasserdampfs befindet sich
schließlich in der Stratosphäre. [Seidel, 2002]
2.2 Datengrundlage
Die in NetCDF – Dateien vorliegenden vorprozessierten ERA-Interim – und MERIS – Daten
zur Untersuchung der Wasserdampfstrukturen sind TCWV-Messwerte in Kilogramm
pro Quadratmeter vom Januar 2003 bis Dezember 2008. Sie liegen in gleichen räumlichen
und zeitlichen Abständen vor, wobei die räumliche Auflösung 1 ◦ x1 ◦ ist und die Werte
für 10:00 Uhr mittlerer lokaler Sonnenzeit eines jeden Tages im Monat vorhanden sind.
Die hier vorgegebene Uhrzeit ist dabei mit der Zeit des Äquatorüberfluges 4 bzw. dem
Zeitpunkt der MERIS – Messungen zu begründen.
4 [ESA Eartnet Online, 2013]
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8 2 GRUNDLAGEN
ERA-Interim ist ein Reanalyseprodukt des ECMWF 5 von 1979 an bis zur Gegenwart. Dafür
werden Observationsdaten von Synoptischen Messstationen, Bojen, Schiffs- und Flugzeugmeldungen,
Radiosonden und Satellitendaten 12 stündlich, 4 dimensional variationell
assimiliert. [Dee et al., 2011]
Die mit Hilfe von MERIS ermittelten Säulenwasserdampfgehalt – Werte wurden im Rahmen
des GlobVapor – Projekts bestimmt. GlobVapor wurde durch das ESA 6 Data User
Element – Programm finanziert und sollte validierte, mehrjährige, globale Wasserdampfdatensätze
erstellen. Das Projekt lief von Dezember 2009 bis Januar 2012, wobei für die
Bestimmung des Wasserdampfsäulengehalts das Institut für Weltraumwissenschaften der
Freien Universität Berlin verantwortlich war. [GlobVapor Newsletter 1, 2010, GlobVapor
Newsletter 4, 2012]
MERIS selbst ist ein Instrument an Bord von ENVISAT. Dieser Satellit befindet sich in
einem sonnensynchronen – polarumlaufenden Orbit in ca. 800 km Höhe und einer Inklination
von 98, 5 ◦ [ESA, 2012]. Nach drei Tagen ist dabei eine komplette Datenabdeckung
der gesamten Erde erreicht und nach 35 Tagen befindet er sich wieder auf demselben
Orbit wie zu Beginn [ESA, 2012]. Die Mission startete im März 2002 und wurde im April
2012 für beendet erklärt, da der Kontakt zu dem Satelliten abgebrochen ist.
MERIS war vor allem für die Beobachtung des Ozeans und der Küste verantwortlich,
sodass u.a. aus der Ozeanfarbe auf den Chlorophyllgehalt geschlossen werden konnte.
Des Weiteren wurden Landoberflächen zur Betrachtung der Vegetation beobachtet, aber
auch die Atmosphäre war Teil der Mission, wobei hier wiederum der Wasserdampf zu
erwähnen ist. MERIS deckt ein Sichtfeld von 68, 5 ◦ um Nadir ab und hat eine Schwadbreite
von 1.150km. Das Instrument operiert im Bereich der reflektierten solaren Strahlung und
hat 15 Kanäle die vom sichtbaren Bereich bis in den nahen Infrarotbereich (390nm –
1.040nm) reichen. [ESA, 2012]
Für die Bestimmung des Säulenwasserdampfgehalts gibt es zwei wichtige Faktoren, die
das Vorgehen limitieren. Zum einen können nur Strahldichten vom Tag genutzt werden,
da man die reflektierte solare Strahlung betrachtet. Zum anderen muss Wolkenfreiheit
gegeben sein, da sonst die Strahlung in einer zu hohen Schicht reflektiert wird und
somit verfälschte Ergebnisse liefert. Von Bedeutung für das Retrieval des Säulenwasserdampfgehalts
sind insbesondere die letzten beiden MERIS – Kanäle (siehe Abb. 3 auf der
5 European Center for Medium-Range Weather Forecast
6 European Space Agency
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

2.2 Datengrundlage 9
nächsten Seite). In Kanal 14 bei 885nm ist die Transmission annähernd 1, wodurch er als
1.0
0.8
Transmission
0.6
0.4
0.2
0.0
CH 14 CH 15
880 900 920 940
Wavelength [nm]
Abbildung 3: MERIS Kanäle 14 und 15 in grau sowie in schwarz die Transmissivität in Abhängigkeit
von der Wellenlänge in einem Bereich von 875 bis 950nm
Fensterkanal angesehen werden kann. Kanal 15 bei 900nm ist hingegen nicht mehr für die
annähernd gesamte Strahlung durchlässig, was vor allem auf den in der Atmosphäre vorhandenen
Wasserdampf zurückzuführen ist. Der TCWV ist schließlich proportional zum
Logarithmus des Verhältnisses, der in diesen beiden Kanäle gemessenen Strahldichten L 15
und L 14 (siehe Gl. 3).
( )
L15
TCWV ≈ ln
L 14
Für die reale Atmosphäre reicht diese Betrachtungsweise allerdings nicht aus, da Streuprozesse,
Beobachtungsgeometrie, Oberflächenalbedo, das zugehörige Temperaturprofil,
Luftdruck und Aerosole berücksichtigt werden müssen [Lindstrot et al., 2012]. Dazu
werden Strahldichten für diese beiden Kanäle in Abhängigkeit von den gerade genannten
Parametern, aber auch vom Wasserdampf, simuliert und die Verhältnisse R modelliert werden
in sogenannte Look-Up – Tables, kurz LUTs, geschrieben. Diese werden wiederum mit
dem gemessenen Verhältnis R gemessen verglichen, wobei es das Ziel ist, die in Gleichung 4,
formulierte Funktion zu minimieren, um den TCWV – Wert zu optimieren.
(3)
F = |R modelliert − R gemessen | (4)
April 2013
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11
3 Methodik
Zur Untersuchung der Wasserdampfstrukturen wurden die Daten zunächst einer Analyse
auf Vollständigkeit unterzogen. Die MERIS – Daten liefern dabei keine komplette
Abdeckung der gesamten Erdoberfläche innerhalb eines Tages aufgrund des ENVISAT
Orbits in Kombination mit der Schwadbreite von MERIS. Zudem gibt es fehlende Messwerte
innerhalb der daraus resultierenden typischen Streifenstruktur, die durch fehlende
reflektierte Strahlung oder Wolken begründet sein können. Daher wurde die Analyse
der zonalen monatlichen TCWV – Mittel in Kilogramm pro Quadratmeter, TCWV (siehe
Gl. 5), mit zonaler monatlicher Standardabweichung, STDV (siehe Gl. 6), gewählt. Die
Standardabweichung wurde dabei betrachtet, um einen Absolutwert zur Einschätzung der
Abweichungen innerhalb eines Monats pro zonalem Mittel zu erhalten. Zur Berechnung
wurden die folgenden Gleichungen genutzt:
TCWV(m, lat) = 1 n
n
∑ TCWV i (m, lat) (5)
i=1
STDV(m, lat) =
√
∑i=1
n (
TCWVi (m, lat) − TCWV(m, lat) ) 2
n − 1
(6)
Hierbei entspricht n der Anzahl der Tage im Monat und TCWV i dem Säulenwasserdampfgehalt
am jeweiligen Tag im Monat (m) und in Abhängigkeit des gewählten Breitengrades
(lat).
