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November 2019:

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Average global distribution of diffuse attenuation coefficient at the excitation wavelength region 390 to 426 nm (Kd(λext)) from Feb until Dec 2007. The diffuse attenuation coefficient is a measure of how deep the sunlight penetrates the ocean. It helps characterizing the underwater light field which is important for estimating the heat budget and primary production in the global oceans. The diffuse attenuation coefficient was derived from three atmospheric satellite sensors SCIAMACHY, GOME-2, and OMI by retrieving vibrational Raman scattering fit factors using Differential Optical Absorption Spectroscopy and converting these to Kd(λext) via Look-up-Tables based on radiative transfer modeling. The standard diffuse attenuation product OC-CCI (Kd490) as obtained from multispectral ocean color satellites was converted to the excitation wavelength region and is shown in comparison. Figure adapted from Oelker et al. (2019).

Recent work at the Institute of Environmental Physics exploits the potential of TROPOMI for ocean applications in a project funded by ESA and led by the Alfred-Wegener-Institute in Bremerhaven (S5POC, https://eo4society.esa.int/projects/sentinel-5pinnovation/). TROPOMI is a satellite sensor on board Sentinel-5P, a recent atmospheric satellite mission launched in October 2017 dedicated for detecting atmospheric trace gases such as ozone and nitrogen dioxide. The possibility to derive diffuse attenuation in the blue and additionally in the ultraviolet region ofthe solar spectrum, as well as the quantification of different phytoplankton groups and the fluorescence signal of phytoplankton will be explored.

Reference:Julia Oelker, Andreas Richter, Tilman Dinter, Vladimir V. Rozanov, John P. Burrows, and Astrid Bracher, "Global diffuse attenuation derived from vibrational Raman scattering detected in hyperspectral backscattered satellite spectra," Opt. Express 27, A829-A855 (2019).

Oktober 2019:

Forschungsmeile 2019

Am 21. und 22. September war es wieder soweit: Im Rahmen der Maritimen Woche 2019 fand an der Weserpromenade „Schlachte“ erneut eine „Forschungsmeile“ statt, natürlich auch diesmal mit IUP-Beteiligung. Die Arbeitsgruppen Physik und Chemie der Atmosphäre und Fernerkundung präsentierten der Öffentlichkeit aktuelle Forschungsergebnisse u.a. zur Beobachtung von Meereis, Luftverschmutzung und Klimagasen durch Satelliten. Neben dem beliebten „Eiswürfelexperiment“ (Wo schmilzt ein Eiswürfel schneller, ins Süßwasser oder Meerwasser?) konnten die Besucher diesmal auch vor Ort die CO2 und Methan-Konzentrationen in ihrem Atem messen. Das herrliche Wetter sorgte für zahlreiche Interessierte, so dass die diesjährige Forschungsmeile für alle Beteiligten als Erfolg gewertet werden kann.

Kontakt: Stefan Noël (stefan.noel@iup.physik.uni-bremen.de)

September 2019:

Bild (a)

Bild (b)

The September picture of the month shows the modelling of methane dispersion using FLEXPART-WRF.

Methane is an important greenhouse gas. Getting extended knowledge about the sinks and sources is therefore an important task. Modelling the transport of emissions can help a) to plan future measurement campaigns and, b) in combination with measurements, to validate the given emission estimates.

The Upper Silesian Coal Basin is a coal basin in Silesia (Poland, Czech Republic). It contains numerous mines exploiting its large coal reservoirs. When the coal is extracted from the earth, considerable amounts of methane are released, which is extracted from the underground mines and released into the atmosphere through venting shafts. The methane emitted from the Upper Silesian Coal Basin constitutes a regionally significant source.

The fact that the emission takes place at a limited number of well-known locations allows for detailed simulation of the dispersion of the emitted methane in the atmosphere. The latter, combined with measurements of the atmospheric methane concentration,can yield important insight into the emitted quantities.

FLEXPART-WRF is a Lagrangian atmospheric transport model which uses meteorological data (e.g., wind fields) from simulations using the Weather Research and Forecast model WRF. Practically, this means that it allows the simulation of atmospheric transport processes at very small spatial scales of on the order of ~100m.

Figures a) – b) show the simulated methane column enhancement (i.e., ignoring the high methane background of the atmosphere) emitted in Upper Silesia on the morning of 29 May 2018. For Image a) wind fields at a spatial resolution of 1km per grid box were used while b) uses wind fields ata spatial resolution of 200m.

One can see considerably finer structured plumes when using the higher spatial resolution. Even if the general shape of the plumes is comparable in both figures, when taking a closer look one can see that at 1km resolution, the detailed shape of the plume is different (it starts turning northwards earlier, i.e., closer to the emission sources, at 200m resolution).

These high-resolution simulations allow better analysis of methane measurements executed by the airborne MaMap instrument during the CoMet campaign in spring 2018 (ongoing work)

Acknowledgements: All simulations were conducted on the Aether HPC cluster at University of Bremen, financed by DFG within the scope of the Excellence Initiative.

August 2019:

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Erste Auswertungen von CMIP6 Modellen mit dem ESMValTool: CO2 im Vergleich zu Beobachtungsdaten

Die Abbildung zeigt die CO2und XCO2 (Säulenmittel des Stoffmengenanteils von CO2 in trockener Luft) Zeitserien von 2003 bis 2014 aus Satellitenbeobachtungen, Stationsdaten und dem Mittel zweier Erdsystemmodelle, die am Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) (Eyring et al. 2016a) teilgenommen haben. Der Satellitendatensatz wurde aus Messungen von SCIAMACHY („SCanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric ChartographY“) auf Envisat und TANSO-FTS („Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation - Fourier Transform Spectrometer“) auf GOSAT („Greenhouse gases Observing SATellite“) zusammengesetzt. Die Stationsdaten gehören zum NOAA/ESRL (“National Oceanic and Atmospheric Administration/Earth System Research Laboratory”) Datensatz.

Alle Daten wurden mit dem „Earth System Model Evaluation Tool“, (ESMValTool, Eyring et al. (2016c)) prozessiert. Zur Zeit wird die Veröffentlichung einer neuen Version (v2.0) des ESMValTools vorbereitet, die entwickelt wurde um CMIP6 Daten zu analysieren sobald sie im CMIP6 Archiv veröffentlicht sind. Das ESMValTool enthält eine große Sammlung von Diagnosen und Performance-Tests für Variablen aus Atmosphäre, Ozeans und Land anwendbar auf deren Mittel, Trends und Variabilität. Für die Abbildung wurde mit Hilfe des ESMValTools XCO2 (von den Satellitenbeobachtungen angegebene Messgröße) aus den Modellergebnissen berechnet und ihr Sampling wurde den Beobachtungsdaten entsprechend angepasst. Für einen besseren Vergleich des Jahresganges wurden die Modellergebnisse auf einen Offset zu den Satellitendaten korrigiert.

Modelle und Beobachtungen zeigen den erwarteten Anstieg im CO2-Gehalt der Atmosphäre und den charakteristischen Jahresgang. Dieser ist in der Nordhemisphäre am stärksten ausgeprägt, mit niedrigeren Werten im Sommer, wenn durch die verstärkte Photosynthese CO2 absorbiert wird und hohen Werten im Winter, wenn die Photosynthese zum Erliegen kommt und die Vegetation ihre Kohlenstoffspeicher wieder freisetzt. Die Amplitude des Jahresgangs ist bei Modellen und Beobachtungsdaten unterschiedlich. Gründe für diesen Unterschied und mögliche Änderungen des Jahresgangs in der Zukunft werden im Rahmen des durch die Helmholtz Gesellschaft finanzierten Projektes „Advanced Earth System Model Evaluation for CMIP“ (EVal4CMIP) evaluiert. Änderungen im Jahresgang werden wegen des Effekts der CO2-Düngung erwartet (Wenzel et al. 2016). Zur CO2-Düngung und anderen Wechselwirkungen zwischen CO2-Gehalt und Klima werden im Projekt “Climate-Carbon Interactions in the Coming Century” (CCiCC), finanziert durch das EU Horizon 2020 Program neue „Emergent Constraints“ (Eyring et al. 2019) entwickelt. Zusätzlich umfasst dieses Projekt die Analyse neuer Datensätze sowie Empfehlungen für Modellverbesserungen und Beobachtungsstrategien.

Projekte:

Advanced Earth System Model Evaluation for CMIP (EVal4CMIP)

Climate-Carbon Interactions in the Coming Century (CCiCC)

Coupled Model Intercomparison Project (CMIP)

Publikationen:

Buchwitz, M., Reuter, M., Schneising, O., Noel, S., Gier, B., Bovensmann, H., Burrows, J.P., Boesch, H., Anand, J., Parker, R.J., Somkuti, P., Detmers, R.G., Hasekamp, O.P., Aben, I., Butz, A., Kuze, A., Suto, H., Yoshida, Y., Crisp, D., & O'Dell, C. (2018). Computation and analysis of atmospheric carbon dioxide annual mean growth rates from satellite observations during 2003-2016. Atmospheric Chemistry and Physics, 18

Eyring, V., Bony, S., Meehl, G.A., Senior, C.A., Stevens, B., Stouffer, R.J., & Taylor, K.E. (2016a). Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization. Geoscientific Model Development, 9, 1937-1958

Eyring, V., Cox, P.M., Flato, G.M., Gleckler, P.J., Abramowitz, G., Caldwell, P., Collins, W.D., Gier, B.K., Hall, A.D., Hoffman, F.M., Hurtt, G.C., Jahn, A., Jones, C.D., Klein, S.A., Krasting, J.P., Kwiatkowski, L., Lorenz, R., Maloney, E., Meehl, G.A., Pendergrass, A.G., Pincus, R., Ruane, A.C., Russell, J.L., Sanderson, B.M., Santer, B.D., Sherwood, S.C., Simpson, I.R., Stouffer, R.J., & Williamson, M.S. (2019). Taking climate model evaluation to the next level. Nature Climate Change, 9, 102-110

Eyring, V., Gleckler, P.J., Heinze, C., Stouffer, R.J., Taylor, K.E., Balaji, V., Guilyardi, E., Joussaume, S., Kindermann, S., Lawrence, B.N., Meehl, G.A., Righi, M., & Williams, D.N. (2016b). Towards improved and more routine Earth system model evaluation in CMIP. Earth System Dynamics, 7, 813-830

