Quantification of the regional and temporal aerosol variability in the polar regions by combining independet ground-based, airborne, and satellite aerosol measurements including the development of new satellite retrieval procedures and the adaption of an data assimilation tool

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Dethloff; Privatdozent Dr. Wolfgang von Hoyningen-Huene
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17157989

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Auf der Grundlage von Sonnenphotometermessungen an drei Messstationen (AWIPEV/ Koldewey in Ny-Ålesund (78.923 °N, 11.923 °O) 1995–2008, 35. Nordpol Driftstation – NP- 35 (84.3–85.5 °N, 41.7–56.6 °O) März/April 2008, Sodankylä (67.37 °N, 26.65 °E) 2004– 2007) wird die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis und deren Ursachen untersucht. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Frage des Zusammenhanges zwischen den an den Stationen gemessenen Aerosolparametern (Aerosol optische Dicke, Angström Koeffizient, usw.) und dem Transport des Aerosols sowohl auf kurzen als auch auf langen Zeitskalen (Tage, Monate, Jahre). Um diesen Zusammenhang herzustellen, werden für die kurzen Zeitskalen mit dem Trajektorienmodell PEP-Tracer 5-Tage-Rückwärtstrajektorien in drei Starthöhen (850 hPa, 700 hPa, 500 hPa) für die Uhrzeiten 00, 06, 12 und 18 Uhr berechnet. Mit Hilfe der nicht-hierarchischen Clustermethode k-means werden die berechneten Rückwärtstrajektorien dann zu Gruppen zusammengefasst und bestimmten Quellgebieten und den gemessenen Aerosol optischen Dicken zugeordnet. Die Zuordnung von Aerosol optischer Dicke und Quellregion ergibt keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen dem Transport verschmutzter Luftmassen aus Europa oder Russland bzw. Asien und erhöhter Aerosol optischer Dicke. Dennoch ist für einen konkreten Einzelfall (März 2008) ein direkter Zusammenhang von Aerosoltransport und hohen Aerosol optischen Dicken nachweisbar. In diesem Fall gelangte Waldbrandaerosol aus Südwestrussland in die Arktis und konnte sowohl auf der NP-35 als auch in Ny-Ålesund beobachtet werden. In einem weiteren Schritt wird mit Hilfe der EOF-Analyse untersucht, inwieweit großskalige atmosphärische Zirkulationsmuster für die Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis verantwortlich sind. Ähnlich wie bei der Trajektorienanalyse ist auch die Verbindung der atmosphärischen Zirkulation zu den Photometermessungen an den Stationen in der Regel nur schwach ausgeprägt. Eine Ausnahme findet sich bei der Betrachtung des Jahresganges des Bodendruckes und der Aerosol optischen Dicke. Hohe Aerosol optische Dicken treten im Frühjahr zum einen dann auf, wenn durch das Islandtief und das sibirische Hochdruckgebiet Luftmassen aus Europa oder Russland/Asien in die Arktis gelangen, und zum anderen, wenn sich ein kräftiges Hochdruckgebiet über Grönland und weiten Teilen der Arktis befindet. Ebenso zeigt sich, dass der Übergang zwischen Frühjahr und Sommer zumindest teilweise bedingt ist durch den Wechsel vom stabilen Polarhoch im Winter und Frühjahr zu einer stärker von Tiefdruckgebieten bestimmten arktischen Atmosphäre im Sommer. Die geringere Aerosolkonzentration im Sommer kann mit einer Zunahme der nassen Deposition als Aerosolsenke begründet werden. Für Ny-Ålesund wird neben den Transportmustern auch die chemische Zusammensetzung des Aerosols mit Hilfe von Impaktormessungen an der Zeppelinstation auf dem Zeppelinberg (474m ü.NN) nahe Ny-Ålesund abgeleitet. Dabei ist die positive Korrelation der Aerosol optischen Dicke mit der Konzentration von Sulfationen und Ruß sehr deutlich. Beide Stoffe gelangen zu einem Großteil durch anthropogene Emissionen in die Atmosphäre. Die damit nachweisbar anthropogen geprägte Zusammensetzung des arktischen Aerosols steht im Widerspruch zum nicht eindeutig herstellbaren Zusammenhang mit dem Transport des Aerosols aus Industrieregionen. Dies kann nur durch einen oder mehrere gleichzeitig stattfindende Transformationsprozesse (z. B. Nukleation von Schwefelsäurepartikeln) während des Transportes aus den Quellregionen (Europa, Russland) erklärt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• “Overview of the AWI contribution for the upcoming ASTAR 2007 field campaign”. Oberpfaffenhofen
  Treffeisen R., K. Dethloff, A. Herber, M. Stock
  
• “Presentation of the DFG project idea”. International AOD workshop, CMOS-CGU congress, St. Johns, Kanada
  Treffeisen R., Herber A., K. Dethloff, M. Stock
  