Des Weiteren wurde eine Bedingung für die Berechnung vorgegeben. Sie besagt, dass nur
dann der Mittelwert mit Standardabweichung berechnet wird, wenn mindestens 20% der
maximal möglichen TCWV – Werte pro Breitengrad und einer mittleren Anzahl von 30
Tagen im Monat vorhanden sind. Dabei wurde auch die Verteilung der Landmassen pro
Breitengrad berücksichtigt, da MERIS unter Beachtung der Validierung nur über Landoberflächen
zufriedenstellende TCWV – Werte liefert. Das bedeutet wiederum, dass die
maximale Anzahl an Werten pro Breitengrad und Tag, der Anzahl an Landgitterpunkten
pro Breitengrad entspricht.
Im Bereich von 84, 5 ◦ bis 90, 0 ◦ nördlicher Breite (N) ist dabei zu berücksichtigen, dass
keine Landmassen vorhanden sind, weswegen für diesen Bereich für die Analyse keine
Ergebnisse zu erwarten sind. Des Weiteren gibt es von 35, 5 ◦ bis 65, 5 ◦ Süd (S) nur einen
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

12 3 METHODIK
sehr geringen Anteil von Landmassen, der sich vor allem durch den Süden Südamerikas
und Australiens sowie durch Inseln und Inselgruppen, z.B. Neuseeland, Tasmanien und
die Falklandinseln, zusammensetzt. Die Landflächen leisten hier zur Gesamtanzahl an
Werten pro Breitengrad einen Beitrag von weniger als 25% und können daher teilweise
stark vom Ozean beeinflusst werden, was sich u.a. in einer erhöhten Wolkenbildung
äußern kann.
Für die einzelnen Monate ergeben sich durch die Mindestanzahl an Werten unterschiedliche
Breitengrade, für die aufgrund der nicht ausreichenden Datengrundlage im MERIS –
Datensatz keine Berechnungen durchgeführt werden. Um dies zu verdeutlichen, sei auf
Abbildung 4 verwiesen, in der die Bedingung (schwarze Kurve) in Kombination mit der
tatsächlichen Anzahl an vorhandenen Werten beispielhaft für Dezember 2003 (links) und
Juni 2005 (rechts) dargestellt sind. Auf der Abzisse sind dabei die Breitengrade von -90
(entspricht 90 ◦ S) bis 90 (entspricht 90 ◦ N) 7 und auf der Ordinate die Anzahl der validen
Werte von 0 bis 12.000 angegeben. Die rote Kurve gibt jeweils die Anzahl der validen
TCWV von ERA-Interim und die blaue Kurve die von MERIS wieder.
1.2•10 4
1.0•10 4
Dezember 2003
MERIS
ERA−Interim
Bedingung
1.2•10 4
1.0•10 4
Juni 2005
MERIS
ERA−Interim
Bedingung
Anzahl der Werte
8.0•10 3
6.0•10 3
4.0•10 3
Anzahl der Werte
8.0•10 3
6.0•10 3
4.0•10 3
2.0•10 3
2.0•10 3
0
−90 −60 −40 −20 0 20 40 60 90
Breitengrad
0
−90 −60 −40 −20 0 20 40 60 90
Breitengrad
Abbildung 4: Anzahl der vorhandenen Werte des TCWV in Abhängigkeit des Breitengrades für
MERIS (blau) und ERA-Interim (rot) mit Angabe der Anzahl der Werte die mindestens
zur Berechnung des zonalen Mittels pro Breitengrad vorhanden sein müssen (schwarz)
links: für Dezember 2003;
rechts: für Juni 2005
Wie in der Abbildung zu erkennen ist, erfüllen die MERIS – Daten in Bereichen der
hohen und mittleren Breiten nicht über alle Monate eines Jahres die Bedingung und
werden somit nicht bei der Berechnung der zonalen Mittel für den jeweiligen Monat
berücksichtigt. Der Grund für das Nicht-Erfüllen der Anforderung ist der sich über das
Jahr verändernde Sonnenstand. Aus MERIS – Messungen kann, wie bereits erwähnt, kein
7 Diese Darstellung der Breitengrade in Abbildungen bleibt die gesamte Arbeit über erhalten.
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

13
TCWV ermittelt werden, wenn keine reflektierte solare Strahlung, z.B. in der jeweiligen
Polarnacht, vorhanden ist. Aufgrund dessen wurde beispielsweise im Dezember 2003
nur ein Bereich von 50, 5 ◦ N bis 83, 5 ◦ S und im Juni 2005 ein Bereich von 83, 5 ◦ N bis
56, 5 ◦ S betrachtet, wobei anzumerken ist, dass sich die Sonne am 21. Dezember über
dem südlichen und am 21. Juni über dem nördlichen Wendekreis im Zenit befindet.
Zu diesen Zeiten trifft dementsprechend nicht genügend solare Strahlung auf die nicht
berücksichtigten Gebiete der Nord- und Südhalbkugel.
Des Weiteren erfüllt der Bereich von 45, 5 ◦ bis 61, 5 ◦ S nicht immer die Bedingung für die
Berechnung des zonalen monatlichen TCWV – Mittels der MERIS – Daten, wie z.B. auch
in Abb. 4 auf der vorherigen Seite bei 51, 5 ◦ S, 53, 5 ◦ S, zwischen 57, 5 ◦ und 59, 5 ◦ S wie
auch bei 61, 5 ◦ und 62, 5 ◦ S für den Dezember 2003 (links) und für den Juni 2005 (rechts)
zwischen 45, 5 ◦ und 51, 5 ◦ S, aber auch zwischen 53, 5 ◦ und 55, 5 ◦ S zu erkennen ist. Dabei
ist hier als Grund für die fehlenden Daten die Möglichkeit von Wolkenbildung über den
vom Ozean beeinflussten wenigen Landmassen anzuführen.
Außerdem fällt insbesondere in der Abbildung für den Dezember 2003 (Abb. 4, links)
der Bereich vom Äquator bis in etwa 15 ◦ Süd auf. So werden keine Berechnungen
für 2, 5 ◦ , 3, 5 ◦ , 12, 5 ◦ und 13, 5 ◦ S mit den vorhandenen MERIS – TCWV – Daten durchgeführt,
da nur Werte für 23 Tage vorliegen und somit Fehlwerte, die z.B. durch Wolkenstrukturen
begründet sind, in diesem Monat schwerer ins Gewicht fallen. Der Effekt, dass die
Bedingung aufgrund von zu wenig TCWV – Werten für Tage im Monat in Kombination
mit Fehlwerten durch Wolken nicht erfüllt wird, trat nur noch einmal im Februar 2003
auf, wodurch 2, 5 ◦ , 3, 5 ◦ und 13, 5 ◦ S nicht für die Berechnungen berücksichtigt werden.
Insgesamt kann man zudem erkennen, dass im ERA-Interim – Datensatz wesentlich
mehr valide TCWV – Werte vorhanden sind. Daher werden, um die Vergleichbarkeit
sicherzustellen, zur Berechnung der zonalen monatlichen Mittel und Standardabweichung
nur ERA-Interim TCWV – Werte verwendet, für die auch zur selben Zeit und am selben
Ort im MERIS – Datensatz valide Werte vorliegen. Ausnahmen bilden für ERA-Interim
hierbei nur Berechnungen für Breitengrade und Monate, für die die gestellte Bedingung
an Mindestwerten im MERIS – Datensatz nicht erfüllt wurde. In solchen Fällen werden
alle vorhandenen ERA-Interim Werte verwendet, um eine komplette Übersicht der
Wasserdampfstrukturen zu erhalten.