Eyring, V., Righi, M., Lauer, A., Evaldsson, M., Wenzel, S., Jones, C., Anav, A., Andrews, O., Cionni, I., Davin, E.L., Deser, C., Ehbrecht, C., Friedlingstein, P., Gleckler, P., Gottschaldt, K.D., Hagemann, S., Juckes, M., Kindermann, S., Krasting, J., Kunert, D., Levine, R., Loew, A., Makela, J., Martin, G., Mason, E., Phillips, A.S., Read, S., Rio, C., Roehrig, R., Senftleben, D., Sterl, A., van Ulft, L.H., Walton, J., Wang, S.Y., & Williams, K.D. (2016c). ESMValTool (v1.0) - a community diagnostic and performance metrics tool for routine evaluation of Earth system models in CMIP. Geoscientific Model Development, 9, 1747-1802

Wenzel, S., Cox, P.M., Eyring, V., & Friedlingstein, P. (2016). Projected land photosynthesis constrained by changes in the seasonal cycle of atmospheric CO2. Nature, 538, 499-501





Juli 2019:

Figure 1 (größer per Klick)

Time series of annual mean total ozone (DU) in (a)–(d) four zonal bands, and (e) polar (60°–90°) total ozone in Mar (NH) and Oct (SH), the months when polar ozone losses usually are largest. Data are from WOUDC (World Ozone and Ultraviolet Radiation Data Centre) ground-based measurements combining Brewer, Dobson, SAOZ (Système D'Analyse par Observations Zénithales), and filter spectrometer data (red); the BUV/SBUV/SBUV2 V8.6/OMPS merged products from NASA (MOD V8.6, dark blue) and NOAA (light blue), the GOME/SCIAMACHY/GOME-2 products GSG from University of Bremen (dark green) and GTO from ESA/DLR (light green). MSR-2 (purple) assimilates nearly all ozone datasets after corrections with respect to the ground data. All six datasets have been bias corrected by subtracting averages for the reference period 1998–2008 and adding back the mean of these averages. The dotted gray lines in each panel show the average ozone level for 1970–79 calculated from the WOUDC data. Update from Weber et al. (2018b).

Midlatitude total ozone means were high in 2018, while the tropical values were low compared to the annual means observed in the recent decade as seen in Fig. 1, which shows the annual mean total ozone time series from various merged datasets (five satellite datasets and one based upon groundbased instruments) for the near-global (60°N–60°S) average, tropics, extratropics, and selected months in the polar regions.

For all latitude bands, except the tropics, the average total ozone levels have not yet recovered to the values of the 1970s, a time when ozone losses due to ozone-depleting substances (ODSs) were still very small (WMO 2018). Total ozone is defined as the vertical column amount or in other words the number of ozone molecules above a unit area. Typical units are Dobson units (DU) and the global average column amount is about 300 DU. The lower the ozone column, the higher is the amount of harmful UV radiation reaching the surface that can damage plant cells as well as cause skin cancer.

A recent study by us (Weber et al. 2018a) indicates that total ozone trends since the late 1990s are positive (<1% decade−1) but at most latitudes the trends do not reach statistical significance. Still, the small increase in global total ozone following the significant decline before the 1990s provides proof that the Montreal Protocol and its later Amendments, responsible for phasing out ozone-depleting substances, has been successful. The observed changes in total ozone are reproduced well by state-of-the-art chemistry-transport model calculations that account for changes in transport and for changes in the ozone-depleting substances regulated by the Montreal Protocol (Chipperfield et al. 2018).

In Figure 1 one of the satellite merged data were produced in our institute (GSG dataset) that combines various European sensors (GOME, SCIAMACHY, GOME-2A) that were retrieved with the WFDOAS (weighting function differential absorption spectroscopy) retrievals (Coldewey-Egbers et al., 2005). The European time series started in 1995 and in 2017 and 2018 two new sensors were launched, TROPOMI and GOME-2C, respectively. Both instruments will continue long-term ozone monitoring. In particular TROPOMI provides measurements at an unprecedented spatial resolution corresponding to a foot print of 3.5 km by 7 km at the surface.

Figure 2 shows the total ozone distribution above Antarctica from 1stOctober 2018. In early October the ozone hole reaches its largest extent. In 2018 the size of the ozone hole (defined by values below 220 DU) was higher than the average from recent years. However, the extent of the ozone hole varies from year-to-year depending on the polar meteorology (colder stratospheric winters produce larger ozone holes) as seen in panel e of Fig. 1. Nevertheless, there are signs that spring time total ozone above Antarctica is beginning to recover (Weber et al., 2018, WMO 2018).


References:

Chipperfield, M. P., Dhomse, S., Hossaini, R., Feng, W., Santee, M. L., Weber, M., Burrows, J. P., Wild, J. D., Loyola, D., Coldewey-Egbers, M, 2018: On the Cause of Recent Variations in Lower Stratospheric Ozone. Geophys. Res. Lett., 45, 5718-5726, https://doi.org/10.1029/2018GL078071.

Coldewey-Egbers, M., M. Weber, L. N. Lamsal, R. de Beek, M. Buchwitz, J. P. Burrows, 2005: Total ozone retrieval from GOME UV spectral data using the weighting function DOAS approach.Atmos. Chem. Phys. 5, 5015-5025, https://doi.org/10.5194/acp-5-1015-2005.

Weber, M., Coldewey-Egbers, M., Fioletov, V. E., Frith, S. M., Wild, J. D., Burrows, J. P., Long, C.
S., and Loyola, D., 2018a: Total ozone trends from 1979 to 2016 derived from five merged
observational datasets – the emergence into ozone recovery. Atmos. Chem. Phys., 18, 2097-2117,
https://doi.org/10.5194/acp-18-2097-2018.

Weber, M., Steinbrecht, W., van der A, R., Frith, S. M., Anderson, J., Coldewey-Egbers, M., Davis, S,
Degenstein, D., Fioletov, V., Froidevaux, L., Hubert, D., de Laat, J., Long, C. S., Loyola, D., Sofieva,
V., Tourpali, K., Roth, C., Wang, R., and Wild, J.D., 2018b: Stratospheric ozone [in "State of the
Climate in 2017"], Bull. Amer. Meteor. Soc., 99, S51-S54,
https://doi.org/10.1175/2018BAMSStateoftheClimate.1.

WMO, 2018: World Meteorological Organization/United Nations of Environmental Protection,
Scientific assessment of ozone depletion, 2018. Global Ozone Research and Monitoring Project–
Report No. 58, Geneva, Switzerland, available at https://www.esrl.noaa.gov/csd/assessments/ozone/.

Figure 2

Total ozone above Antarctica on October 1st, 2018, for S5P/TROPOMI. The data were retrieved using our WFDOAS approach (see main text). The data as shown are binned at a spatial resolution of 0.1° by 0.1°.

April 2019:

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Die Ausdehnung des Meereises um den antarktischen Kontinent herum hat einen ausgeprägten Jahreszyklus

Die Ausdehnung des Meereises um den antarktischen Kontinent herum hat einen ausgeprägten Jahreszyklus: Das Maximum wird normalerweise im September erreicht (am Ende des Südwinters) und das Minimum gegen Ende Februar (am Ende des Südsommers). Das diesjährige Minimum wurde in der letzten Februarwoche erreicht. Nach den Meereisdaten, die am IUP aus Satellitendaten berechnet werden (vom Mikrowellenradiometer AMSR2 auf dem japanischen Satelliten GCOM-W2), war der niedrigste Tageswert der Meereisausdehnung 2,54 Mio. km2 am 23. Februar 2019. Mit Meereisausdehnung meint man die Gesamtfläche aller Satellitenpixel, die mindestens 15% Meereisbedeckung haben.

Der größte Teil des verbleibenden Eises befindet sich, wie gewöhnlich, im Weddellmeer, wo es von der dort vorherrschenden Meeresströmung gegen die Antarktische Halbinsel gedrückt wird (Bild in der Mitte). Das kann man vergleichen mit dem letztjährigen Meereismaximum vom 30. September 2018 (Bild oben). Der jahreszeitliche Unterschied beträgt mehr als 15 Mio km2, das ist 1,5 Mal die Fläche von Europa. Ein Vergleich mit den anderen antarktischen Meereisminima seit Beginn der Satellitenbeobachtungen 1978 (Bild unten) zeigt, dass das diesjährige Minimum zwar niedrig, aber kein Rekord war. Das absolute Minimum, das bisher beobachtet wurde, war 2017. Dennoch: Nach einem im allgemeinen leicht zunehmenden Trend des antarktischen Meereises bis ca. 2013 zeigen die letzten Jahre eine deutliche Abnahme im Sommer wie im Winter.

Publikationen:

Spreen, G., L. Kaleschke, and G.Heygster (2008), Sea ice remote sensing using AMSR-E 89 GHz channels ,vol. 113, C02S03, doi:10.1029/2005JC003384.

AMSR2 ASI sea ice concentration data, Antarctic, version 5.4 (NetCDF) (July 2012 - December 2018). , https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.898400

Projekte:

Sea ice type distribution in the Antarctic from microwave satellite observations (SITAnt), (https://seaice.uni-bremen.de/sitant/)

März 2019:

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Ein Bodenecholot (PIES) ist an Deck befestigt und zum Aussetzen in der Tiefsee vorbereitet. Es wird bis zu 4 Jahre in zirka 4000m bleiben und alle halbe Stunde den Zustand des Ozeans vermessen.

Februar 2019:

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Average extinction (top) and NO2 concentration (bottom) profiles, separated by day of the week as retrieved from measurements from the roof of IUP Bremen for May 2015 – September 2017. The lowest rows indicate the in situ concentrations from the Bremen air quality network BLUES site Oslebshausen with a second colour-scale on the right-hand side. The red lines show BOREAS aerosol optical depth (top) and NO2 vertical column (bottom) with the mean level depicted as dashed line.

Ground based Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) observations are a frequently used method to determine atmospheric column amounts of reactive gases such as ozone, nitrogen dioxide or formaldehyde. By probing the atmosphere at different elevation angles, information on the vertical distribution of these absorbers can be determined, as well as on aerosol extinction. In order to extract the profile information from the observations taken at different elevation angles, inversion algorithms are needed which combine a priori information with the information from the measurements.

