Ozon nimmt eine besondere Rolle in der Auswertung von atmosphärischen
Spurengasen im UV ein. Es ist zu erwarten, daß gerade aufgrund der
Stärke der (strukturierten) Absorption in einem typischen
Auswertungsspektralbereich um 325-335 nm (Teil der sogenannten HUGGINS
Banden) die Auffüllung der Gasabsorptionslinien eine nicht
unbedeutende Rolle spielt. Ziel der folgenden Untersuchung ist es,
diese Hypothese zu prüfen und zu quantifizieren.
Da aufgrund gut bekannter Klimatologien für Ozon die Bestimmung
der Vertikalsäule (VC, engl.: Vertical Column ) mittels
Airmassfaktoren kein prinzipielles Problem
darstellt, wird im folgenden ebenfalls die VC ausgewertet. Es ist
allerdings zu beachten, daß die Nutzung eines repräsentativen
Airmassfaktors für den gesamten Auswertungsspektralbereich gemäß
der Standardaufgabe problematisch ist (Burrows et al., 1998a). Daher
ist in dieser Arbeit ausschließlich mit dem Konzept des modifizierten
DOAS gearbeitet worden. Hierbei wird der Airmassfaktor für alle
auszuwertenden Spektralpunkte bestimmt.
Die Untersuchung beschränkt sich auf Modelldaten von gometran, um
Auswirkung der Auffüllung unbeeinflußt von anderen Effekten, wie z.B.
die Temperaturabhängigkeit der Absorptionsquerschnitte
(Eisinger et al., 1996) diskutieren zu können. Die Anwendung auf
Modelldaten hat den weiteren Vorteil, daß die Zielgröße, also
die Säule des ausgewerteten Gases, bekannt ist.
Zusammenfassung der Modellparameter: Die synthetischen
Daten wurden im Wellenlängenbereich zwischen 325 - 335 nm unter
Einbeziehung der Absorption von ausschließlich O3 bestimmt. Die
Höhenverteilung von Ozon sowie Druck- und Temperaturprofile sind der
MPI Klimatologie (siehe Abschnitt 6)
für den Monat August und 75o südlicher Breite entnommen. Die
Berechnungen wurden für 90o SZA in Nadirgeometrie für das
Standardaerosolszenario durchgeführt.
Die Bodenalbedo betrug 1%. Das in die Berechnungen eingehende
Sonnenspektrum ist ein GOME Sonnenspektrum (Datenfile:
50827063.el1). Die Airmassfaktoren (siehe
Anhang D) für die Überführung von schräger in
vertikale Säule wurden mit gometran mit und ohne Berücksichtigung von
RRS bestimmt.
Zunächst wurde die Bestimmung der auszuwertenden Modellradianz, des
RING Referenz Spektrums und der Airmassfaktoren für eine 40%ige Reduktion des
gesamten Ozonprofils (VC = 236.3 DU) durchgeführt.
Resultate
Die DOAS Auswertung erfolgte mit dem Programm kvant von M. Eisinger
(Eisinger, 1998).
Der durch verschiedene Auswertungsstrategien resultierende Fehler ist
definiert als:
mit dem wahren VC von O3 und dem Auswertungsergebnis
. Folgende Tabelle 11.2 zeigt die
Auswertungsstrategien sowie die damit verbundenen Fehler in der VC
von Ozon.
a)
Ohne
ohne RRS
9.2
21.7
b)
Mit (ohne [O3])
ohne RRS
6.99
16.5
c)
Mit (adäquate [O3] )
ohne RRS
0.0
0.0
c1)
Mit (inadäquate [O3])
ohne RRS
-2.61
-6.2
d)
Ohne
mit RRS
2.47
5.85
d1)
Ohne
mit RRS (inadäquate [O3])
-12.35
-29.2
e)
Mit (adäquate [O3])
mit RRS
-7.26
-17.2
f)
Mit (ohne FRAUNHOFERlinien)
ohne RRS
-1.02
2.4
Die fettgedruckte Zeile (Strategie c) entspricht der Standardprozedur,
die idealerweise durchgeführt wird, um Ozon auszuwerten. Es zeigt
sich, daß sich für den Idealfall keine Fehler in der ausgewerteten
VC ergeben.
a: Die Vernachlässigung des RING Referenz Spektrums zeigt deutlich den
Einfluß des Effekts in diesem Spektralbereich. Es ergibt sich ein
Fehler zur wahren VC von etwa 9.2%, was 21.7 DU entspricht. Der
Fehler setzt sich zusammen aus dem durch die Auffüllung der FRAUNHOFERlinien
sowie der der O3-Absorptionslinien.
