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Tobias Borsdorff

• Die Arbeit leitet Langzeitserien der Spurengase CO und H2O aus solaren FTIR-Spektren der Stationen Zugspitze (47.4° N, 11.0° E, 2964 m ü. NN) und Garmisch (47.5° N, 11.1° E, 745 m ü. NN) ab und liefert neue Erkenntnisse über den globalen Transport von CO sowie über die räumliche Variabilität von Trends des integrierten Wasserdampfgehalts der Atmosphäre. Die Ableitung eines Spurengasprofils aus einem Infrarotspektrum wird durch starke Querempfindlichkeiten zu anderen Spurengasen verfälscht. Diese Interferenzfehler werden von der klassischen Fehlerrechnung der Fernsondierung vernachlässigt. Aktuelle Ansätze zur Fehlerrechnung unterschätzen Interferenzfehler und sind nicht auf alle Inversionsverfahren anwendbar. Eine neue Fehlerrechnung ermöglicht die korrekte Quantifizierung von Interferenzfehlern für jedes Inversionsverfahren. Eine Regularisierung wird entwickelt, die das Auftreten von Interferenzfehlern nahezu verhindert. Das neue Konzept ist für alle Spurengase undDie Arbeit leitet Langzeitserien der Spurengase CO und H2O aus solaren FTIR-Spektren der Stationen Zugspitze (47.4° N, 11.0° E, 2964 m ü. NN) und Garmisch (47.5° N, 11.1° E, 745 m ü. NN) ab und liefert neue Erkenntnisse über den globalen Transport von CO sowie über die räumliche Variabilität von Trends des integrierten Wasserdampfgehalts der Atmosphäre. Die Ableitung eines Spurengasprofils aus einem Infrarotspektrum wird durch starke Querempfindlichkeiten zu anderen Spurengasen verfälscht. Diese Interferenzfehler werden von der klassischen Fehlerrechnung der Fernsondierung vernachlässigt. Aktuelle Ansätze zur Fehlerrechnung unterschätzen Interferenzfehler und sind nicht auf alle Inversionsverfahren anwendbar. Eine neue Fehlerrechnung ermöglicht die korrekte Quantifizierung von Interferenzfehlern für jedes Inversionsverfahren. Eine Regularisierung wird entwickelt, die das Auftreten von Interferenzfehlern nahezu verhindert. Das neue Konzept ist für alle Spurengase und Fernsondierungstechniken im Infrarotbereich gültig. Aktuelle Verfahren zur Inversion von CO aus FTIR-Spektren dämpfen Variabilitäten und geben diese sogar in falschen Höhen wieder. Eine neue Regularisierung behebt diese Sensitivitätsprobleme und ermöglicht, eine Langzeitserie von CO-Profilen abzuleiten. Die Messungen belegen, dass anthropogene Emissionen einen starken Gradienten in der CO-Konzentration zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre verursachen. Es wird gezeigt, dass mit steigender Höhe der Jahresgang von CO symmetrischer wird und sich dessen Maximum gegen Sommer verschiebt. Der Nachweis gelingt, dass Großflächenbrände der nördlichen und südlichen Hemisphäre die CO-Konzentration in unterschiedlichen Höhen beeinflussen. Seit 20 Jahren werden Langzeitmessungen von strato-mesosphärischem CO über mittleren Breiten gefordert, um den Transport in der mittleren Atmosphäre zu modellieren. Bis heute wurde dies nicht realisiert. Die längste Zeitserie umfasst nur 2 Jahre Mikrowellenmessungen. Es war nicht möglich, weitere Zeitserien aus FTIR-Messungen zu gewinnen. Eine neue Regularisierung ermöglicht die Ableitung einer Langzeitserie von strato-mesosphärischem CO aus FTIR-Spektren und ist für alle Stationen in mittleren Breiten anwendbar. Die Messungen zeigen eine signifikante Saisonalität und erbringen den Nachweis, dass planetare Wellen CO-reiche polare Luft in Richtung mittlerer Breiten verschieben. Eine erste Statistik dieser Transportereignisse wird präsentiert. Trends des atmosphärischen Wasserdampfs können Aufschluss darüber geben, ob die globale Erwärmung den natürlichen Treibhauseffekt verstärkt. Bisherige Radiosondenzeitserien sind inhomogen und somit nicht für Trendstudien geeignet. Eine neue Regularisierung ermöglicht die Ableitung einer Langzeitserie des integrierten Wasserdampfgehalts, die im Gegensatz zu Radiosondenzeitserien homogen ist. Die Messungen der Stationen Zugspitze und Jungfraujoch zeigen, dass Trends des integrierten Wasserdampfgehalts sich bereits bei einem horizontalen Abstand von 250 km unterscheiden. Diese Messungen stützen die aus Satellitenarbeiten bekannte und relativ neue Erkenntnis, dass Trends des Wasserdampfs über Land räumlich stark variieren.…