Nach der Prüfung der Daten und Berechnung der zonalen monatlichen Mittel mit Standardabweichung
für die TCWV – Werte von ERA-Interim und aus dem MERIS – TCWV –
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

14 3 METHODIK
Retrieval wurden die zonalen monatlichen Mittel nochmals miteinander verglichen, um
Gemeinsamkeiten oder auch Unterschiede zu betrachten. Dabei wurden die ERA-Interim –
Modelldaten in dieser Arbeit als Referenz betrachtet, da unabhängig von Wolken und Sonnenzenitstand
über den gesamten Zeitraum genügend valide Werte vorhanden sind, die
auch unter Beachtung der genannten Bedingung in die Berechnung pro geographischer
Breite einfließen können.
Die Abweichung der Daten voneinander wurde dabei wie folgt aus den zonalen monatlichen
Mitteln berechnet:
∆TCWV(m, lat) = TCWV ERA−Interim (m, lat) − TCWV MERIS (m, lat) (7)
Die nach diesem Vorgehen erzielten Ergebnisse und die daraus resultierenden Wasserdampfstrukturen
werden in Abschnitt 4 auf der nächsten Seite dargestellt und erläutert.
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

15
4 Ergebnisse
In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Untersuchung der Wasserdampfstrukturen
aller vorhanden Monate der vorgegebenen sechs Jahre vorgestellt. Dazu werden die
einzelnen zonalen Mittel der Monate in Kapitel 4.1 ab Seite 15 zusammenhängend jeweils
für ERA-Interim und für MERIS analysiert und erklärt. Das gleiche Vorgehen folgt später
auch für die zonalen monatlichen Standardabweichungen in Kapitel 4.2 ab Seite 21.
In Zusammenhang mit dieser Betrachtung kann eine Einteilung nach Zonen vorgenommen
werden, um so die Strukturen des Säulenwasserdampfgehalts zu beschreiben. Dabei
erfolgt die Gruppierung der Zonen auf Grundlage des im Mittel auftretenden zonalen
monatlichen TCWV – Mittel, des Intervalls, in dem er auftritt und in Abhängigkeit der
Änderung der Werte innerhalb einer Zone für den gesamten Zeitraum.
Abschließend wird die Abweichung der zonalen monatlichen TCWV – Mittel von MERIS
zu ERA-Interim in Kapitel 4.3 ab Seite 26 betrachtet, um eine Aussage über die Vergleichbarkeit
und die Übereinstimmung der betrachteten Zonen in den beiden Datensätzen
treffen zu können.
4.1 Zonale Monatliche Mittel
In Abbildung 5 auf der nächsten Seite sind die zonalen monatlichen Mittel des TCWV in
Kilogramm pro Quadratmeter von ERA-Interim für alle 72 Monate dargestellt. Auf der
x-Achse sind dazu die Monate von Januar 2003 bis Dezember 2008 wiederzufinden und
auf der y-Achse die Zonen bzw. Breitengrade von 90 ◦ Süd bis 90 ◦ Nord. Der Farbbalken
auf der rechten Seite der Abbildung liefert die zugehörigen TCWV – Werte in Kilogramm
pro Quadratmeter zu den Farben. Die Farbskala reicht dabei von dunkelblau mit 0 kg
m 2 bis
dunkelrot mit 53 kg
m 2 . Der weiße Bereich von 84, 5 ◦ bis 90 ◦ kennzeichnet dabei Fehlwerte
aufgrund der nicht vorhandenen Landmassen in dieser Region.
Die Abbildung zeigt eine periodische Änderung des TCWV mit der Zeit, wodurch
eindeutig Strukturen zugehörig zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Breitengraden
identifiziert werden können. Die für diese Arbeit verwendete Einteilung der Zonen zur
Beschreibung der Abbildung und Strukturen ist in Tabelle 1 auf Seite 17 wiederzufinden,
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

16 4 ERGEBNISSE
90
80
70
60
50
45
50
40
40
Breitengrad
30
20
10
0
−10
−20
−30
−40
35
30
25
20
15
TCWV in [kg/m^2]
−50
−60
10
−70
−80
−90
Jan
2003 2003
Jun
Dec
2003
Jun
2004
Dec
2004
Jun
2005
Dec
2005
Jun
2006
Dec
2006
Jun
2007
Dec
2007
Jun
2008
Dec
2008
5
0
Monat
Abbildung 5: Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in kg der ERA-Interim – Daten für einen
m
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 2
über Landoberflächen
wobei zugehörig auch die Mittel, das Minimum und das Maximum des zonalen ERA-
Interim – TCWV über den gesamten Zeitraum den jeweiligen Bereichen zugeordnet
ist.
Allgemein ist sowohl in Abb. 5 als auch in Tab. 1 auf der nächsten Seite zu erkennen, dass
um den Äquator die höchsten TCWV – Werte auftreten, welche dann in Richtung Norden
und Süden abfallen. Zudem wird die Variabilität des Wasserdampfs in der Atmosphäre
durch die sich ändernden Werte entlang der Breitengrade einer Zone über den gesamten
Zeitraum durch die Farbänderung in der Abbildung deutlich.
In der Äquatorregion treten mit im Mittel 45, 3 kg die höchsten TCWV – Werte auf. Dabei
m 2
variieren sie von minimal 35, 0 bis maximal 52, 5 kg über den gesamten Zeitraum und
m 2
weichen somit maximal um 17, 5 kg voneinander ab.
m 2
Der direkt an diesen Bereich Anschließende, der südlichen und nördlichen Tropen, weist,
entsprechend des horizontalen Temperaturgefälles nach Nord und Süd, die zweithöchsten
zonalen TCWV – Werte auf. Dabei verändert sich der Wert des TCWV jährlich im Mittel
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.1 Zonale Monatliche Mittel 17
Tabelle 1: Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus ERA-Interim – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
Zone Bereich in Grad Mittel
der Zone
in kg
m 2
Minimum
der Zone
in kg
m 2
Maximum
der Zone
in kg
m 2
nördliche hohe Breiten 60 bis 90 6.5 1.4 21.5
nördliche mittlere Breiten 40 bis 60 11.7 3.3 23.9
nördliche Subtropen 20 bis 40 17.6 6.0 36.7
nördliche Tropen 5.5 bis 20 33.5 15.5 51.1
Äquatorregion -5.5 bis 5.5 45.3 35.0 52.5
südliche Tropen -5.5 bis -20 36.1 18.0 50.9
südliche Subtropen -20 bis -40 18.7 9.7 39.8
südliche mittlere Breiten -40 bis -60 11.0 2.5 21.8
südliche hohe Breiten -60 bis -90 2.5 0.2 11.6
über alle Breitengrade der Zone maximal um 24, 1 kg
m 2 in der nördlichen Hemisphäre und
um 21, 4 kg
m 2 in der Südlichen, wodurch diese beiden Zonen durch die höchsten TCWV –
Änderungen mit der Zeit gekennzeichnet sind.
In der Zone der Subtropen sind auffällig geringere TCWV – Werte wiederzufinden. Im
Mittel betragen sie 17, 6 kg in diesem Bereich der Nordhalbkugel und 18, 7 kg auf der
m 2
m 2
Südhalbkugel. Insgesamt ändert sich der zonale TCWV dieser Zone dabei mit der Zeit
ähnlich stark wie der des zuvor genannten Bereichs.
