ac3_logo
halo_logo
mcs_skizze
mcs_skizze

OCEANET - Autonome Messplattform zur Bestimmung des Stoff- und Energieaustauschs zwischen Ozean und Atmosphäre

Zusammenarbeit mit dem Institut für Troposphärenforschung Leipzig (TROPOS)


Der Stoff- und Energieaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre spielt eine entscheidende Rolle für die physikalische, chemische und biologische Entwicklung unseres Klimasystems Erde. Die von den beteiligten Forschungseinrichtungen entwickelten und eingesetzten Technologien zur in-situ Messung im Ozean und zur aktiven/passiven Fernerkundung der Atmosphäre, ermöglichen erstmalig durch eine Kombination dieser Daten eine kontinuierliche Erfassung relevanter Parameter. Mit dem OCEANET-Projekt wurde eine erste schiffsgebundene Station entwickelt, welche kontinuierlich den Transfer von Energie und Stoffen zwischen der Atmosphäre und dem Ozean mithilfe verschiedenster Messsysteme untersucht. Der hochsee-taugliche Container basiert auf der Expertise des Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel (GEOMAR), des TROPOS, des Helmholtz-Zentrums Geesthacht und des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) Bremerhaven. Kontinuierliche Beobachtungen von Aerosol-, Wolken-, Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen, Flüssigwassergehalt, solarer und thermischer Strahlung, sensibler und latente Wärme werden durchgeführt um den Einfluss der hoch variablen Atmosphäre auf die Energiebilanz zwischen Ozean und Atmosphäre zu erforschen. Zusätzliche werden Beobachtungen des Satelliten Meteosat Second Generation (MSG) genutzt, um die Strahlungsbilanz am Oberrand der Atmosphäre abschätzen zu können.



OCEANET-Atmosphere

Die OCEANET-Atmosphere Anlage wurde für die atmosphärischen Beobachtungen an Bord der Polarstern aufgebaut (Abb. 1). Alle Geräte sind auf einem 20-Fuß- Container (Abb. 2) montiert. Einfallende solare und thermische Strahlung werden mit einem Pyranometer bzw. einem Pyrgeometer von Kipp & Zonen gemessen. Sie sind Teil der SCalable Automatic Wetterstation (SCAWS), welche in Zusammenarbeit mit dem deutschen Wetterdienst (DWD) entwickelt wurde. Durch die zusätzliche Aufzeichnung von Temperatur, relativer Feuchte und Wind wurde OCEANET-Atmosphere zur DWD Wetterstation. Spektrale solare Strahlungsmessungen für Irradianz und Radianz mit dem COmpact RAdiation measurement System (CORAS) ermöglichen die Untersuchung der räumlichen Verteilung Radianz sowie der Ableitung von optischen und mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften. Geräte für die Messungen von Turbulenzen und CO2-Flüssen ermöglichen die Erforschung von sensiblen und latenten Wärmeflüssen ermöglicht. Alle 15 Sekunden zeichnet ein Skyimager den Himmel über der Plattform auf um Bedeckungsgrad und Wolkentyp ableiten zu können. Der Flüssigwassergehalt aus den Messungen des Humidity And Temperature PROfiler (HATPRO) berechnet. Vertikale Aerosol- und Wolkenprofile werden vom Mehrwellenraman und Polarisationslidar PollyXT erfasst. OCEANET-Atmosphere wurde auf dem Oberdeck, steuerbord, der Polarstern in 22m Höhe über dem Meeresspiegel aufgestellt (Abb. 2).



Zur Erprobung und Anwendung der Messplattform im Rahmen dieses Projektes eignen sich die zweimal jährlich stattfindenden Atlantiktransfers des FS Polarstern.

Polarstern

Abb. 1: FS Polarstern (Foto: Marlen Brückner)

container

Abb. 2: OCEANET-Container (rechts) und Aerosolcontainer (links) des TROPOS auf dem Peildeck von FS Polarstern während ANT-XXVII/4 (Foto: Marlen Brückner). Das vergrößerte Bild zeigt die beiden Messköpfe für spektrale Irradianz und Radianz am Container ca. 20 m über dem Meeresspiegel.


Strahlungsmessungen auf FS Polarstern

Zum Verstehen des Klimasystems Ozean und Atmosphäre spielen Wolken und Strahlung eine wichtige Rolle. Selbst mit beobachteten Wind-, Feuchte- und Druckfeldern ist es schwierig, die korrekte räumliche und zeitliche Klimatologie in Klimamodellen nachzuvollziehen. Da die Wolkenstrukturen sehr inhomogen sind (Abb. 3, links) und damit für Strahlungsübertragungsprozesse entscheidend sind, müssen diese Prozesse in Strahlungsparametrisierungen berücksichtigt werden.
Eine Kombination der Beobachtung von physikalischen Eigenschaften und Strahlungseigenschaften von Wolken sind eine gute Möglichkeit solche Parametrisierungen anzugleichen oder zu validieren. Mithilfe der Erweiterung der breitbandigen Strahlungsflussdichtemessungen auf spektrale Strahldichte- und Strahlungsflussdichtemessungen können unterschiedliche Wolkentypen zugeordnet werden. Beobachtete Atmosphärenzustände werden in ein Strahlungstransportmodell eingegeben, sodass die Ergebnisse mit den gemessenen Parametern verglichen werden können.


Kursplot

Abb. 3: Links: Bilder der Wolkenkamera zeigen typische Wolkensituationen: (a) wolkenfrei, (b) Cumuluswolken in den Passatwindzonen, (c) durchbrochene Bewölkung, (d) Stratocumulus Wolkendecke, (3) Cirrusbewölkung mit Halo, und (f)Saharastaubereignis nahe der Kapverdischen Inseln. Rechts: Kursplots von ANT-XXVII/4 Kapstadt-Bremerhaven April/Mai 2011 (grün), ANT-XXVIII/5 Punta Arenas-Bremerhaven April/Mai 2012 (blau) und ANT-XXIX/1 Bremerhaven-Kapstadt Okt./Nov. 2012 (rot).


Im Rahmen dieses Projekts wurden bereits 3 Forschungsfahrten (Abbildung 3, rechts) auf FS Polarstern 2011 und 2012 mit dem vom LIM zur Verfügung gestellten Bodenspektrometer CORAS durchgeführt. Es wurden erfolgreich Daten gesammelt und wissenschaftlich bearbeitet um die Strahlungseigenschaften über dem Atlantik unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen zu erforschen (Abbildung 3, links). Von besonderem Interesse ist hierbei die spektrale Transmissivität von Wolken, die verwendet werden kann um Wolkeneigenschaften wie optische Dicke und effektiven Radius abzuleiten.

ähnliche Messungen werden auch im Rahmen von (AC)³ während der PASCAL Kampagne 2017 im Arktischen Ozean und Meereis durchgeführt. Hierbei werden vorallem die besonderen Bedingungen der arktischen Grenzschicht und typische Mischphasenwolken näher untersucht und mit Fernerkundungsdaten von den Polarflugzeugen und Satelliten verglichen.


Veröffentlichungen


Brückner et al., A new multispectral cloud retrieval method for ship-based solar transmissivity measurements, J. Geophys. Res. Atmos., 119 (2014), 11,338-11,354, doi:10.1002/2014JD021775.

Letzte Aktualisierung am 24. 7. 2018 von Marlen Brückner