Das Vorzeichen des Fehlers ist positiv, was einer Unterschätzung der
NO2 Säule entspricht. Die Begründung hierfür liegt auf der Hand:
Die fehlende Kompensation durch das RING Referenz Spektrum führt zu weniger tiefen
Linien als nötig. Dies wird vom DOAS Algorithmus als geringere
Konzentration ausgewertet.
b: Diese Strategie zeigt auf, was für Fehler zu erwarten
sind, wenn keine Auffüllung von Gasabsorptionslinien im RING Referenz Spektrum
vorhanden ist. Der Fehler beträgt etwa 7%, entsprechend 16.5 DU.
c und d: Strategien c und d demonstrieren, daß die
Einbeziehung von RRS in der Bestimmung des Airmassfaktors keine
korrekten Ergebnisse liefert. Strategie d zeigt, daß bei
Vernachlässigung des RING Referenz Spektrums die durch RRS verursachte
Auffüllung im Airmassfaktor den Fehler durch RRS in der Radianz
nicht kompensieren kann. Dies erklärt sich mit dem Ergebnis der
Strategien a-c: der gesamte Fehler durch Nichtberücksichtigung eines
RING Referenz Spektrums betrug etwa 9% (Strategie a), wobei 7% davon auf den
Fehler durch Auffüllung der O3-Linien entfielen (Strategie b).
Setzt man voraus, daß in diesem Wellenlängenbereich sich die Fehler
durch FRAUNHOFERlinien,- und Absorptionslinienauffüllung superpositionieren, so
``verbleiben'' etwa 2.5% für die reine FRAUNHOFERlinien Auffüllung. Dies ist
in der Tat der Wert, den man für die Strategie d
beobachtet. Untersucht man die Definition des Airmassfaktor
(Gleichung D.2) so erkennt man, daß die
Verhältnisbildung der Strahlung mit und ohne Absorber zwar die
Auffüllung der Gasabsorptionslinien beinhaltet, aber die Auffüllung
der FRAUNHOFERlinien sich heraushebt.
Verzichtet man also auf die Einbeziehung des RING Referenz Spektrums, muß
gewährleistet sein, daß die Auffüllung der FRAUNHOFERlinien separat im
Airmassfaktor miteinbezogen wird.
c1: Ein weiterer Test bestand im Einsatz eines RING Referenz Spektrums,
welches für einen deutlich höheren O3 Gehalt (393 DU) bestimmt
wurde. Die Anwendung dieses RING Referenz Spektrums erzeugte einen Fehler von 2.5%.
Dieser relativ geringe Fehler deutet an, daß stark aufgefüllte
RING Referenz Spektren weniger stark aufgefüllte Radianzspektren nicht zu stark
beeinflussen. Nicht dargestellte Modelluntersuchungen zeigen, daß
dies auch in ähnlicher Weise der Fall ist, wenn die Radianz mit
entsprechend erhöhtem O3 Gehalt modelliert wird, aber der Gehalt
im RING Referenz Spektrum bei 236 DU bleibt.
d1: Die Strategie d1 zeigt deutlich, wie empfindlich
der Airmassfaktor auf eine Konzentrationserhöhung reagiert. Dies
geschieht wesentlich stärker als bei der Nutzung eines RING Referenz Spektrums mit
falschen Annahmen über den Ozongehalt.
e: Diese Strategie stellt lediglich eine Prüfung der
Konsistenz der oberen Ergebnisse dar und zeigt, daß die Einbeziehung
von RRS in sowohl dem RING Referenz Spektrum als auch im Airmassfaktor keine
korrekten Ergebnisse liefert.
f: In diesem Fall wurde ein konstantes Sonnenspektrum für
die Bestimmung des RING Referenz Spektrums angenommen. Der O3-Gehalt wurde
korrekt modelliert. Der resultierende Fehler liegt bei nur etwa
-1%.
Interessant hierbei ist, daß natürlich das mit der Auswertung
verbundene Residuum äußerst groß war. Das Resultat nach geändertem
O3-Gehalt zeigt ähnlich kleine Fehler. Dieses Ergebnis zeigt,
daß im wesentlich die Kompensation der Auffüllung der O3-Linien
Auswirkungen auf die Güte der Auswertung hat.
Die Unterscheidung von O3 und der Auffüllung der O3-Linien
durch den DOAS Algorithmus ist möglich, obwohl beide ähnliche
spektrale Strukturen aufweisen, da durch RRS sich auf den
Linienflanken kleine Vertiefungen ausbilden, die auf den negativen
Auffüllungseffekt (siehe Abschnitt 2) zurückgehen.
dem wahren VC von O3 und dem Auswertungsergebnis
. Folgende Tabelle 11.2 zeigt die
Auswertungsstrategien sowie die damit verbundenen Fehler in der VC
von Ozon.