In den mittleren Breiten, d.h. von 40 ◦ bis 60 ◦ N bzw. S, sind im Mittel wieder geringere
TCWV – Werte als in den äquatornäheren Zonen zu finden. Die Variation des TCWV
mit der Zeit ist dabei für die Südhalbkugel deutlich geringer als für die Nordhalbkugel
und beträgt nur 8, 6 kg
m 2 . Die mittleren Breiten der Nordhalbkugel weisen hingegen eine
maximale Änderung des TCWV von im Mittel 19, 0 kg
m 2 auf.
Schließlich folgt noch die letzte Zone von 60 ◦ bis 90 ◦ N bzw. S. In diesen Bereichen sind die
im Mittel geringsten TCWV – Werte mit 6, 5 kg
m 2 im Norden und 2, 5 kg
m 2 im Süden zu finden.
Die jährliche Änderung des TCWV ist dabei auch in diesen Zonen je Hemisphäre die geringste
und beträgt über alle Breitengrade dieser Zone gemittelt maximal 14, 1 bzw. 3, 1 kg
m 2
im Norden bzw. Süden, wobei auch hier wieder ein deutlicher Unterschied der Variabilität
zwischen den Hemisphären zu erkennen ist.
Die Darstellung der zonalen monatlichen TCWV – Mittel, die aus MERIS – Daten stammen,
liefert dieselbe periodische Struktur mit den höchsten Werten in Äquatornähe und
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

18 4 ERGEBNISSE
abfallenden TCWV – Werten zu den Polen hin, wobei die Werte in den Zonen leicht von
denen von ERA-Interim abweichen.
In Abbildung 6 auf der nächsten Seite sind die mittleren zonalen TCWVs von MERIS in
Kilogramm pro Quadratmeter in Abhängigkeit des Monats und des Breitengrades aufgetragen.
Dabei ist die Achsen- und Farbeinteilung analog zu der der zonalen monatlichen
Mittel ERA-Interims.
90
80
70
60
50
45
50
40
40
Breitengrad
30
20
10
0
−10
−20
−30
−40
35
30
25
20
15
TCWV in [kg/m^2]
−50
−60
10
−70
−80
−90
Jan
2003 2003
Jun
Dec
2003
Jun
2004
Dec
2004
Jun
2005
Dec
2005
Jun
2006
Dec
2006
Jun
2007
Dec
2007
Jun
2008
Dec
2008
5
0
Monat
Abbildung 6: Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in kg der MERIS – Daten für einen Zeitraum
m
von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen
2
Besonders auffällig sind die meist periodisch auftretenden, weiß gekennzeichneten Fehlwertbereiche
in dieser Abbildung. In den nördlichen Breiten können sie für den Bereich
von 84, 5 ◦ bis 90 ◦ N mit fehlenden Landmassen und im Bereich von 50, 5 ◦ bis 84, 5 ◦ N mit
fehlender reflektierter solarer Strahlung im Jahresverlauf erklärt werden. In der südlichen
Hemisphäre ist eine größere Breitenzone periodisch mit Fehlwerten belegt, da der vorhandene
TCWV in diesen Gebieten nach der zuvor gestellten Bedingung nicht repräsentativ
ist. Sie erstreckt sich von 45 ◦ bis 90 ◦ S und ist nicht mehr nur durch die fehlende solare
Strahlung aufgrund des Sonnenzenitstandes im Südwinter zu erklären. Dabei sei an
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.1 Zonale Monatliche Mittel 19
dieser Stelle jedoch auf das Kapitel 3 ab Seite 11 verwiesen, in dem bereits der Einfluss
von Wolken und einem geringeren Landmassenanteil vorgestellt wurde. Ebenso wurden
dort bereits Gründe für die Fehlwerte im Bereich südlich des Äquators im Februar und
Dezember 2003 erörtert.
Des Weiteren wurden auch hier wieder die Zonen zur Beschreibung der Abbildung
mit zugehörigen Mittelwerten, Minima und Maxima des gesamten Zeitraumes zusammengefasst
und sind in Tabelle 2 zu finden. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass die
mit Sternchen (*) gekennzeichneten Bereiche zwar Angaben zu Mittelwert, Minima und
Maxima haben, jedoch nicht eindeutig vergleichbar mit denen von ERA-Interim sind.
Insbesondere die Minima und dadurch auch die Mittelwerte könnten in diesen Zonen
von den Angegebenen abweichen, da zumeist die entsprechenden Wintermonate über
größere Bereiche mit Fehlwerten belastet sind. Sie sind hier der Vollständigkeit halber
angegeben, um eine komplette Übersicht zu erhalten.
Tabelle 2: Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus MERIS – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
Zone Bereich in Grad Mittel
der Zone
in kg
m 2
Minimum
der Zone
in kg
m 2
Maximum
der Zone
in kg
m 2
nördliche hohe Breiten 60 bis 90 * 8.4 2.1 22.1
nördliche mittlere Breiten 40 bis 60 * 11.8 2.9 25.0
nördliche Subtropen 20 bis 40 18.6 5.9 36.9
nördliche Tropen 5.5 bis 20 34.2 17.1 51.2
Äquatorregion -5.5 bis 5.5 44.6 35.5 51.1
südliche Tropen -5.5 bis -20 35.8 18.7 49.6
südliche Subtropen -20 bis -40 18.9 9.1 39.5
südliche mittlere Breiten -40 bis -60 * 10.9 5.0 20.6
südliche hohe Breiten -60 bis -90 * 3.4 0.7 12.6
Der Bereich der Äquatorregion ist auch in den aus MERIS – Daten ermittelten zonalen
monatlichen Mitteln jener, der die höchsten TCWV – Werte mit im Mittel 44, 6 kg
m 2 aufweist.
Dabei tritt auch hier wieder eine verhältnismäßig geringe Variabilität über den gesamten
Zeitraum, mit einem minimalen TCWV von 35, 5 kg
m 2
von 51, 1 kg , auf.
m 2
und einem maximalen TCWV
Die daran anschließenden Zonen der nördlichen und südlichen Tropen und Subtropen sind
hingegen wieder durch eine hohe Variabilität von über 20 kg
m 2 im Norden und über 18 kg
m 2
im Süden geprägt. Dabei sind in den Tropen deutlich höhere TCWV – Werte mit im Mittel
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

20 4 ERGEBNISSE
34, 2 bzw. 35, 8 kg
m 2 wiederzufinden. Im Bereich der Subtropen sind die TCWV – Mittel der
Zone hingegen im Vergleich dazu um mehr als 15 kg
m 2 geringer.
Der mittlere TCWV aus MERIS – Daten der mittleren und hohen Breiten weist trotz der
Lücken ähnliche Werte zu denen von ERA-Interim auf. Dabei schwanken die zonalen
TCWV – Werte in den nördlichen, hohen und mittleren Breiten jährlich im Mittel um maximal
12, 2 und 20, 3 kg
m 2 , in den südlichen, mittleren Breiten hingegen nur um maximal 9, 1 kg
m 2
innerhalb der abgebildeten Monate. In den südlichen, hohen Breiten tritt hier, wie bei
den zonalen monatlichen Mitteln der ERA-Interim – Daten, die geringste Variabilität des
TCWV auf. Dabei liegt eine über alle Breiten gemittelte jährliche Änderung des TCWV
von maximal 2, 6 kg
m 2 vor.
Die Strukturen, die in den zonalen monatlichen Mitteln des TCWV der ERA-Interim
– und MERIS – Daten auftreten, zeigen eine eindeutige Sonnenstands- bzw. dadurch
Temperaturabhängigkeit. Der Sonnenstand beeinflusst hierbei die Temperaturen aufgrund
der Wärmezufuhr durch Einstrahlung. Gebiete, über denen sich die Sonne im Zenit
befindet, sind dabei durch eine höhere Wärmezufuhr als weiter davon entfernte Gebiete
gekennzeichnet, wodurch dort wiederum auch höhere Temperaturen begründet sind.