• ASTAR 2007, “Overview of groundbased measurememts and first results”. POLARCAT meeting, Paris, Juni 2007
  Treffeisen R., A. Herber, J. Ström, R. Neuber
  
• “The Polar Aerosol Optical Depth Measurement Network Project (POLAR-AOD-IPY)”. SSF workshop on atmospheric chemistry and the 2nd Ny-Ålesund - Pallas workshop, April 2007
  Treffeisen R., A. Herber, C. Tomasi, V. Vitale, R. S. Stone, T. Yamanouchi
  
• ASTAR 2007, “Overview of groundbased measurememts and first results”. Mainz ASTAR Meeting, April 2008
  Treffeisen R., A. Herber, J. Ström, R. Neuber
  
• “Aerosol optical thickness measurements in the Arctic region”. PhD-Day Bremerhaven, Juni 2008
  Stock, M., R. Treffeisen, A. Herber, K. Dethloff, V. Aaltonen, J. Gräser, S. Debatin
  
• “The ASTAR 2007 field campaign, SCAR meeting St. Petersburg”. Juli 2008
  Treffeisen R., A. Herber, J. Ström, R. Neuber
  
• „Arctic Haze in Ny-Alesund - Auswertung optischer Dicke Messungen 1995-2007“. Mainz, April 2008
  Stock, M.
  
• „Sensitivity study of the dual-view algorithm for aerosol optical thickness retrieval over snow and ice“. Proc. Of the '2nd MERIS/(A)ATSR User Workshop', Frascati, Italy 2008 (ESA SP-666, November 2008), 2008
  Istomina, L. G.; von Hoyningen-Huene, W.; Kokhanovsky, A. A.; Rozanov, V. V.; Schreier, M.; Dethloff, K.; Stock, M.; Treffeisen, R.; Herber, A.; Burrows, J.P.
  
• “Ground-based lidar measurements from Ny-Alesund during ASTAR 2007”. Atmos. Chem. Phys. 9, 9059-9081, 2009
  Hoffmann, A.; Ritter, C.; Stock, M.; Shiobara, M.; Lampert, A.; Maturilli, M.; Orgis, T.; Neuber, R. and Herber, A.
  
• “Measurements of aerosol optical depth variability at NP-35”. NP35 Workshop Potsdam, Februar 2009
  Stock, M., J. Graeser, K. Dethloff, R. Treffeisen, A. Herber, T. Orgis, C. Ritter
  
• “Measurements of aerosol optical depth variability in the Arctic region”. Dezember 2009, Sopot
  Stock, M., K. Dethloff, R. Treffeisen, A. Herber, T. Orgis, C. Ritter, and W. v. Hoyningen-Huene, L. Istomina
  
• “A Pan-Arctic Characterization of Arctic Aerosols Derived from Airborne Photometric Observations made during April 2009”. IPY-OSC, Oslo, Juni, 2010
  Stone, R.S., A. Herber, V. Vitale, M. Mazzola, A. Lupi, R. Schnell
  
• “A three-dimensional characterization of Arctic aerosols from airborne Sun photometer observations: PAM-ARCMIP”. J. of Geophysical Research, Vol. 115, D13203, 2010
  Stone, R.S.; Herber, A.; Vitale, V.; Mazzola, M.; Lupi, A.; Schnell, R. C.; Dutton, E. G.; Liu, P. S. K.S.; Li, M.; Dethloff, K.; Lampert, A.; Ritter, C.; Stock, M.; Neuber, R.; Maturilli, M.
  
• “Characterizing polar atmospheres and their effect on Rayleigh-Scattering Optical Depth”. J. of Geophysical Research Atmospheres, 115, 2010
  Tomasi, C.; Petkov, B.; Stone, R. S.; Benedetti, E.; Vitale, V.; Lupi, A.; Mazzola, M.; Lanconelli, C.; Herber, A.; von Hoyningen-Huene, W.
  
• “Retrieval of spectral aerosol optical thickness over land using ocean color sensors MERIS and SeaWiFS”. Atmospheric Measurement Techniques-Discussion, 3 (3), p. 2107. ISSN 1867-8610, 2010
  von Hoyningen-Huene, W.; Yoon, J.; Vountas, M.; Istomina, L.G.; Rohen, G.; Dinter, T.; Kokhanovsky, A. A.; Burrows, J. P.
  
• “Year-round Aerosol Optical Depth Measurements made in the Arctic at Ny-Ålesund, Spitzbergen”. IPY-OSC, Oslo, Juni, 2010
  Herber A., M. Stock, and R. S. Stone
  
• „Charakterisierung der troposphärischen Aerosolvariabilität in der europäischen Arktis“. Dissertation, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität Potsdam, 2010
  Stock, M.