The Bremen Optimal estimation REtrieval for Aerosols and trace gaseS (BOREAS) is a new, flexible profiling algorithm which combines a non-linear aerosol retrieval module with a trace gas retrieval part. Both Optimal Estimation and Levenberg Marquardt approaches are implemented, and many options for a priori selection and pre-scaling, smoothing constraints, and retrieval modes are implemented. Results from BOREAS have been compared to those from other state of the art retrievals in an extensive study using synthetic data (Frieß et al., 2018) and using measurements during the CINDI-2 campaign (Tirpitz et al., manuscript in preparation) demonstrating the good performance of the algorithm. More details on BOREAS and its validation can be found in Bösch et al., 2018.

References:

Bösch, T., Rozanov, V., Richter, A., Peters, E., Rozanov, A., Wittrock, F., Merlaud, A., Lampel, J., Schmitt, S., de Haij, M., Berkhout, S., Henzing, B., Apituley, A., den Hoed, M., Vonk, J., Tiefengraber, M., Müller, M., and Burrows, J. P.: BOREAS – a new MAX-DOAS profile retrieval algorithm for aerosols and trace gases, Atmos. Meas. Tech., 11, 6833-6859, https://doi.org/10.5194/amt-11-6833-2018, 2018.

Frieß, U., Beirle, S., Alvarado Bonilla, L., Bösch, T., Friedrich, M. M., Hendrick, F., Piters, A., Richter, A., van Roozendael, M., Rozanov, V. V., Spinei, E., Tirpitz, J.-L., Vlemmix, T., Wagner, T., and Wang, Y.: Intercomparison of MAX-DOAS Vertical Profile Retrieval Algorithms: Studies using Synthetic Data, Atmos. Meach. Teech. Discuss., https://doi.org/10.5194/amt-2018-423, in review, 2018.

BLUES - Das Bremer Luftüberwachungssystem https://www.bauumwelt.bremen.de/umwelt/luft/luftqualitaet-24505

Januar 2019:

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Erste Schätzung des CO2-Anstiegs in 2018 mittels Satellitendaten

Kohlenstoffdioxid (CO2) ist ein wichtiges Treibhausgas und steigende atmosphärische Konzentrationen führen zu Erderwärmung. Das IUP der Universität Bremen entwickelt Methoden, um die atmosphärische CO2-Verteilung vom Weltraum aus zu messen.

Das Bild zeigt (a) eine Zeitreihe des vertikal gemittelten CO2-Mischungsverhältnisses („XCO2“) mit vorläufigen Werten für 2018. Wie man sieht, steigt das CO2 nahezu linear an. Grund hierfür ist primär die Verbrennung fossiler Brennstoffe. Die jahreszeitlichen Schwankungen kommen primär durch die Aufnahme und Abgabe von CO2 durch Pflanzen. Die Zeitreihe wurde berechnet aus der von den Satelliten gemessenen räumlichen Verteilung des XCO2 (siehe Karten in (c)). Die Einheit des XCO2 ist ppm (parts per million). 400 ppm bedeutet, dass die Atmosphäre im Mittel 400 CO2 Moleküle pro eine Millionen Luftmoleküle enthält.

Das Bild zeigt in (b) die jährliche Rate des CO2-Anstiegs. Diese schwankt etwas von Jahr zu Jahr. Ein Grund hierfür sind Schwankungen der Stärke natürlicher CO2-Senken, wie z.B. Wälder, oder eine Zunahme der Quellen, wie z.B. Brände. Die gezeigte erste vorläufige Schätzung für 2018 ist 2,5 ppm/Jahr (Unsicherheitsbereich +/- 0,8 ppm/Jahr). Dies ist etwas weniger als in den Jahren 2015 und 2016 (zwei Jahre mit schwächeren Senken und vielen Bränden, teilweise verursacht durch das natürliche Klimaphänomen El Niῆo) aber etwas mehr als in 2017. Zukünftige verfeinerte Analysen werden zeigen, in wie weit sich diese vorläufige Schätzung bestätigt.

Presse:

Copernicus (7-Jan-2019): Pressemitteilung: “Last four years have been the warmest on record – and CO2 continues to rise” URL: https://climate.copernicus.eu/last-four-years-have-been-warmest-record-and-co2-continues-rise

EuroNews (14-Dez-2018): Video: “CO2-Konzentration rekordverdächtig hoch” URL: https://de.euronews.com/2018/12/14/co2-konzentration-rekordverdachtig-hoch

Publikationen:

Buchwitz, M., Reuter, M., Schneising, O., Noel, S., Gier, B., Bovensmann, H., Burrows, J. P., Boesch, H., Anand, J., Parker, R. J., Somkuti, P., Detmers, R. G., Hasekamp, O. P., Aben, I., Butz, A., Kuze, A., Suto, H., Yoshida, Y., Crisp, D., and O'Dell, C., Computation and analysis of atmospheric carbon dioxide annual mean growth rates from satellite observations during 2003-2016, Atmos. Chem. Phys., 18, 17355-17370, https://doi.org/10.5194/acp-18-17355-2018, 2018. URL: https://www.atmos-chem-phys.net/18/17355/2018/

Heymann, J., M. Reuter, M. Buchwitz, O. Schneising, H. Bovensmann, J. P. Burrows, S. Massart, J. W. Kaiser, D. Crisp, CO2 emission of Indonesian fires in 2015 estimated from satellite-derived atmospheric CO2 concentrations, Geophys. Res. Lett., DOI: 10.1002/2016GL072042, pp. 18, 2017. URL: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL072042/full

Dezember 2018:

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XCO2 saisonale Amplitude aus CMIP5 Modellen und Satellitenmessungen


Der linke Teil der Abbildung zeigt die mittlere (2003-2016) saisonale Amplitude vom Säulenmittel des Stoffmengenanteils von CO2in trockener Luft (XCO2) von Satellitenmessungen im Vergleich zu einem multi-Modell Mittel aus 10 gekoppelten Kohlenstoff-Klima Modellen, die am Coupled Model Intercomparison Project Phase 5 (CMIP5) teilgenommen haben. Die Modelldaten wurden entsprechend der Abdeckung der Beobachtungsdaten ausgewählt. Der Satellitendatensatz wurde aus Messungen von SCIAMACHY („SCanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric ChartographY“) auf Envisat und TANSO-FTS („Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation - Fourier Transform Spectrometer“) auf GOSAT („Greenhouse gases Observing SATellite“) zusammengesetzt (Buchwitz et al., 2018). Die mittlere saisonale Amplitude ist als Differenz zwischen Minimum und Maximum eines Kalenderjahres der enttrendeten Zeitserie definiert.

Sowohl Modelle als auch Beobachtungsdaten zeigen charakteristische saisonale Zyklen: Im Sommer, wenn die Pflanzen durch Photosynthese Kohlenstoff speichern, ist der CO2-Gehalt in der Atmosphäre geringer. Im Winter kommt die Photosynthese zum Stillstand und beim Verfall von Blättern und Pflanzen setzt die Vegetation ihre Kohlenstoffspeicher wieder frei. Daraus folgt, dass die Schwankung der CO2-Konzentration innerhalb eines Jahres abhängig ist von der Stärke der Photosynthese im Sommer und von der Dauer der Wachstumsphasen der Pflanzen. Diese Schwankungen sind in der Nordhemisphäre größer als in der Südhemisphäre. Eine neue Studie im Journal Nature zeigt: Bei einer Verdopplung des CO2-Gehalts in der Atmosphäre, nimmt die Effektivität der Pflanzen Kohlenstoff über Photosynthese aufzunehmen um etwa ein Drittel zu (Wenzel et al., 2016).

Der rechte Teil der Abbildung basiert auf einer Analyse von Schneising et al. (2014) und zeigt den Einfluss der Temperaturanomalie der Vegetationsperiode auf die saisonale Amplitude für die mittleren Breiten der Nordhemisphäre (30-60°N) für Beobachtungsdaten und das multi-Modell Mittel. Die Temperaturanomalie der Vegetationsperiode ist als Anomalie zur monatlichen Klimatologie gemittelt über die Vegetationsperiode (April – September in der Nordhemisphäre) definiert. Es wurden dabei nur Vegetationsflächen genutzt, die durch die MODIS-Klassifizierung für Bodenbedeckung gekennzeichnet sind. Das multi-Modell Mittel kann sowohl die Korrelation, als auch den negativen Trend der saisonalen Amplitude reproduzieren, den die Beobachtungsdaten zeigen.

Die Analyse der Daten ist Teil des „Advanced Earth System Model Evaluation for CMIP“ (EVal4CMIP) Projektes, finanziert durch die Helmholtz Gesellschaft. Die Daten wurden mit dem Earth System Model Evaluation Tool (ESMValTool, Eyring et al. (2016)) prozessiert und analysiert, ein als open-source Software entwickeltes Diagnose- und Performance-Tool zur systematischen Evaluation von Erdsystemmodellen mit Messdaten.

Projekte:

Advanced Earth System Model Evaluation for CMIP (EVal4CMIP)
Coupled Model Intercomparison Project (CMIP)

Publikationen:

Buchwitz, M., Reuter, M., Schneising, O., Noël, S., Gier, B., Bovensmann, H., Burrows, J.P., Boesch, H.,
Anand, J., Parker, R.J., Somkuti, P., Detmers, R.G., Hasekamp, O.P., Aben, I., Butz, A., Kuze, A., Suto, H., Yoshida, Y., Crosp, D., O'Dell, C.Computation and analysis of atmospheric carbon dioxide annual mean growth rates from satellite observations during 2003-2016. Atmospheric Chemistry and Physics
Discussions, 1-22, doi:10.5194/acp-2018-158, 2018.


Eyring, V., Bony, S., Meehl, G. A., Senior, C. A., Stevens, B., Stouffer, R. J., and Taylor, K. E.: Overview of the Coupled Model Intercomparison Project Phase 6 (CMIP6) experimental design and organization ,
Geosci. Model Dev., 9, 1937-1958, doi:10.5194/gmd-9-1937-2016, 2016a.

Eyring, V., Righi, M., Lauer, A., Evaldsson, M., Wenzel, S., Jones, C., Anav, A., Andrews, O., Cionni, I.,
Davin, E. L., Deser, C., Ehbrecht, C., Friedlingstein, P., Gleckler, P., Gottschaldt, K.-D., Hagemann, S.,
Juckes, M., Kindermann, S., Krasting, J., Kunert, D., Levine, R., Loew, A., Mäkelä, J., Martin, G., Mason,
E., Phillips, A. S., Read, S., Rio, C., Roehrig, R., Senftleben, D., Sterl, A., van Ulft, L. H., Walton, J., Wang, S., and Williams, K. D.: ESMValTool (v1.0) – a community diagnostic and performance metrics tool forroutine evaluation of Earth system models in CMIP , Geosci. Model Dev., 9, 1747-1802, doi:10.5194/gmd-9-1747-2016, 2016b.