Zudem verändert sich die Position des Zenitstandes der Sonne zwischen nördlichem und
südlichem Wendekreis im Laufe des Jahres aufgrund der Neigung der Rotationsachse
der Erde zur Ekliptik, was zur Folge hat, dass die Einstrahlung und somit auch die
Temperaturen über einem bestimmtem Gebiet über das Jahr varrieren.
Da die Temperatur nach der Clausius–Clapeyron – Gleichung auch die Wasserdampfaufnahme
der Atmosphäre beeinflusst, ist in den jeweiligen Hemisphären – Wintermonaten
je der geringste Wasserdampfgehalt pro Jahr und Zone und in den jeweiligen Sommermonaten
der Höchste wiederzufinden. Hierbei ist anzumerken, dass Zonen um den Äquator
eine ganzjährig hohe Wärmezufuhr haben und daher in diesen Bereichen auch ganzjährig
die höchsten TCWV – Werte auftreten.
Zudem sind die Maxima und Minima des zonalen TCWV in Monaten anzutreffen, die
eine leichte Verschiebung zum eigentlichen Zeitpunkt des Sonnenzenitstandes haben. So
liegen die zonalen Minima bzw. Maxima im Januar – Februar (Winter der Nordhemisphäre,
Sommer der Südhemisphäre) und im Juli – August (Sommer der Nordhemisphäre,
Winter der Südhemisphäre). Diese Feststellung ist darauf zurückzuführen, dass sich die
Erdoberfläche zunächst erwärmen muss. Das bedeutet, dass die Strahlungsenergie der
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 21
Sonne je nach Oberfläche unterschiedlich stark absorbiert wird, bevor sie in Form von
Wärmeenergie wieder an die Atmosphäre abgegeben wird.
Des Weiteren sind auf der Nordhalbkugel mehr Breiten durch eine deutliche, jahreszeitlich
bedingte Änderung des TCWV gekennzeichnet. Dies ist auf die erhöhte Wärmespeicherkapazität
des Ozeans gegenüber Landoberflächen zurückzuführen und steht somit wieder
aufgrund der Clausius–Clapeyron – Gleichung in Zusammenhang mit der Wasserdampfaufnahme
der Atmosphäre. Die Nordhalbkugel ist aufgrund der Landmassenverteilung
weniger stark vom Ozean beeinflusst. Die betrachteten Gebiete kühlen mit sinkender Wärmezufuhr
durch Einstrahlung stärker und schneller aus und können mit zunehmender
Wärmezufuhr stärker und schneller aufheizen. Die wenigen Landmassen der Südhemisphäre
stehen hingegen aufgrund ihrer Verteilung unter einem stärkeren Einfluss des
Ozeans. Die betrachteten Gebiete kühlen nicht so schnell in den entsprechend kälteren
Monaten aus bzw. heizen sich nicht so schnell und stark in den entsprechenden wärmeren
Monaten auf. Aufgrund dessen sind in den mittleren Breiten der Nordhalbkugel
vergleichsweise hohe Änderungen des TCWV über das Jahr festzustellen, wohingegen die
Änderung in den südlichen mittleren Breiten weniger als 10 kg
m 2 beträgt.
Die Ausnahme bilden hierbei die Polarregionen. Die Arktis wird durch ein Eisschild,
welches sich auf dem Nordpolarmeer befindet, dargestellt. Die Antarktis ist hingegen ein
mit Eis bedeckter Kontinent. Aufgrund der Wechselwirkung mit dem Ozean ist somit die
Arktis im Jahresmittel durch höhere Temperaturen als die Antarktis geprägt, was sich
deutlich im zonalen TCWV aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Wasserdampfaufnahme
der Atmosphäre äußert. Wobei natürlich auch in diesen Regionen der höchste
zonale TCWV in den jeweiligen Sommermonaten und der Niedrigste in den jeweiligen
Wintermonaten auftritt.
4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung
Im Folgenden wird die Standardabweichung des ERA-Interim und MERIS TCWV zugehörig
zu den zonalen monatlichen Mitteln betrachtet, um ein Maß für die Streubreite der
Werte innerhalb eines Monats zugehörig zu den Zonen zu erhalten. Daraus können u.a.
auch Rückschlüsse auf die Verlässlichkeit der ermittelten, zonalen monatlichen Mittel
innerhalb der Bereiche gezogen werden. Die Einteilung der Zonen, die schon in Abschnitt
4.1 vorgenommen wurde, wird dabei zur Beschreibung beibehalten.
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

22 4 ERGEBNISSE
Abbildung 7 auf der nächsten Seite zeigt die zonale monatliche Standardabweichung des
zonalen monatlichen ERA-Interim TCWV in Abhängigkeit vom Monat (x-Achse) und
Breitengrad (y-Achse) für den gesamten Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008.
Die Farbskala auf der rechten Seite gibt den farblich zugehörigen Wert der TCWV –
Standardabweichung in Kilogramm pro Quadratmeter an, wobei sie von 0 bis 18 kg
m 2 reicht.
90
80
18
70
16
60
50
14
40
30
12
Breitengrad
20
10
0
−10
−20
10
8
TCWV in [kg/m^2]
−30
6
−40
−50
4
−60
−70
2
−80
−90
Jan
2003 2003
Jun
Dec
2003
Jun
2004
Dec
2004
Jun
2005
Dec
2005
Jun
2006
Dec
2006
Jun
2007
Dec
2007
Jun
2008
Dec
2008
0
Monat
Abbildung 7: Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg der ERAm
Interim – Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2
2008 über
Landoberflächen
Insgesamt liegt die monatliche zonale Standardabweichung mit Ausnahme des Bereiches
zwischen 40 ◦ Süd bis 40 ◦ Nord im Mittel unter 10 kg und im Bereich vom Äquator
bis 40 ◦ S bzw. N periodisch darüber. Die periodische Änderung der
m 2
Standardabweichung
ist dabei vor allem auf der Nordhalbkugel deutlicher erkennbar.
Die Zone von 5, 5 ◦ S bis 5, 5 ◦ N hat, im Vergleich zum entsprechenden monatlichen Mittel,
mit durchschnittlich 9, 0 kg die geringste monatliche Standardabweichung, obwohl die
m 2
Absolutwerte der mittleren und hohen Breiten geringer sind. So beträgt die Standard-
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 23
abweichung der südlichen hohen Breiten im Mittel zwar nur 1, 4 kg
m 2 , ist aber dennoch
im Vergleich zum durchschnittlich auftretenden zonalen monatlichen Mittel von 2, 5 kg
m 2
mit 54, 9% die Höchste.
Die höchsten Absolut – Standardabweichungen von maximal 17, 8 kg sind so auf der
m 2
Nordhalbkugel im Bereich Subtropen zu finden. Die Streuung entspricht auch hier über
50% des im Mittel auftretenden zonalen monatlichen TCWV. Dabei sind in dieser Zone
die höchsten Werte im Bereich des nördlichen Wendekreises leicht versetzt zum Zeitpunkt
des dortigen Sonnenzenits wiederzufinden.
Der Bereich der nördlichen Tropen weist die im Mittel höchste absolute Standardabweichung
auf. Sie beträgt 11, 4 kg
m 2 , aber streut um den mittleren zonalen TCWV um lediglich
32, 9%.