• This work derives long-term time series of the trace gases CO and H2O from solar FTIR spectra as measured at stations located on the Zugspitze (47.4° N, 11.0° E, 2964 m a.s.l.) and in Garmisch (47.5° N, 11.1° E, 745 m a.s.l.). This provides new insights into the global transport of CO as well as on the spatial variability of trends of the column-integrated atmospheric water vapor. The derivation of a trace gas profile from an infrared spectrum is disturbed by strong cross-sensitivities to other trace gases. These interference errors are neglected by the classical error analysis of remote sensing. Current approaches to error analysis underestimate interference errors and are not applicable to all inversion methods. A new error analysis presented here allows the correct quantification of interference errors for each inversion method. A regularization strategy is then developed that minimizes the occurrence of interference errors. These new concepts are applicable for all trace gases andThis work derives long-term time series of the trace gases CO and H2O from solar FTIR spectra as measured at stations located on the Zugspitze (47.4° N, 11.0° E, 2964 m a.s.l.) and in Garmisch (47.5° N, 11.1° E, 745 m a.s.l.). This provides new insights into the global transport of CO as well as on the spatial variability of trends of the column-integrated atmospheric water vapor. The derivation of a trace gas profile from an infrared spectrum is disturbed by strong cross-sensitivities to other trace gases. These interference errors are neglected by the classical error analysis of remote sensing. Current approaches to error analysis underestimate interference errors and are not applicable to all inversion methods. A new error analysis presented here allows the correct quantification of interference errors for each inversion method. A regularization strategy is then developed that minimizes the occurrence of interference errors. These new concepts are applicable for all trace gases and remote sensing techniques in the infrared. Existing methods for the inversion of CO profiles from FTIR spectra tend to dampen the profile concentration variability and even to displace variabilities to incorrect heights. A new regularization strategy proposed here eliminates these sensitivity problems, thus allowing one to derive a long-term time series of CO profiles. The measurements show that anthropogenic emissions cause a strong gradient in the CO concentration between the boundary layer and the free troposphere. With increasing altitude, the annual cycle of CO becomes more symmetric, and its maximum shifts towards the summer months. It is further demonstrated that wildfires originating in the northern and southern hemispheres affect the CO concentration in different heights. Long-term measurements of strato-mesospheric CO above mid-latitudes have been required for 20 years in order to improve modeling of the transport in the middle atmosphere. However, currently the longest time series comprises only 2 years of microwave measurements. In addition, it was not possible to derive long-term time series from FTIR measurements. In this thesis, a new regularization strategy allows the derivation of a long-term time series of strato-mesospheric CO from FTIR spectra and is applicable to all stations at mid-latitudes. The measurements show a significant seasonality and provide evidence that planetary waves shift CO enriched polar air towards the mid-latitudes. The first statistics of these transport events are presented. Trends in column-integrated atmospheric water vapor can provide information on whether global warming intensifies the natural greenhouse effect. Previous long-term time series based on radiosonde measurements are not homogeneous and therefore not useful for trend studies. A new regularization strategy allows the derivation of a long-term time series of the column-integrated atmospheric water vapor, which is homogeneous in contrast to the radiosonde time series. The measurements of the Zugspitze and Jungfraujoch stations show that trends in the column-integrated atmospheric water vapor are different even at horizontal scales of 250 km, thus supporting recent satellite measurements showing strong spatial water vapor variability over land.…