Eyring, V., Gleckler, P. J., Heinze, C., Stouffer, R. J., Taylor, K. E., Balaji, V., Guilyardi, E., Joussaume, S., Kindermann, S., Lawrence, B. N., Meehl, G. A., Righi, M., and Williams, D. N.: Towards improved andmore routine Earth system model evaluation in CMIP, Earth Syst. Dynam., 7, 813-830,
doi:10.5194/esd-7-813-2016, 2016c.

Schneising, O., Reuter, M., Buchwitz, M., Heymann, J., Bovensmann, H., and Burrows, J. P., Terrestrial
carbon sink observed from space: variation of growth rates and seasonal cycle amplitudes in
response to interannual surface temperature variability, Atmospheric Chemistry and Physics, 14(1),
133-141, doi:10.5194/acp-14-133-2014, 2014.

Wenzel, S., Cox, P. M., Eyring, V ., and Friedlingstein, P.: Projected land photosynthesis constrained bychanges in the seasonal cycle of atmospheric CO2, Nature, doi: 10.1038/nature19772, 2016.


Text von Veronika Eyring, Bettina Gier und Katja Weigel
Grafik von Bettina Gier


November 2018:

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The figure above presents the multiannual (1994-2014) simulated ozone vertical distribution for the Easter Island in Chile, using the TM4-ECPL model. a) Location of Rapa Nui (Easter Island) in the Pacific Ocean. b) The iconic statues of the island (Moai). c) TM4-ECPL values of ozone column in Rapa Nui. d) Measured values for ozone (ozonesondes). e) Mean vertical distribution of ozone using concurrent available measurements (gray line) and modelled data (green line). The vertical dashed line set at 150 ppb of ozone represents the chemical tropopause. Standard deviation of all used data is shown with the horizontal lines (green for modeled values and grey for measurements).

Text: Dr. Nikos Daskalakis and Prof. Mihalis Vrekoussis (LAMOS/IUP)

Image:

a) Easter Island map (a), ozone sonde data and back trajectories:Laura Gallardo, Adolfo HenrÍquez, Anne M. Thompson, Roberto Rondanelli, Jorge Carrasco, Andrea Orfanoz-Cheuquelaf & Patricio Velásquez (2016). The first twenty years (1994–2014) of ozone soundings from Rapa Nui (27°S, 109°W, 51 m a.s.l.), Tellus B: Chemical and Physical Meteorology, 68:1,DOI: 10.3402/tellusb.v68.29484

b) Moai picture (b): Matías Morel [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], from Wikimedia Commons

c) Plots (c), (d) and (e): Dr. Nikos Daskalakis (IUP) from original data.

Modelling of the ozone vertical distribution

Introduction-Motivation: Modelling of ozone is a difficult task, since there are no direct ozone emissions. It is a purely secondary pollutant, chemically produced in the atmosphere. The main removal processes consist of chemical transformation and dry deposition. To simulate the vertical distribution of ozone in the troposphere, we need to properly account for both precursor species amounts (CO, NOx etc) and production/removal processes.

For this work, we used the highly documented TM4-ECPL model (Daskalakis et al., ACP, 2016 and references therein). TM4-ECPL is a Chemistry and Transport Model (CTM) with an analytical chemical scheme consisting of ~280 reactions involving 120 tracers (Myriokefalitakis et al., ACP, 2008, 2011). The model is driven by the ERA-Interim meteorology from ECMWF (Dee et al., GMD, 2011) and uses a variety of emissions covering all different sources (anthropogenic, biomass burning, biogenic, marine and soil).

Here we compare the simulated TM4-ECPL ozone concentrationsover the Easter Island (Rapa Nui) to the collocated time series of ozone sondes. Easter Island is chosen as a representative background site of the Southern Pacific region; making such a comparison extremely important for the understanding of the modeled processes. Such a remote location has minimal local anthropogenic impact on ozone precursor levels. This is supported by back trajectories of the region, which show that the air masses reaching the island come mainly from the west, being influenced mostly by the vast ocean (Gallardo et al., Tellus B, 2016).

The model-measurements comparison revealed that the model simulates correctly the seasonality of ozone levels. However, at the same time the comparison also pointed to model’s inability to simulate the tropopause height (panel (e)). The model simulates a higher tropopause affecting this way the mixing of the atmosphere. It manages to capture stratospheric ozone intrusions events that we see from the measurements with higher ozone values well below the tropopause, down to almost 10 km altitude (13 km altitude in the model). To further explain the ozone levels, the impact of long-range transport, wildfires and the El Niño-Southern Oscillation (ENSO) needs to be addressed.

Oktober 2018:

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Energie Flüsse interner Wellen südlich der Azoren

Interne Schwerewellen werden im Ozean durch Gezeiten, Wind, und die Wechselwirkung von Meeresströmungen mit der Topographie des Meeresbodens angeregt. Modellrechnungen zeigen einen Eintrag von 0.7–1.3 TW Energie in das interne Wellenfeld durch die Umwandlung von barotropen zu baroklinen Gezeiten an Rücken und untermeerischen Bergen. Der Wind trägt weitere 0.3–1.5 TW Energie in den Ozean ein, von denen der größte Teil allerdings in der oberflächennahen Deckschicht verbleibt, und der Beitrag von wechselwirkenden Strömungen beläuft sich auf 0.2 TW. Global werden 1–2 TW Energie benötigt, um die Schichtung des Ozeans aufrecht zu erhalten. Dies geschieht durch Vermischung durch das Brechen der internen Wellen. Beobachtungen zeigen, dass die Energie für diese Vermischung über Tausende von Kilometern hinweg von niedrig-modigen Internen Wellen nahe der Inertialfrequenz transportiert werden. Hochauflösende globale Ozeanmodelle sind zwar inzwischen teilweise in der Lage, die Energiequellen zu Quantifizieren und die Ausbreitung der niedrig-modigsten Wellen zu berechnen, die Variabilität entlang der Ausbreitungspfade und die Dissipation der Energie muss jedoch parametrisiert werden.

Das Bild zeigt Ergebnisse eines Experiments südlich der Azoren, wo an einer untermeerischen Gebirgskette große Mengen interner Wellen erzeugt werden. Die Wellen verlassen die Erzeugungsregion in einem engen sogenannten 'Gezeitenstrahl', was die Beobachtung der Prozesse an den Wellen erleichtert. Das Schemabild zeigt die Bathymetrie der Erzeugungsregion auf der rechten Seite, sowie in rot/blau die Amplitude der Gezeitenwellen aus Satellitenbeobachtungen. Die Messinstrumente, die wir für die Beobachtung der Energieflüsse verwenden, sind das CTD/LADCP System, das vom Schiff aus verwendet wird, um Zeitreihen Stationen durchzuführen, und eine verankerte Messkette, die Langzeitmessungen von Strömungen und Temperatur aufzeichnet. Die gezeigten Daten sind (unten) ein Ausschnitt aus den Flüssen an der Verankerung, zerlegt in Moden, im Vergleich zu vom Modell vorhergesagten Gezeiten, und (rechts oben) die Signale Interner Wellen in Geschwindigkeit (oben) und Schichtung (unten), jeweils ungefiltert (links), und nach M2 Gezeitenfrequenz gefiltert (rechts).

Projekt:

TRR181 Energy Transfers in Atmosphere and Ocean (https://www.trr-energytransfers.de), Subproject W2: 'Energy transfer through low mode internal waves' Monika Rhein (MARUM/IUP, University of Bremen), Jin-Song von Storch (MPI for Meteorology, Hamburg) DFG

August 2018:

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Müller-Dum, D., Warneke, T., Rixen, T., Müller, M., Baum, A., Christodoulou, A., Oakes, J., Eyre, B. D., and Notholt, J.: Impact of peatlands on carbon dioxide (CO2) emissions from the Rajang River and Estuary, Malaysia, Biogeosciences Discuss., https://doi.org/10.5194/bg-2018-391, in review, 2018.

Carbon Dioxide Emissions from Southeast Asian Rivers

How much carbon dioxide (CO2) is released from Southeast Asian rivers? At the Institute of Environmental Physics (IUP), we have investigated this question in close collaboration with the Leibniz Center for Tropical Marine Research (ZMT), Bremen, and with the Swinburne University of Technology in Kuching, Malaysia. Our recent work, supported by the Central Development Research Fund of the University of Bremen, focused on the Rajang River, the longest river in Malaysia on the island of Borneo. It flows through mountainous terrain, tropical rainforests, oil palm plantations and peatlands. Southeast Asian peatlands store large amounts of organic carbon. It is expected that this carbon is released to the adjacent rivers, converted to CO2 and released to the atmosphere from the water surface. However, due to the proximity of the peatlands to the coast, the material is swiftly transported to the ocean, and CO2 emissions from Southeast Asian rivers are actually much lower than predicted. This was confirmed by our research at the Rajang River.

The left images are photographs of our scientists and students at work. The right image displays the measured partial pressure of CO2 (pCO2, in µatm) in the Rajang River. Peat areas are shown in dark colors. It can be seen that pCO2 increases as the river flows through the peat area, but soon decreases towards the river mouth due to mixing with seawater.

Our current knowledge of Southeast Asian river systems is mainly based on these kind of sampling campaigns. They can be realized in short term at relatively low cost and allow to resolve spatial patterns of carbon dynamics in a river. In order to better constrain the temporal variability of carbon fluxes in peat-draining rivers, it would be desirable to have additional long-term monitoring data. A new project, funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG), will look into the use of satellites to monitor the amount of riverine dissolved organic carbon (DOC), which is one of the most important drivers of CO2 emissions.