Die Zonen der südlichen Tropen und Subtropen sind in Abb. 7 durch ähnlich hohe, maximale
Standardabweichungen gekennzeichnet. Dennoch treten im Bereich der südlichen
Subtropen im Vergleich zu den zonalen monatlichen Mitteln mit durchschnittlich 7, 9 kg
m 2 ,
was einer Streuung von 42, 3% entspricht, höhere Standardabweichungen auf als in der
zum Äquator näheren Zone.
Die mittleren Breiten der Nord- und Südhalbkugel zeigen im Weiteren im jeweiligen
Hemisphärensommer höhere Standardabweichungen als im jeweiligen Winter, wobei
sie über den gesamten Zeitraum minimal 2, 2 bzw. 1, 3 kg
m 2
betragen.
und maximal 9, 6 bzw. 8, 1 kg
m 2
Die Darstellung der zonalen monatlichen Standardabweichung des MERIS TCWV wurde
analog zu der vorherigen gewählt und ist in Abbildung 8 zu finden. Hierbei ist die Achseneinteilung
und Farbwahl zugehörig zur Standardabweichung des zonalen monatlich
TCWV analog zu der in Abbildung 7 auf der vorherigen Seite.
Insgesamt ist die Darstellung der Standardabweichungen des MERIS TCWV ähnlich zu
der von ERA-Interim. Allerdings treten hier im Mittel höhere Werte auf, was insbesondere
für den Bereich von 40 ◦ S bis 40 ◦ N in der Abbildung deutlich wird. Mit Ausnahme dieses
Bereichs beträgt die Standardabweichung dennoch auch für MERIS meist weniger als
10 kg
m 2 .
In Abbildung 8 ist wie auch bereits für die ERA-Interim Daten die im Verhältnis zum
zonalen monatlichen Mittel geringste im Mittel vorliegende Standardabweichung mit
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

24 4 ERGEBNISSE
90
80
18
70
16
60
50
14
40
30
12
Breitengrad
20
10
0
−10
−20
10
8
TCWV in [kg/m^2]
−30
6
−40
−50
4
−60
−70
2
−80
−90
Jan
2003 2003
Jun
Dec
2003
Jun
2004
Dec
2004
Jun
2005
Dec
2005
Jun
2006
Dec
2006
Jun
2007
Dec
2007
Jun
2008
Dec
2008
0
Monat
Abbildung 8: Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg
m 2 der MERIS –
Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen
10, 8 kg
m 2 in der Äquatorregion wiederzufinden, was einer Standardabweichung von durchschnittlich
24, 2% entspricht.
Die höchste Standardabweichung im Vergleich zum im Mittel auftretenden zonalen TCWV
ist auch hier in den südlichen hohen Breiten vorhanden. Sie beträgt im Mittel 59, 2%,
wobei anzumerken ist, das sie, genau wie die Standardabweichung der südlichen mittleren
Breiten, nur aus den innerhalb der Bedingung validen Werten berechnet wurde. Dennoch
ist in der Abbildung in den dargestellten Bereichen zu erkennen, dass die genannten
Zonen der Südhalbkugel vergleichsweise konstante Standardabweichungen aufweisen.
Im Gegensatz dazu ist im dargestellten Bereich der hohen und mittleren Breiten der
Nordhalbkugel eine Tendenz zu einer jahreszeitlichen Abhängigkeit zu erkennen, was sich
durch die zwischen Dezember und Juni ansteigenden Standardabweichungen äußert.
Wie in den ERA-Interim – Standardabweichungen tritt auch in denen von MERIS zonalem
TCWV die absolut Höchste im Bereich der nördlichen Subtropen auf und beträgt maximal
17, 6 kg
m 2 . Die mittlere Standardabweichung in dieser Zone beträgt dabei über 50% im
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.2 Zonale Monatliche Standardabweichung 25
Vergleich zum im Mittel auftretenden Säulenwasserdampfgehalt. Hierbei ist auch in dieser
Abbildung das Maximum der Standardabweichung innerhalb der Zone leicht verschoben
zum Zeitpunkt des Sonnenzenitstandes am nördlichen Wendekreis wiederzufinden.
Analog zu den zonalen monatlichen Standardabweichungen von ERA-Interim hat der
Bereich der nördlichen Tropen die höchsten mittleren Standardabweichungen mit durchschnittlich
12, 2 kg
m 2 für den betrachteten Zeitraum.
Dabei sind ähnlich hohe Werte in diesem Bereich der Südhalbkugel zu finden. Die mittlere
Standardabweichung beträgt dort 11, 9 kg , wobei das Intervall in dem Standardabweichungen
auftreten mit 9, 7 kg bis 14, 9 kg kleiner ist. Somit ist diese Zone das ganze Jahr über von
m 2
m 2 m 2
ähnlichen Standardabweichungen geprägt, wohingegen dieser Bereich der Nordhalbkugel
eine periodische Änderung aufweist.
Die periodische Änderung der zonalen monatlichen Standardabweichung ist sowohl in der
Darstellung von ERA-Interim als auch in der von MERIS für die Nordhalbkugel deutlich
erkennbar, was mit den sich über das Jahr ändernden Temperaturen zusammenhängt.
Insbesondere treten stets höhere Standardabweichungen im jeweiligen Hemisphärensommer
als -winter auf, da durch die höhere Wärmezufuhr, die damit verbundenen höheren
Temperaturen die Verdunstung, die in Zusammenhang mit Konvektion zu Wolkenbildung
und Niederschlägen führt, begünstigen. Daher variiert der Wasserdampfgehalt dieser
Zonen zum Zeitpunkt des Nordhemisphären – Sommers stärker als im Winter, was sich
in höheren monatlichen Standardabweichungen äußert.
Dabei sind die höchsten Absolut – Standardabweichungen auf der Nordhalbkugel im
Bereich der Subtropen zu finden, da diese Zone besonders stark durch die Wärmezufuhr
durch Einstrahlung beeinflusst wird, da innerhalb dieser Zone der nördliche Wendekreis
liegt, über dem sich die Sonne Ende März im Zenit befindet. Die höchsten Werte sind
dabei im Bereich des nördlichen Wendekreises leicht versetzt zum Zeitpunkt des dortigen
Sonnenzenits wiederzufinden, da es zunächst einmal zu einer Erwärmung kommen muss,
bevor mehr Wasserdampf aufgenommen werden kann. Folglich kann durch Konvektion
eine erhöhte Wolkenbildung und Niederschlag auftreten, was wiederum den täglich
vorliegenden Wasserdampfgehalt beeinflusst.
Auf der Südhalbkugel ist diese periodische Struktur hingegen nicht so deutlich zu erkennen,
was auf den Einfluss des Ozeans auf die verhältnismäßig wenigen Landmassen der
Südhemisphäre zurückzuführen sein könnte. Die Temperaturen innerhalb der Zonen sind
über den gesamten Zeitraum, aufgrund der Wärmespeicherkapazität des Ozeans, in der
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

26 4 ERGEBNISSE
Regel konstanter als auf der Nordhalbkugel, was sich hier in den Standardabweichungen
des Wasserdampfgehalts zeigt. Dennoch sind die absoluten Standardabweichungen
in Regionen, die an den Äquator angrenzen, höher als in den hohen und mittleren
Breiten, was auf mit den über den gesamten Zeitraum hohen Temperaturen und somit
Austauschprozessen des Wasserdampfs innerhalb der Atmosphäre zurückzuführen sein
könnte.
Im Bereich um den Äquator selbst, d.h. in der Zone von 5, 5 ◦ S bis 5, 5 ◦ N, treten in beiden
Abbildungen die geringste Standardabweichung im Vergleich zum zonalen Mittel auf,
was durch die ganzjährig hohen Temperaturen durch solare Einstrahlung erklärt werden
könnte. So verändert sich das Verhältnis von Verdunstung und Niederschlag in diesen
Breiten innerhalb eines Monats weniger als in den anderen Zonen, wodurch auch der
Wasserdampfgehalt konstanter ist als in den anderen Zonen.
