Einfluss von dreidimensionalen Wolkenstrukturen auf die Ableitung atmosphärischer Spurengaskonzentrationen aus Satellitenbeobachtungen

Operationelle Algorithmen zur Ableitung von Spurengaskonzentrationen aus Satellitenbeobachtungen werden üblicherweise nur auf wolkenfreie Gebiete oder Gebiete mit geringer Wolkenbedeckung angewendet. Aber auch komplett wolkenfreie Gebiete können von Wolken in der Umgebung beeinflusst sein, entweder durch Abschattung oder durch Streuung.

Im Rahmen des ESA-Projects 3DCATS (Impact of 3D Cloud Structures on the Atmospheric Trace Gas Products from UV-VIS Sounders) haben wir den durch Wolken verursachten Fehler der abgeleiteten NO2-Konzentration (troposphärische vertikale Säulendichte TVCD) quantifiziert.

Mit unserem 3D Stahlungstransportmodell MYSTIC haben wir synthetische Satellitendaten erzeugt mit realistischen Wolken aus dem LES (Large Eddy Simulation) Modell ICON als Input. Die Retrieval-Algorithmen wurden auf die synthetischen Daten abgewendet und durch Vergleich der Ergebnisse mit dem bekannten Input für die Simulationen konnten wir den NO2-TVCD-Fehler quantifizieren. Zur Quantifizierung des NO2-TVCD-Fehlers in Beobachtungen haben wir das NO2-Datenprodukt von TROPOMI (TROPOspheric Monitoring Instrument) sowie die Wolkenprodukte
von VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) verwendet. Sowohl die synthetischen Daten als auch die Beobachtungen zeigen, dass der NO2-TVCD-Fehler für Sonnenzenitwinkel kleiner 40° typischerweise unter 10% ist. Für flacheren Sonnenstand mit Zenitwinkeln größer als 40° steigt der Fehler auf über 20%. Wir haben daher anhand der synthetischen Daten untersucht, wie der NO2-TVCD-Fehler von diversen Wolkenparametern abhängt, und darauf basierend erste Konzepte zur Korrektur des Wolkeneinflusses im Spurengasretrieval entwickelt.

• Emde, C., Yu, H., Kylling, A., van Roozendael, M., Stebel, K., Veihelmann, B., and Mayer, B.: Impact of 3D Cloud Structures on the Atmospheric Trace Gas Products from UV-VIS Sounders – Part I: Synthetic dataset for validation of trace gas retrieval algorithms, Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/amt-2021-336, in review, 2021.
• Yu, H., Emde, C., Kylling, A., Veihelmann, B., Mayer, B., Stebel, K., and Van Roozendael, M.: Impact of 3D Cloud Structures on the Atmospheric Trace Gas Products from UV-VIS Sounders - Part II: impact on NO2 retrieval and mitigation strategies, submitted to Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2021
• Kylling, A., Emde, C., Yu, H., van Roozendael, M., Stebel, K., Veihelmann, B., and Mayer, B.: Impact of 3D Cloud Structures on the Atmospheric Trace Gas Products from UV-VIS Sounders – Part III: bias estimate using synthetic and observational data, Atmos. Meas. Tech. Discuss. [preprint], https://doi.org/10.5194/amt-2021-331, in review, 2021.