Related Projects:

‘Integrating field measurements and numerical modeling in order to understand carbon dynamics in Southeast Asian rivers’, awarded to Denise Müller-Dum (IUP), CDRF (Uni Bremen)
‘Studying dissolved organic carbon in tropical rivers of Malaysia using in-situ and satellite observations’, awarded to Justus Notholt (IUP), Thorsten Warneke (IUP), Tim Rixen (ZMT), DFG

Text and Images: Denise Müller-Dum (IUP) and Moritz Müller (Swinburne University of
Technology, Malaysia)

Juni 2018:

Text and Bild: Carlo Arosio

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The left panel shows long-term changes in zonal monthly mean ozone in the stratosphere over the 2003-2017 period as a function of altitude and latitude. Values are reported in % per decade and shaded areas indicate non-significant trends. The right panel shows the longitudinally resolved long-term changes at an altitude of 38 km, displaying a remarkable variability. These plots confirm a significant increase of ozone concentration at mid latitudes in the upper stratosphere, whereas, in the middle stratosphere down to 20 km the long-term changesare generally not significant.

The observed increase of ozone concentration around 35-45 km is attributed by recent studies to two main causes; the first one is the decreasing concentration of ozone depleting substances after the production and use of CFCs have been regulated by the Montreal Protocol and its amendments. The second explanation is related to the increasing concentration of greenhouse gases responsible for the recorded global tropospheric warming. Due to radiative processes, this leads to a stratospheric cooling that in turn impacts on the ozone chemistry, increasing its production efficiency at these altitudes. Changes in the stratospheric circulation also have a strong influence on the latitudinal and vertical distribution of ozone and its trends.

In order to obtain a long term record of ozone profiles and study the long-term changes, SCIAMACHY and OMPS Limb Profiler stratospheric ozone data sets have been retrieved and merged at the University of Bremen. Since the overlap of the two satellite missions is only 3 months at the beginning of 2012, a reference time series for the merging has been used. Data from the NASA Aura-MLS instrument have been chosen for this purpose, as the instrument performs limb observations with a broad latitude coverage and it is considered stable and reliable.

Trends have been computed using a multilinear regression model, accounting for all phenomena having a strong impact on stratospheric ozone on different temporal and spatial scale: the solar activity, the quasi-biennial oscillation, El Nino and seasonal terms with a period of 6 and 12 months.

Mai 2018:

Atmospheric CO2 reaches new high-water mark

Satellite data show that northern hemispheric CO2 has exceeded 410 parts per million (ppm) in April 2018. Globally approximately 407.6 ppm has been reached. These are the highest atmospheric CO2 concentrations since at least 800000 years.

The figure presents time series of atmospheric CO2 mixing ratios for the entire world (black and grey lines), for the northern hemisphere (red) and for the southern hemisphere (green). Shown are monthly mean column-averaged molecular mixing ratios of CO2 (“XCO2”) as retrieved from satellite measurements.

The lines shown in pale colours (recent years) correspond to preliminary time series generated in Near-Real-Time (NRT) whereas the bright colours show a high-quality Climate Data Record (CDR) currently covering the time period 2003-2016.

All curves show an increasing trend due to increasing concentrations of atmospheric CO2 originating primarily from the burning of fossil fuels (coal, oil, gas). The seasonal variations within each year are primarily due to uptake and release of CO2 by vegetation (photosynthesis, respiration, decay of organic matter). As can be seen, the largest variations are over the northern hemisphere (red line), where most of the terrestrial vegetation is located. The northern hemispheric CO2 maximum is typically reached in May. After that CO2 concentrations will decrease because the growing plants will take up large amounts of CO2 from the atmosphere.

The satellite-derived CO2 time series have been generated at the Institute of Environmental Physics (IUP) of the University of Bremen, Germany. They have been derived from spectroscopic measurements of the European satellite instrument SCIAMACHY on Envisat (2002-2012) and from TANSO-FTS onboard the Japanese GOSAT satellite (since 2009).

The underlying retrieval algorithms and corresponding CO2 data products have been generated in the framework of three European projects: the GHG-CCI project of ESA’s Climate Change Initiative and the EU projects Copernicus Climate Change Service (C3S) and Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS).

The CAMS data product (pale colours, recent years) is generated in quasi near-real-time at University of Bremen for the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) for CO2 forecasting and other applications within CAMS.

The bright colours show a Climate Data Record (2003-2016) generated at University of Bremen for C3S, which will be extended each year by one additional year. This data product is based on merging several high-quality data products generated in Europe (by University of Bremen, SRON and University of Leicester), in Japan (by the National Institute for Environmental Studies (NIES)) and in the USA (by NASA’s CO2 ACOS team). The merging algorithm has been developed at University of Bremen in order to generate a data product with the highest possible data quality for challenging carbon and climate applications.

The satellite CO2 observations are mean molecular mixing ratios (or mole fractions) of CO2 with respect to dry air averaged over the entire vertical extent of the atmosphere. 410 parts per million means that on average 1 million air molecules (excluding water vapour) contain 410 CO2 molecules in the air above a given location. Note that these column-averaged observations are similar but not identical to CO2 measurements at the surface carried out, for example, by NOAA.

Monitoring of the atmospheric CO2 concentration is important because increasing atmospheric concentrations lead to global warming as CO2 is an important greenhouse gas. Before the industrial revolution, the atmospheric concentration of CO2 was below approximately 280 ppm for at least the last 800000 years. Since then the amount of atmospheric CO2 has increased by more than 40%. The goal of the Paris Agreement on Climate Change is to reduce emissions of greenhouse gases to limit global warming to less than 2 degrees Celsius - or even better to less than 1.5 degrees - with respect to pre-industrial times. Achieving this goal requires a major international effort. It is currently unclear if this goal can be reached.

Text and Images: Michael Buchwitz, Maximilian Reuter, Stefan Noël

April 2018:

Further investigation on megacities: EMeRGe HALO campaign in East Asia

The measurement campaign of the project EMeRGe (Effect of Megacities on the Transport and Transformation of Pollutants on the Regional and Global Scales) in East Asia started in March 2018 and will continue till 09.04.2018.

EMeRGe (http://www.iup.uni-bremen.de/emerge/), led by the Institute of Environmental Physics of the University of Bremen,aims at improving the knowledge and prediction of the transport and transformation patterns of European and Asian pollutant outflows of megacities by using the HALO research aircraft (www.halo.dlr.de). The first measurement campaign in Europe was successfully carried out in summer 2017.

The HALO payload for EMeRGe combines in situ and remote sensing instruments measuring O3and aerosol precursors, aerosol amounts and composition. This information, which is gathered following optimal HALO transects and vertical profiling, enables the investigation of the photochemical evolution of the megacity plumes, the lifetime of the emissions and the transport of the air masses.

For the second EMeRGe campaign in East Asia, HALO left Germany on the 07.03 to reach its airbase in Tainan (Taiwan) where it will stay till the 7.04.2018. Around 140 flight hours will be flown to investigate the transport and transformation of emissions from the megacities Manila, Taipei, Seoul, Tokyo, Beijing, Shanghai and Guangzhou. Already 10 flights have been successfully performed in March 2018.

EMeRGe additionaly stimulates measurements and modelling studies within an international best effort research partnership with the European, Asian, and American science community. More than 50 partners from 16 different countries are participating in EMeRGe international. From them 27 are Asian partners. EMeRGe international facilitates a much more comprehensive integrated analysis of all sets of observational data products (i.e. aircraft, ground and satellite based data) in the study of the transport and transformation of plumes from MPCs.

Text and Images: Lola Andres Hernandez

März 2018:

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Nitrogen dioxide total columns derived from measurements of the GOME2B instrument (left) and the Sentinel-5 precursor (right) for November 29, 2017. The large increase in spatial resolution at comparable signal to noise ratio makes the data much more useful for air pollution applications.

First NO2 results from the Sentinel-5 Precursor

On October 13, 2017, the Sentinel-5 precursor (S5P), the first of the atmospheric Copernicus instruments was successfully launched into an afternoon low earth orbit. The TROPOMI instrument on-board of this satellite continues the atmospheric remote sensing measurements of the GOME, SCIAMACHY, OMI and GOME-2 instruments. The main data products are O3, NO2, HCHO, CO, CH4 and cloud and aerosol information, but additional data products are possible and are currently being developed at several institutes, including IUP Bremen. Compared to previous instruments, S5P combines global coverage with excellent spatial resolution of 3.5 x 7 km2 (7 x 7 km2 in the SWIR), resulting in an unprecedented level of detail of the derived global maps.

The instrument is still in commissioning phase and official release of operational data is foreseen for July 2018. However, first spectra and lv2 products have already been made available to the core team and validation groups, and so far, data quality appears to be very good. Using the verification algorithms developed over the last years, IUP Bremen has used S5-P radiances and irradiances to produce first maps of CO, CH4, NO2, HCHO, H2O and BrO, all of which show good quality and interesting details.

As an example, data from one S5P overpass over Germany on November 29, 2017 is shown in the figure.

Disclaimer: The presented work has been performed within the framework of the Sentinel-5 Precursor Level 1/Level 2 Product Working Group activities. Results are based on preliminary (not fully calibrated/validated) Sentinel-5 Precursor data that are still subject to change.

Acknowledgement:Sentinel-5 Precursor is a European Space Agency (ESA) mission on behalf of the European Commission (EC). The TROPOMI payload is a joint development by ESA and the Netherlands Space Office (NSO). The Sentinel-5 Precursor ground-segment development has been funded by ESA and with national contributions from The Netherlands, Germany, and Belgium.

Links:
http://www.tropomi.eu/

Januar 2018:

Nachweis von Methanemissionen aus Mülldeponien

Erstmals gelang es Wissenschaftlern des Instituts für Umweltphysik, Methanemissionen von Mülldeponien mittels Flugzeug-gestützter Fernerkundungsmesstechnik unabhängig zu bestimmen.

Fernerkundungsdaten von Methankonzentrationen wurden zusammen mit Daten einer Standardmessmethode während einer Forschungsmeßkampagne in Kalifornien aufgenommen. Durch neue Auswertemethoden und einem Vergleich mit den Daten der Standardmessmethode konnte nun demonstriert werden, dass sich Fernerkundungsdaten zur unabhängigen Überprüfung der berichteten Methanemissionen aus Mülldeponien gut eignen. Im Falle der untersuchten Mülldeponie stimmen die mittels unabhängiger Prüfung bestimmten Emissionen gut mit den berichteten überein.

Während der Meßkampagne in Kalifornien konnten auch Methanemissionen von Ölfeldern bestimmt werden (vgl. auch Bild des Monats April 2015 [LINK]). Diese Forschungsarbeiten fanden kürzlich (Dezember 2017) im ARD Wirtschaftsmagazin PlusMinus Beachtung.