4.3 Abweichung
Im folgenden Abschnitt werden nun die zonalen monatlichen Mittel der MERIS – und
ERA-Interim – Daten durch die Berechnung und Darstellung der Abweichung einander
gegenüber gestellt, um die Vergleichbarkeit zu überprüfen. Da hierfür die ERA-Interim –
Daten als Referenz verwendet werden, bedeuten positive Werte, dass MERIS einen kleineren
zonalen monatlichen Wasserdampfgehalt als ERA-Interim aufweist, also dass MERIS
den vorhandenen TCWV pro Breitengrad und Monat unterschätzt. Negative Werte stehen
hingegen dafür, dass MERIS den TCWV überschätzt bzw. dass, vereinfacht ausgedrückt,
MERIS höhere Werte des zonalen monatlichen mittleren TCWV liefert als ERA-Interim.
Die Abweichung wurde in Abbildung 9 auf der nächsten Seite dargestellt. Dazu sind auf
der Abzisse die vorhandenen Monate und auf der Ordinate die Breitengrade abgebildet.
Der Farbbalken gibt die Abweichung in Kilogramm pro Quadratmeter an und reicht
von dunkelblau bis dunkelrot bzw. von −6 bis 6 kg
m 2 . Die in der Abbildung auftretenden
Lücken sind hier durch Bereiche mit nicht repräsentativen TCWV – Werten von MERIS
begründet und sind somit analog zu denen in den zonalen monatlichen Mitteln und
Standardabweichungen von MERIS.
Insgesamt lässt sich in der Abbildung eine sehr gute Übereinstimmung der zonalen
monatlichen TCWV – Mittel von MERIS und ERA-Interim erkennen, da die Abweichung
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

4.3 Abweichung 27
90
80
70
6
5
60
4
50
40
3
30
2
Breitengrad
20
10
0
−10
−20
1
0
−1
TCWV in [kg/m^2]
−30
−2
−40
−50
−3
−60
−4
−70
−80
−90
Jan
2003 2003
Jun
Dec
2003
Jun
2004
Dec
2004
Jun
2005
Dec
2005
Jun
2006
Dec
2006
Jun
2007
Dec
2007
Jun
2008
Dec
2008
−5
−6
Monat
Abbildung 9: Abweichung der zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg der MERIS – Daten
m
von den ERA-Interim – Daten für einen Zeitraum von Januar 2
2003 bis Dezember
2008 über Landoberflächen
voneinander größtenteils geringer ist als die zugehörigen Standardabweichungen. Ausnahmen
sind in der Regel der Bereich über 80 ◦ N und zwischen 65 ◦ und 70 ◦ S für die
hier vorgegebenen Monate. Des Weiteren befinden sich die zonalen monatlichen Mittel
im Bereich von 40 ◦ bis 55 ◦ S für die jahreszeitlich bedingt kühlsten, abgebildeten Monate
nicht innerhalb der Standardabweichung voneinander.
Die stärksten Abweichungen der zonalen monatlichen Mittel voneinander sind hier
vorwiegend im positiven Bereich der Skala zu finden. Die negative Abweichung beträgt
hingegen nicht weniger als −3, 6 kg
m 2 und tritt zudem wesentlich seltener in dieser Höhe
auf.
Von größeren positiven Abweichungen ist insbesondere die Zone um den Äquator von
Oktober/Dezember bis Mai/Juni betroffen, wobei hier die Jahre 2003/04, 2005/06 und
2007/08 hohe positive Abweichungen mit bis zu 5 kg aufweisen. Dabei tragen hier insbesondere
zu gering eingeschätzte TWCVs über Indonesien zu der hohen
m 2
positiven
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28 4 ERGEBNISSE
Abweichung bei. Den geringeren ermittelten Wasserdampfgehalt durch das MERIS –
Retrieval kann man dabei auf die Wolkenerkennung zurückführen. Wenn Wolken, bevor
das Retrieval durchgeführt wird, nicht erkannt werden, wird die Strahlung in einer zu
hohen Schicht reflektiert und ist somit einer wesentlich geringeren Absorption durch
Wasserdampf ausgesetzt, da dieser sich zu einem Großteil darunter befindet. Dadurch
ergeben sich wiederum geringe Wasserdampfgehälter, als tatsächlich vorhanden sind.
Auch im Bereich der mittleren bis hohen Breiten der Nord- und Südhalbkugel sind
die teils hohen positiven Abweichungen durch die Wolkenerkennung zu erklären. Da
Abweichungen von bis zu 3 kg in der nördlichen Hemisphäre und bis zu 4 kg in der
m 2
m 2
südlichen Hemisphäre hier vorwiegend in den kältesten verzeichneten Monaten pro
Breitengrad auftreten, ist als Hauptgrund im Speziellen die Unterscheidung zwischen
Schnee- bzw. Eisflächen und Wolken anzuführen.
Negative Abweichungen treten, wie bereits erwähnt, in geringerem Ausmaß als positive
Abweichungen auf, wobei sie dennoch einen Großteil der ermittelten Abweichungen
darstellen. Diese höhere Einschätzung des Wasserdampfgehalts durch MERIS wurde
auch schon bei der Validation der MERIS – Daten über Landflächen gegenüber anderen
Messverfahren festgestellt [Lindstrot et al., 2012], wobei als mögliche Gründe eine ungenaue
Beschreibung der Wasserdampfkontinuumabsorption oder die Kalibrierung des
Instruments in der Arbeit von Lindstrot et al. [2012] genannt werden.
Trotz der beschriebenen Abweichungen sind die zonalen monatlichen Mittel des TCWV
von MERIS und ERA-Interim meist innerhalb ihrer Standardabweichungen als gleich zu
betrachten, wodurch die in Kapitel 4.1 auf Seite 15 eingeteilten Bereiche zur Untersuchung
von in diesen Zonen vorrangig auftretenden Wasserdampfmustern bestätigt wird.
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29
5 Zusammenfassung und Diskussion
Mithilfe der zonalen monatlichen Mittel des Säulenwasserdampfgehalts aus Daten von
ERA-Interim und MERIS konnten zonale Strukturen des Wasserdampfs über Landflächen
bestimmt werden. Dabei zeigt sich sehr deutlich die Temperaturabhängigkeit der
Aufnahme von Wasserdampf in der Atmosphäre durch die höchsten TCWV – Werte pro
Zone über den gesamten Zeitraum in Abhängigkeit des Sonnenzenitstandes bzw. der
höchsten Wärmezufuhr durch Einstrahlung. Zudem sind Unterschiede auf der Nord- und
Südhalbkugel für Zonen, die gleich weit vom Äquator entfernt sind, zu verzeichnen, was
auf den Einfluss des Ozeans auf Landflächen zurückgeführt werden kann und mit dessen
Wärmespeicherkapazität zusammen hängt.
Die in dieser Arbeit beschriebenen Zonen sind dabei im MERIS – und ERA-Interim –
Datensatz dieselben und weisen ähnliche Werte auf. So finden sich am Äquator und den
direkt an ihn anschließenden Breitengraden die im Mittel höchsten zonalen monatlichen
Wasserdampfgehälter über den gesamten Zeitraum wieder. Dabei unterliegen sie einer
geringfügigen jährlichen Änderung und weisen die kleinste prozentuale Standardabweichung
auf.
