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Abstract (German)

Das Cryogene Infrarot Spektrometer und Teleskope für die Atmosphäre (CRISTA) Satelliten-Instrument hat während seiner zweiten Mission im August 1997 Limb Strahlungsdichten in der oberen Troposphäre gemessen. Es wurde ein neuer Retrieval-Algorithmus entwickelt, um Wasserdampf-Konzentrationen in der oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre abzuleiten. Der Algorithmus verwendet eine schwache Linie nahe 12,7 µm und leitet zum ersten mal H₂O in der oberen Troposphäre aus Messungen im mittleren Infrarot ab. Wolken beeinflussen das Retrieval nachteilig und werden durch einen einfachen Wolkenindex identifiziert (Verhältnis von gemessenen Strahlungsdichten an geeigneten Wellenlängen). Das Retrieval liefert einen dreidimensionalen, globalen H₂O-Datensatz mit guter vertikaler Auflösung (2 km vertikale Schrittweite und 1,5 km vertikales Gesichtsfeld) und eine bisher unerreichte horizontale Auflösung (250km · 600 km). Es wurde ein systematischer Gesamtfehler von 21% für die H₂O-Mischungsverhältnisse abgeschätzt, der durch die Unsicherheit der verwendeten Linienparameter dominiert ist. Der statistische Gesamtfehler beträgt für Mischungsverhältnisse größer als 10 ppmv 8% und für Mischungsverhältnisse kleiner als 10 ppmv 23%. Die Ergebnisse wurden durch präzise, gleichzeitige in-situ Messungen des FISH-Instrumentes an Bord eines Flugzeugs validiert. Beide Messungen stimmen innerhalb von 10% überein und zeigen im Vergleich zum abgeschätzten systematischen Fehler eine viel bessere Übereinstimmung. Vergleiche mit gleichzeitigen Satelliten-Messungen (MLS, SAGE II) bestätigen ebenfalls klar, dass der Algorithmus zuverlässige Ergebnisse liefert.

Die Transporte in der Tropopausenregion sind derzeit nicht gut verstanden, was teilweise durch das Fehlen genauer Messungen mit adäquater räumlicher und zeitlicher Überdeckung bedingt ist. Der CRISTA H₂O-Datensatz ermöglicht die Identifizierung kohärenter dynamischer Strukturen im Tropopausenbereich, die räumliche Ausmaße von wenigen hundert Kilometern besitzen. Der Wasserdampf nahe der Tropopause ist durch seine hohe Variabilität gekennzeichnet, die teilweise durch den starken vertikalen Gradienten der H₂O-Konzentration in der Troposphäre zustande kommt. Die Variabilität wird in dieser Arbeit auf räumlichen Skalen von 250 km bis 1000 km und auf Zeitskalen von einigen Minuten bis Tagen quantifiziert. Die H₂O Ergebnisse werden unter Verwendung des Transport-Codes des NCAR ROSE Modells assimiliert. Die resultierenden synoptischen Karten zeigen ein häufiges Auftreten von zungenförmigen dynamischen Strukturen, die bidirektionale meridionale Transporte andeuten und möglicherweise Troposphären-Stratosphären-Austausch beinhalten. Meridionale turbulente Flüsse, die aus den assimilierten Wasserdampf-Daten berechnet wurden, zeigen Transportbarrieren an ähnlichen Stellen, wie sie aus einer Analyse der "effektiven Diffusivität" ermittelt wurden. Die Standardabweichungen von H₂O deuten einen interhemisphärischen Transport an, der in einer etwas größeren Höhe stattfindet, nämlich in der unteren tropischen Stratosphäre, als dies die Analyse der effektiven Diffusivität ergibt.

Abstract (English)

During its second mission in August 1997 the Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere (CRISTA) satellite instrument has measured limb radiances in the upper troposphere. A new retrieval algorithm has been developed to derive water vapor concentrations in the upper troposphere/lower stratosphere region. The algorithm uses a weak water vapor line near 12.7 µm and retrieves for the first time upper tropospheric H₂O from measurements in the mid-infrared. Clouds adversely affect the retrieval and are identified using a simple cloud index (ratio of measured radiances at appropriate wavelengths). The retrieval yields a three dimensional, global H₂O dataset with good vertical resolution (2 km vertical step and 1.5 km vertical field of view) and presently unprecedented horizontal resolution (250 km · 600 km). A total systematic error of 21% is estimated for the derived H₂O mixing ratios, which is dominated by the uncertainty of the line parameters. The total random error is 8% for mixing ratios larger than 10 ppmv and 23% for mixing ratios below 10 ppmv. The results are validated using precise, coincident in situ measurements of the FISH instrument onboard an aircraft. Both measurements agree within 10% and indicate a correspondence much better than the estimated systematic error. Also comparisons with coincident satellite measurements (MLS, SAGE II) strongly confirm that the algorithm provides reliable results.

Transports in the tropopause region are presently not well understood partly because of the lack of precise measurements with adequate spatial and temporal coverage. The CRISTA H₂O dataset allows to identify coherent dynamical structures in the tropopause region on spatial scales of a few hundred kilometers. Water vapor near the tropopause is characterized by large variability which is partly caused by the very strong vertical gradient of the H₂O concentration in the troposphere. The variability is quantified in this work on spatial scales from 250 km to 1000 km and on timescales from a few minutes to days. The H₂O results are assimilated utilizing the transport code of the NCAR ROSE model. The resulting synoptic maps show frequent occurrence of tongue-like dynamical structures which indicate bi-directional meridional transport possibly including troposphere-stratosphere exchange. Meridional turbulent fluxes calculated from the assimilated water vapor data reveal transport barriers at similar locations as deduced from an analysis of the "effective diffusivity". H₂O standard deviations indicate interhemispheric exchange to occur at somewhat higher altitudes, namely in the lower tropical stratosphere, than does this analysis of the effective diffusivity.

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