Im Rahmen eines vom BMBF geförderten Projekts arbeiten die Forscher am IUP derzeit an der Entwicklung der nächsten Generation von Methanfernerkundungssensoren, die eine weitaus bessere Meßgenauigkeit zur Quantifizierung von lokalen Methanemissionen haben wird.

Kontakt: heinrich.bovensmann@uni-bremen.de

Publikation:

Krautwurst, S., Gerilowski, K., Jonsson, H. H., Thompson, D. R., Kolyer, R. W., Iraci, L. T., Thorpe, A. K., Horstjann, M., Eastwood, M., Leifer, I., Vigil, S. A., Krings, T., Borchardt, J., Buchwitz, M., Fladeland, M. M., Burrows, J. P., and Bovensmann, H.: Methane emissions from a Californian landfill, determined from airborne remote sensing and in situ measurements, Atmos. Meas. Tech., 10, 3429-3452, https://doi.org/10.5194/amt-10-3429-2017, 2017

Link: https://www.atmos-meas-tech.net/10/3429/2017/

Methanleckagen von Ölfeldern (ARD PlusMinus), Sendung vom 7.12.2017

http://www.daserste.de/information/wirtschaft-boerse/plusminus/sendung/plusminus-erdgasfoerderung100.html

Dezember 2017:

Auslegung der Verankerung:

Auftriebskugel mit einem akustischen Strömungsmesser mit dem Profile in den oberen 250 m gemessen werden (links). Kleinere Strömungsmesser und Temperatursensoren werden in unterschiedlichen Tiefen angebracht (mitte). Die Geräte werden mit Seilen untereinander verbunden. Auftriebskugeln halten die Verankerung senkrecht im Wasser. Der Auftrieb bringt die Geräte später wieder an die Wasseroberfläche. Zu sehen ist auch das 1.4 t schwere Grundgewicht aus massiven Stahlplatten (rechts).

Fahrt 516 mit dem Forschungsschiff “Poseidon”

Text: Maren Walter, Christian Mertens
Photos: Florentina Münzner, Simon Rümmler

Die Fahrt 516 mit dem Forschungsschiff Poseidonist Teil eines interdisziplinären Forschungsprogramms, des Transregio 181 ‘Energy transfers in atmosphere and ocean’ (www.trr-energytransfers.de). Die dreiwöchige Reise im Juli/August 2017 begann und endete in Ponta Delgada auf den Azoren. An Bord waren neun WissenschaftlerInnen und StudentInnen der Universitäten Bremen und Hamburg. Ziel der Fahrt war es, die Energieflüsse interner Gezeiten südlich der Azoren zu messen, die dort an Seamounts entstehen.

Wellen und Strömungen im Ozean werden durch Wind und Gezeiten erzeugt. Diese Bewegungen finden auf allen Skalen statt, von beckenweiten Strömungen bis zu Millimeter großen Verwirbelungen der Turbulenz. Die Wechselwirkungen der unterschiedlichen Bewegungsformen und ihr Energieaustausch sind bisher noch nicht ausreichend genug verstanden. Zum Beispiel erzeugen Gezeiten an Seamounts und Kontinentalabhängen interne Wellen, die sich über hunderte von Kilometern im Innern der Ozeane ausbreiten. Dabei verlieren sie Ihre Energie entlang des Weges durch eine Vielzahl von Prozessen und Wechselwirkungen, aber wie und wo das genau passiert, ist größtenteils unbekannt. Das Projekt W2 dient dazu, diese Ausbreitung und Dissipation von Gezeitenenergie im Innern der Ozeane besser zu verstehen und in Klimamodellen zu berücksichtigen.

Zur Messung der Energieflüsse interner Wellen wurden an einer Reihe von Stationen kurze Zeitreihen der Strömungen und der Dichte gemessen. Jede Station dauerte zwischen 36 und 48 Stunden um halbtägige und ganztägige Gezeiten zu erfassen. Erste Ergebnisse zeigen deutliche Signale interner Wellen mit maximaler Amplitude in 800 m bis 1300 m Wassertiefe, mit vertikalen Exkursionen der Wasserpakete von über 100 m. Um auch eine längere Zeitreihe der Energieflüsse zu bekommen wurde eine Verankerung mit Strömungsmessern und Temperatursensoren ausgelegt. Sie wird auf der nächsten Reise, im Mai 2018, wieder geborgen werden.

November 2017:

Bild 1:

Vor dem Grönländischen Gebirge erstreckt sich der 79-Nord-Gletscher auf dem Ozean. Im Vordergrund neu gebildetes Meereis. Links vorne die Fahrspur des Forschungseisbrechers Polarstern.

Bild 2:

Zur Bestimmung der Schmelzwassermengen im Ozean anhand von Edelgasen (Helium und Neon) werden an Bord Wasserproben aus verschiedenen Tiefen in spezielle Probenbehälter (Kupferrohre) abgefüllt und später am IUP gemessen.

Der starke Temperaturanstieg im nördlichen Polarmeer lässt die Grönländischen Gletscher schneller schmelzen. Um die Wechselwirkung zwischen Ozean und den Grönlandischen Gletschern zu untersuchen und die Schmelzwassermengen, die in den Ozean gelangen, zu bestimmen, waren WissenschaftlerInnen der AG Ozeanographie im September und Oktober 2017 an Bord des Forschungseisbrechers Polarstern. Auf dem Grönländischen Schelf vor dem 79-Grad-Nord- und Zacharias-Gletscher haben sie hunderte Wasserproben aus verschiedenen Tiefen des Ozeans genommen. Im Heimatlabor werden als nächstes die Edelgasgehalte (Helium, Neon) gemessen, die direkt darüber Aufschluss geben, wo und wie viel Schmelzwasser sich im Ozean befindet.

Text: Dr. Oliver Huhn, IUP, Bremen
Fotos: Dr. Tilia Breckenfelder, IUP+Marum, Bremen

Oktober 2017:

Forschungsmeile 2017

Auch in diesem Jahr beteiligte sich das IUP wieder an der Forschungsmeile im Rahmen der Maritimen Woche 2017 in Bremen. Am 23. und 24. September wurden an der Weserpromenade „Schlachte“ aktuelle Forschungsthemen der Arbeitsgruppen Physik und Chemie der Atmosphäre, Fernerkundung und Ozeanografie der Öffentlichkeit präsentiert. Die Besucher konnten unter anderem beobachten, wie der IUP-Messwagen vor Ort Messungen der Luftqualität vornahm. Ein besonderer Anziehungspunkt war das „Eiswürfelexperiment“, das die Frage beantwortete: Wo schmilzt ein Eiswürfel schneller, ins Süßwasser oder (salzigem) Meerwasser? Die – eventuell überraschende – Antwort ist übrigens: Im Süßwasser.

Die Erklärung dafür ist folgende: Das kalte Schmelzwasser des Eiswürfels hat eine geringere Dichte, d.h. ist leichter, als das salzige Meerwasser. Daher schichtet es sich über dem Meerwasser ein und hält den Eiswürfel kühl. Im Süßwasser sinkt das kalte Schmelzwasser ab und vermischt sich mit dem wärmeren Süßwasser, das dadurch im direkten Kontakt zum Eiswürfel bleibt und ihn schneller abschmelzen lässt. Ähnlich Schichtungen sind auch in der Arktis zu beobachten: Wärmeres, salzhaltigeres Atlantikwasser wird durch eine Schicht von frischerem Oberflächenwasser vom Meereis isoliert.

Kontakt für mehr Informationen zu diesem Thema: Gunnar Spreen (gunnar.spreen@uni-bremen.de)

September 2017:

Aussetzen

eines invertierten Bodendruckecholots vom Forschungsschiff Maria S. Merian aus. Foto: Dagmar Kieke

Salzgehaltsverteilung

über den Atlantik von der Merianexpedition 2017 entlang 47°N von Kanada (links) nach Irland (rechts). Die oberflächennahen Salzgehaltsmaxima stammen vom Nordatlantikstrom, der warmes, salzreiches Wasser ans den Subtropen nach Norden transportiert. Die hohen Salzgehalte in den obern 1000 m am östlichen rand stammen vom Ausstrom des Mittelmeerwassers. Der Labradorstrom am westlichen Rand transportiert salzarmes Wasser mit Anteilem von arktischem und grönländischem Schmelzwasser südwärts. Der niedrige Salzgehalt am Westrand zwischen 500 und 1500 m charakterisiert neu gebildetes Tiefenwasser aus der Labradorsee.

Im Rahmen der diesjährigen Expedition mit dem deutschen Forschungsschiff Maria S. Merian hat die Arbeitsgruppe Ozeanographie am IUP die Untersuchung der Zirkulation und des Wassermassenaustausches im subpolaren Nordatlantik fortgesetzt. Insbesondere sind invertierte Bodendruckecholote (PIES) entlang 47°N von Ost nach West ausgesetzt worden. Die Instrumente sinken zum Ozeanboden herab und messen von dort aus die Schalllaufzeit zur Meeresoberfläche und zurück. Da die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Salzgehalt des Meerwassers abhängt, können diese Größen aus den PIES Daten rekonstruiert werden, ebenso die Dichte des Wassers. Daraus wiederum können Geschwindigkeiten und Transporte im Ozean berechnet werden. Die Messungen der PIES im Westbecken des Atlantik ermöglichen bereits die Bestimmung der Stärke des Nordatlantikstroms, der warmes, salzreiches Wasser aus den Subtropen nach Norden transportiert und somit auch das Klima in Nordwesteuropa beeinflusst. Dieses Jahr sind erstmals auch PIES im Ostbecken entlang von 47°N ausgelegt worden. Mit deren Hilfe soll auch hier der Austausch von warmen, salzreichen subtropischen und kälteren, salzarmen subpolaren Wassermassen untersucht werden.

Auf der Merianexpedition, die im Mai/Juni dieses Jahres stattgefunden hat, ist die Bremer Ozeanographiearbeitsgruppe von KollegInnen des Bundesamtes für Seeschiffahrt und Hydrographie unterstützt worden. Außerdem haben zwei kanadische DoktorandInnen im Rahmen des Arctrain Programms an der Fahrt teilgenommen.