Die daran anschließende Zone bis 20 ◦ Nord bzw. Süd weist hingegen im Mittel einen um
bis zu 10 kg
m 2 geringeren Wasserdampfgehalt auf, aber gleichzeitig die größte Variabilität
der Mittel und die höchsten mittleren Standardabweichungen je für Süd und Nord
über den betrachteten Zeitraum. Dabei sind die über die anteiligen Breiten gemittelten
Wasserdampfgehälter der Zone der Südhalbkugel höher als die der Nordhalbkugel. Die
Standardabweichungen und Änderungen innerhalb der Zone sind jedoch im Mittel für
die südliche Hemisphäre geringer.
Dieser Unterschied zwischen Nord- und Südhalbkugel einer Zone kann auch im Bereich
der Subtropen beobachtet werden. Allerdings liegt in diesen Breiten ein deutlich geringerer
mittlerer Säulenwasserdampfgehalt vor, wobei die Variabilität der Mittel ähnlich hoch
ist wie im vorherigen Bereich. Zudem zeichnet sich diese Zone durch hohe Standardabweichungen
von 40 bis 50% vom Mittel aus und besitzt in den nördlichen Subtropen die
höchste, maximale Standardabweichung.
Im Bereich der mittleren Breiten liegt im Vergleich zur vorherigen Zone wieder ein
geringerer Wasserdampfgehalt vor, wobei diesmal in der nördlichen Hemisphäre höhere
Werte als in der Südlichen zu beobachten sind. Die Veränderung des Wasserdampfgehalts
April 2013
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30 5 ZUSAMMENFASSUNG UND DISKUSSION
innerhalb der Zone der Nordhalbkugel über den Zeitraum ist, wie die monatliche mittlere
Standardabweichung, einer deutlicheren periodischen Schwankung unterworfen, was
durch den jahreszeitlich bedingten Sonnenstand und die damit verbundene schnelle und
starke Aufheizung bzw. Abkühlung der Landflächen begründet ist.
Letztendlich wurde noch der Bereich der hohen Breiten betrachtet, in dem aufgrund der
jährlich geringen Strahlungsenergie als in den anderen Zonen, die geringsten Wasserdampfgehälter
zu finden sind. Dabei sind in diesen Zonen allerdings sehr hohe Änderungen
des Säulenwasserdampfgehaltes über alle anteiligen Breiten gemittelt und auch hohe
mittlere Standardabweichungen aufgetreten. Dies könnte darin begründet sein, dass hier
die Betrachtung des zonalen Mittels nicht angebracht ist, da hierbei auch Extremwerte
dieser Region voll berücksichtigt werden. Als Alternative könnte man daher in diesen
Zonen auch eine regionale Betrachtung des Medians durchführen.
Zur Bestätigung der vorgenommenen Zoneneinteilung wurden zudem die zonalen monatlichen
Mittel des Säulenwasserdampfgehalts von ERA-Interim und MERIS miteinander
verglichen. Dabei ist die Abweichung der Mittel zueinander im Vergleich zu den zugehörigen
Standardabweichungen meist vernachlässigbar. Die Ausnahme bilden vor allem die
hohen nördlichen und südlichen Breiten, wodurch sich eine andere Betrachtungsweise, als
die der zonalen Mittel, auch hier noch einmal für die hohen Breiten empfehlen würde.
Die größten Unterschiede der zonalen monatlichen Säulenwasserdampfgehaltmittel traten
periodisch im Bereich der Tropen auf, wobei sie hauptsächlich durch nicht erkannte
Wolken begründet sein könnten und sich durch geringere zonale monatliche MERIS –
Wasserdampfgehälter als jene von ERA-Interim äußern. Genauso scheint die Wolken- und
Schneeunterscheidung problematisch zu sein, da insbesondere in kälteren Monaten der
mittleren und hohen Breiten ein höherer Wasserdampfgehalt in den MERIS – Mitteln
vorliegt.
Des Weiteren konnte im Allgemeinen eine Tendenz zu negativen Abweichungen für die
meisten Monate und Breiten erkannt werden, was genau wie die Validation der MERIS –
Daten gegenüber anderen Messverfahren zeigt, dass das MERIS – Retrieval den TCWV
leicht zu hoch einschätzt.
Trotz der aufgeführten Abweichungen konnten dennoch bestimmte Charakteristika des
Säulenwasserdampfgehalts beider Datensätze in den Zonen erkannt werden und so eine
Einteilung erfolgen. Diese Gruppierung bestimmter Breitengrade liefert wiederum einen
Überblick über die zonale Verteilung des Wasserdampfs in Abhängigkeit des Monats.
Nicole Docter, FU-Berlin April 2013

31
Dabei bleibt dennoch die zu Beginn erwähnte hohe zeitliche und räumliche Variabilität des
Wasserdampfgehalts in der Atmosphäre erhalten. So lassen sich bei der Betrachtung der
einzelnen Monate räumliche und bei der Betrachtung der einzelnen Breitengrade zeitliche
Inhomogenitäten bzw. Veränderungen des Wasserdampfes finden. Aufgrund dessen
können weitere zahlreiche Untersuchungen und Analysen mit den Daten vorgenommen
werden. Diese könnten sich beispielsweise mit einer genaueren Untersuchung der Zonen,
einem genauen Vergleich der Datensätze oder mit einer regionalen Untersuchung von
Strukturen hinsichtlich der Orographie oder der Polregionen beschäftigen und so auch
weiter zur genauen Untersuchung der Wasserdampfstrukturen beitragen.
April 2013
Nicole Docter, FU-Berlin

Literatur 33
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April 2013
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34 Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
1 Strahlungsabsorption des Wasserdampfs als Funktion der Wellenlänge;
oben: Emittierte Strahlung eines Schwarzen Körpers mit einer Strahlungstemperatur
von 6.000K (gelb) und 255K (rot) in Abhängigkeit von der
Wellenlänge; unten: Absorption des Wasserdampfs in Prozent in Abhängigkeit
von der Wellenlänge, Quelle: [Australian Government - Bureau of
Meteorology, nd] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2 Mittlerer ERA-Interim TCWV in kg
m 2 für einen Zeitraum von Januar 2003 bis
Dezember 2008 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 MERIS Kanäle 14 und 15 in grau sowie in schwarz die Transmissivität in
Abhängigkeit von der Wellenlänge in einem Bereich von 875 bis 950nm . . 9
4 Anzahl der vorhandenen Werte des TCWV in Abhängigkeit des Breitengrades
für MERIS (blau) und ERA-Interim (rot) mit Angabe der Anzahl der
Werte die mindestens zur Berechnung des zonalen Mittels pro Breitengrad
vorhanden sein müssen (schwarz)
links: für Dezember 2003;
rechts: für Juni 2005 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5 Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in kg
m 2 der ERA-Interim – Daten für
einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen 16
6 Zonal gemittelter, monatlicher TCWV in kg
m 2 der MERIS – Daten für einen
Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008 über Landoberflächen . . . . 18
7 Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg
m 2 der
ERA-Interim – Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember
2008 über Landoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8 Standardabweichung des zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg
m 2 der
MERIS – Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
über Landoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
9 Abweichung der zonal gemittelten, monatlichen TCWV in kg
m 2 der MERIS –
Daten von den ERA-Interim – Daten für einen Zeitraum von Januar 2003
bis Dezember 2008 über Landoberflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabellenverzeichnis
1 Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus ERA-Interim –
Daten für einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Struktur der zonalen monatlichen Mittel des TCWV aus MERIS – Daten für
einen Zeitraum von Januar 2003 bis Dezember 2008
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
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