August 2017:

Global data sets on marine phytoplankton diversity at highest spatial and temporal resolution via the synergistic exploitation of hyper-and multispectral satellite data

Led by the AWI research group PHYTOOPTICS in collaboration with the IUP-UB, the Laboratoire d’Océanographie de Villefranche (LOV), Villefranche, France, and the Plymouth Marine Laboratory (PML), Plymouth, United Kingdom, satellite data products of the biomass (given as chlorophyll-a) of three major phytoplankton groups, namely diatoms, coccolithophores and prokaryotic phytoplankton (also called cyanobacteria), at best have been developed within the project SynSenPFT funded under the ESRIN/ESA within the SEOM (Sceintific Exploration of operational missions) - Sentinel for Science Synergy (SY-4Sci Synergy)" programme. SynSenPFT product are publicly available for the global ocean at daily, 4km x 4km resolution for the entire ENIVSAT mission time and the image shows the SynSenPFT products for the global ocean in September 2006.

To gain knowledge on the role of marine phytoplankton in the global marine ecosystem and biogeochemical cycles, information on the global distribution of major phytoplankton functional types (PFT) is essential. Products representing phytoplankton diversity have been developed by various algorithms mostly applied to multispectral satellite data. However, despite providing a good spatial resolution and coverage, those products are limited to either only indicating size fractions or the dominance of phytoplankton groups and all these products have a strong linkage to a-priori-information because the small number of wavelength bands and the broadband resolution of these sensors provide only limited information on the difference of the phytoplankton absorption structures. Former and current satellite instruments with a very high spectral resolution provide the opportunity for distinguishing more accurately multiple PFTs using spectral approaches as has been demonstrated with the Phytoplankton Differential Optical Absorption Spectroscopy (PhytoDOAS) method (developed by the AWI PHYTOOPTICS group in collaboration with IUP-UB) in the open ocean using hyperspectral satellite data from the sensor “SCanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY" (SCIAMACHY). Being originally developed for atmospheric applications, hyperspectral sensors like SCIAMACHY do not provide operational water-leaving radiance products as do ocean color sensors. Since the pixel size of these data is very large (30 km by 60 km per pixel) and global coverage by these measurements is reached only within six days which limits the application of hyperspectral-based PFT data products.

To overcome the short-comings of current multi-and hyper-spectral PFT products the synergistic retrieval of PFT from space from hyper- and multispectral measurements (SynSenPFT) was developed to improve the retrieval of PFTs from space by exploring the synergistic use of low-spatial-hyper-spectral and high-spatial-multi-spectral satellite data. The SynSenPFT algorithm is based on input data of the improved/revised existing PFT algorithms based on hyper- (PhytoDOAS) and multi-spectral (OC-PFT) and then by combining those synergistically to derive PFT products with temporal and spatial resolution as multispectral ocean colour data but using the spectral information from the hyperspectral data. The algorithm principles, sensitivity studies and its thorough validation against a large global in-situ phytoplankton group data set have been published now (Losa et al 2017). This synergistic algorithm can be later applied to produce a synergistic PFT product from hyperspectral sensors Sentinel-5-Precursor, Sentinel-4 and Sentinel-5 and multispectral sensor OLCI on Sentinel-3 to ensure the prolongation of the time series over the next decades.

Further information can be found under:

Losa S., Soppa M. A., Dinter T., Wolanin A., Brewin R. J. W., Bricaud A., Oelker J., Peeken I., Gentili B., Rozanov. V. V., Bracher A., Synergistic exploitation of hyper- and multispectral precursor Sentinel measurements to determine Phytoplankton Functional Types at best spatial and temporal resolution (SynSenPFT). Frontiers in Marine Science Front. Mar. Sci. 4: 203; doi: 10.3389/fmars.2017.00203;

SynSenPFT-webpage:

https://www.awi.de/en/science/climate-sciences/physical-oceanography/main-research-focus/ocean-optics/projects/synsenpft.html

Juli 2017:

Transport and Transformation of Pollutants

from Major Population Centers: EMeRGe first campaign in Europe starts in July

Led by IUP-UB and in collaboration with eight German universities and research centers, the DFG project Effect of Megacities on the transport and transformation of pollutants on the Regional to Global scales, EMeRGe, aims to investigate the regional and global impact of pollutants emitted from European and Asian major population centers (MPC).

The first intensive EMeRGe airborne measurement campaign using the airborne platform HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) will be carried out from the 10thto the 31st of July 2017 over Europe. After the installation and preparation phases with basis at DLR in Oberpfaffenhofen, a total of 52 HALO flight hours has been allocated for this part of the investigation with particular focus on European target MPC (London, Benelux, Ruhr area, Rome, Po Valley), the Mediterranean and Central Europe within summer events of photochemical interest.

Complementary measurements over Europe from the airborne platforms FAAM (www.faam.ac.uk) and ERA CNR SkyArrow, and from the European lidar and ground base network will be additionally carried out and used for planning and analysis in the framework of the EMeRGe international research partnership.

Further details can be found at www.iup.uni-bremen.de/emerge/

Juni 2017:

Vertical Colum Densities of NO2

Vertical Colum Densities of NO2 measured above Bucharest on Monday 2014-09-08. Numbered labels correspond to industrial point source emitters of NOx listed in the European Pollutant Release and Transfer Register (http://prtr.ec.europa.eu/). Black lines indicate major roads.

Vertical Colum Densities of NO2 measured above Bucharest on Monday 2014-09-08

Global maps of nitrogen dioxide (NO2) pollution are nowadays routinely produced from data of satellites such as GOME, SCIAMACHY, OMI and GOME-2. A similar instrument installed on an aircraft results in the same type of maps of tropospheric NO2columns, but with a much higher spatial resolution. During the AROMAT (Airborne Romanian Measurements of Aerosols and Trace gases) campaign which took place in Romania in summer 2014, the AirMAP instrument was installed on board of a Cessna operated by the FU Berlin and took such measurements above Bucharest on several days with a spatial resolution of the order of 100m. The image shows an example of the resulting maps , demonstrating the degree of spatial variability found in an area comparable to just a single pixel of a current state of the art satellite instrument. Comparison between measurements taken at different times and on different days also illustrates large temporal variations, underlying the need for geostationary satellites which can provide several measurements per day for the same location.

The AirMAP instrument is an imaging DOAS spectrometer covering either a band in the visible for high sensitivity NO2retrievals, or a spectral range more in the UV enabling simultaneous detection of SO2and NO2, albeit at lower signal to noise ratio. Data analysis employs the Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) method and air mass factors (AMF) based on surface reflectance values derived from the measurements of the AirMAP instrument. Validation of the AirMAP NO2columns with MAX-DOAS measurements from cars operated at the same time during the campaign by the Max-Planck Institute for Chemistry in Mainz and the University of Galati, Romania showed very good agreement, in particular for those measurements for which the time difference was small.

High resolution maps of tropospheric NO2can be used for a variety of applications, including satellite validation, analysis of the representativeness of low spatial resolution observations, emission estimates, and pollution mapping. The AirMAP instrument has already been operated during several other campaigns and it is planned to also employ it for validation of the upcoming Sentinel-5 precursor satellite.

More details can be found in:
Meier, A. C., Schönhardt, A., Bösch, T., Richter, A., Seyler, A., Ruhtz, T., Constantin, D.-E., Shaiganfar, R., Wagner, T., Merlaud, A., Van Roozendael, M., Belegante, L., Nicolae, D., Georgescu, L., and Burrows, J. P.: High-resolution airborne imaging DOAS measurements of NO2 above Bucharest during AROMAT, Atmos. Meas. Tech., 10, 1831-1857, doi:10.5194/amt-10-1831-2017, 2017.

Mai 2017:

Bremen composite Mg II index

Der Mg II Index ist ein Proxy für die Variabilität der solaren UV Strahlung, die mit der Sonnenaktivität variiert. Neben dem 11-Jahre Zyklus (Schwabe-Zyklus) verändert sich die solare UV Strahlung auch mit der Rotationsperiode der Sonne, die im Mittel etwa 27 Tage beträgt (Carrington-Zyklus). Der Mg II Index korreliert mit der Anzahl der Sonnenflecken, die vom solaren Minimum zum Maximum eines 12-Jahreszyklus zunimmt. Zur Zeit nähern wir uns dem solaren Minimum des nächsten Sonnenzyklus (Zyklus 25). Der Schwabe-Zyklus unterliegt Schwankungen in der Länge (10-12 Jahre) und der Intensität. Das Aktivitätsmaximum des Schwabe-Zyklus 24 (2014/15) war niedriger als die der drei vorherigen Zyklen 21 bis 23.

Der Mg II index wird bei uns aus den täglichen Sonnenmessungen der Satelliteninstrumente GOME, SCIAMACHY, GOME-2A, und -2B seit 1995 abgeleitet. Zusammen mit anderen Satellitendaten kann ein kombinierter Datensatz (´´Composite Mg II Index´´) erstellt werden, der etwa 38 Jahre umfasst (1978-2017) und sich über die Sonnenzyklen 21 bis 24 erstreckt. Diese Zeitserie wird täglich aktualisiert und aktuelle Daten und Bilder sind abrufbar unter http://www.iup.uni- bremen.de/UVSAT/Datasets/mgii.

Die UV Strahlung und deren Variation (Sonnenaktivität) hat einen starken Einfluss auf das stratosphärische Ozon und bestimmt die thermische Struktur der oberen Stratosphäre und beeinflusst damit die globale Luftzirkulation in der oberen Atmosphäre (oberhalb von 20 km).

April 2017:

Entwicklung der von der Sarychev Peak Eruption verursachten Aerosolfahne.

Bilder zeigen monatlich und zonal gemittelte Extinktionskoeffizienten vom stratosphärischen Aerosol bei 750 nm, welche aus der SCIAMACHY Limb-Messungen am IUP Bremen ausgewertet worden (V1.4). Die Aerosolfahne erreicht die Höhe von ca. 21 km.

Juli 2009: ein Monat nach der Eruption von Sarychev Peak (48oN, 153oE; June 11-21, 2009). Moderate Erhöhung der Aerosolextinktionskoeffizienten wird um 50oN Breitengrad beobachtet.

Oktober 2009: Aerosol-Extinktion ist deutlich erhöht, die Aerosolfahne verbreitet sich hautsächlich Richtung Äquator.

Dezember 2009: Aerosol-Extinktion fängt an, zurück zu gehen, die tropische Region ist nahezu zum ungestörten Zustand zurückgekehrt.

Mai 2010: zirka 1 Jahr ach der Eruption, der Aerosolgehalt ist wieder in ungestörtem Zustand südlich von 50oN Breitengrad.

März 2017:

Veränderungen im stratosphärischen Methan 2003 – 2011

Methan (CH4) ist nach Kohlendioxid (CO2) das wichtigste vom Menschen erzeugte Treibhausgas. Es wird in den unteren Luftschichten (der Troposphäre) produziert. Aufgrund seiner langen Lebensdauer kann es dann in größere Höhen (die Stratosphäre) transportiert werden.

Die Abbildung (aus Noël et al., 2016) zeigt die Veränderung des stratosphärischen Methans in mittleren nördlichen Breiten über den Zeitraum 2003 bis 2011, ermittelt aus Sonnenokkultations-Messungen des SCIAMACHY-Instruments auf dem ENVISAT Satelliten. Aus den Daten wurden Monatsmittel bestimmt und von diesen die jahreszeitliche Variation abgezogen. Dies resultiert in den dargestellten „Anomalien“, aus denen sich ungewöhnliche oder längerfristige Veränderungen besser ablesen lassen.

Im konkreten Fall zeigt sich kein genereller Trend in den Methandaten innerhalb des untersuchten Zeitraums. Allerdings ist ein regelmäßiger Wechsel zwischen positiven (rot) und negativen (blau) Anomalien zu beobachten. Diese Variation kann auf Transporteffekte im Zusammenhang mit der sogenannten „quasi-biennial oscillation“ (QBO) zurückgeführt werden, einer Umkehr der stratosphärischen Winde von Ost nach West (und umgekehrt) mit einer Periode von ca. zwei Jahren.

Referenz:

Noël, S., K. Bramstedt, M. Hilker, P. Liebing, J. Plieninger, M. Reuter, A. Rozanov, C. E. Sioris, H. Bovensmann and J. P. Burrows, Stratospheric CH4 and CO2 profiles derived from SCIAMACHY solar occultation measurements, Atmos. Meas. Tech., 9(4), 1485-1503, 2016, doi: 10.5194/amt-9-1485-2016, http://www.atmos-meas-tech.net/9/1485/2016/

Februar 2017:

Die durch das Wetterphänomen El Niño ausgelösten Dürren in Indonesien im Jahr 2015 führten zu außergewöhnlich vielen Bränden in dieser Region. Verstärkt wurde diese Situation durch menschliche Aktivitäten wie der Brandrodung von Regenwäldern und der Entwässerung von Torfmoorböden. Durch die Brände sind große Mengen des Treibhausgases Kohlenstoffdioxide (CO2) in die Atmosphäre emittiert wurden. Diese Emissionen wurden von Emissionsdatenbanken wie dem Global Fire Assimilation System (GFASv1.2) und der Global Fire Emission Database (GFEDv4s) auf etwa 1100 Mt CO2 für die Zeitperiode von Juli bis November 2015 abgeschätzt, was mehr ist als die gesamte jährliche anthropogene Emission eines Industriestaates wie Deutschland. Diese Emission wurden allerdings indirekt mit Hilfe von Parameteren wie der brennenden Fläche, der Strahlungsleistung des Feuers und Emissionsfaktoren abgeschätzt und nicht direkt mit Hilfe von Messungen der CO2 Konzentration.

In einer kürzlich durchgeführten Studie am Institut für Umweltphysik wurde die CO2 Emission der indonesischen Feuer nun mit Hilfe von Satellitenmessungen der CO2 Konzentrationen abgeschätzt, die von Messungen der Orbiting Carbon Observatory-2 (OCO-2) Satellitenmission abgeleitet wurden. Die auf den OCO-2 Messungen basierende CO2 Emission für die indonesischen Feuer in der Zeitperiode von Juli bis November 2015 wird in der Abbildung gezeigt (rote und dunkelrote Säulen im Säulendiagram auf der rechten Seite basieren auf zwei unterschiedlichen Methoden zur Bestimmung der CO2 Emission aus den Satellitendaten) und mit der CO2 Emission der Emissionsdatenbanken (GFASv1.2 in hellgrau und GFED4s in dunkelgrau) verglichen. Es wird außerdem die räumliche Verteilung der CO2 Emissionen basierend auf GFASv1.2 gezeigt. Die mittlere CO2 Emission der indonesischen Feuer von 2015 beläuft sich auf 748±296 Mt CO2, was im Vergleich zu den Emissionsdatenbanken etwa 30% geringer ist. Mehr Details zu dieser Studie können in der Publikation von Heymann et al., 2017, (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL072042/full) gefunden werden.

Januar 2017:

Figure:

Part of the IUP-UB CINDI-2 team in front of the containers in which the DOAS instruments were operated.

IUP-UB participation in the CINDI-2 campaign

In September 2016, the Second Cabauw Intercomparison of Nitrogen measuring Instruments (CINDI-2) took place in Cabauw, the Netherlands. This campaign brought together more than 30 groups from all over the world to compare instruments and analysis methods for quantifying tropospheric and stratospheric NO2amounts. Most of the groups performed different versions of Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) measurements using sun light scattered in the atmosphere. The measurements had to follow a strict prescribed protocol and results from a day of measurements were submitted the next morning to a referee who collected them in a semi-blind comparison. The results were presented and discussed during daily meetings but curves were not labelled to keep the comparison semi-blind. A detailed analysis is currently being prepared and will be finalised during a dedicated workshop in April 2017.
During the CINDI-2 campaign, IUP-UB deployed not only a standard 2d-MAX-DOAS instrument and a mobile DOAS instrument mounted on the IUP Messwagen, but for the first time also operated the new Imaging DOAS instrument called IMPACT. This instrument which is a collaboration between the LAMOS and DOAS groups at IUP-UB takes a full vertical scan instantaneously, and scans the azimuthal direction over time. This greatly reduces the time needed for a full hemispherical scan of the atmospheric radiation field to less than 15 minutes. From these measurements, both the horizontal and the vertical gradients of NO2can be retrieved at high temporal resolution. The results could be compared to the retrievals from the 2d-MAX-DOAS instrument and good agreement was found. The instrument will be used for the analysis of pollution plumes and localised emission sources.

Figure: First Comparison of NO2 slant columns derived from the IUP-UB 2d MAX-DOAS instrument (large points) and the IMPACT imaging DOAS instrument. Very good agreement is found with the exception of the lowest viewing angle which is sensitive to the larger field of view of the imaging instrument. The much better temporal resolution of the imaging instrument is apparent which took 11 individual scans during one single scan of the MAX-DOAS instrument. As can be seen from the temporal evolution of the imaging data, the NO2distribution was not constant over the measurements, highlighting the advantage of rapid measurements.

August 2016:

Prof. John P. Burrows

neuer Fellow of the Royal Society

On 15th July 2016, Prof. John P. Burrows was admitted into the
Royal Society together with 59 other new fellows and foreign members in
a formal ceremony known as „Admission Day“. The ceremony is preceded
by a 2-day seminar where the new fellows give a talk about their current
research. The image shows a collage of pictures taken during Admission Day.

1) Prof. Dr. John P. Burrows FRS
2) With Venki Ramakrishnan, President of the Royal Society
3) The new fellows and foreign members for 2016/
Prof. Burrows 5th from the right, top row
4) Prof. Burrows signing the Charter Book.

Dezember 2015

Die Abbildung links

zeigt in Rot die CO2-Abluftfahne von Berlin und zweier benachbarter Kohlekraftwerke, wie man die mit CarbonSat sichtbar machen kann (Foto Berlin: Thomas Wolf, www.foto-tw.de, Foto Jänschwalde: RaBoe/Wikipedia).

Universität Bremen, 2. Dezember 2015

Mit Satelliten-Know-how der Uni Bremen für mehr Klimaschutz

Experten der Europäischen Kommission empfehlen Konzept der Bremer Umweltphysiker, um Treibhausgase aus dem Weltraum zu messen

Kohlendioxid (CO2) ist das wichtigste vom Menschen emittierte Treibhausgas. Es trägt am stärksten zur globalen Erderwärmung bei. Ein Hauptziel der laufenden Klimakonferenz der UN („COP-21“) in Paris ist es, die CO2-Emissionen zukünftig zu reduzieren und den Anstieg der globalen Erdtemperatur zu begrenzen. Eine solche Vereinbarung ist aber nur dann wirksam, wenn die von den Nationalstaaten angegeben Emissionen auch unabhängig überprüfbar sind. Auch nach Einschätzung der Europäischen Union ist daher ein globales System dringend notwendig, welches die unabhängige Überprüfung von CO2-Emissionen erlaubt und wichtige Wissenslücken schließt. Eine Expertengruppe, die von der Europäischen Kommission beauftragt worden ist, schlägt eine Überwachung durch Boden-gebundene und Satellitenbeobachtungen vor. Als Satellitenkomponente wird das CarbonSat-Konzept empfohlen, das am Institut für Umweltphysik der Universität Bremen entwickelt worden ist. Kernidee dieses Konzeptes ist die Weltraum-gestützte Detektion von Treibhausgaskonzentrationen mit hoher räumlicher Auflösung.

So entsteht ein Bild der räumlichen CO2-Verteilung in der Erdatmosphäre. Dies erlaubt dann zum Beispiel die Lokalisierung und Vermessung von Abluftfahnen starker CO2-Quellen auf der Erde und daraus die Bestimmung der CO2-Emissionsquellen. Das Konzept der Bremer Forscher basiert auf dem Erfolg und den Erkenntnissen des auch in Bremen entwickelten Satellitensensors namens SCIAMACHY. SCIAMACHY war ein Sensor auf dem europäischen Umweltsatelliten ENVISAT (2002 bis 2012) und lieferte erste Satelliten-Daten von atmosphärischem CO2und Methan (CH4). Mithilfe des von Flugzeug-gestützten Sensors MAMAP haben die Wissenschaftler der Universität Bremen dieses Konzept weiter entwickelt. In umfangreichen Testreihen konnten sie nachweisen, dass damit lokale CO2- und CH4-Emissionsquellen detektiert und quantifiziert werden können.

Die Abbildung links zeigt in Rot die CO2-Abluftfahne von Berlin und zweier benachbarter Kohlekraftwerke, wie man die mit CarbonSat sichtbar machen kann (Foto Berlin: Thomas Wolf, www.foto-tw.de, Foto Jänschwalde: RaBoe/Wikipedia).

Die CO2-Satellitenmessungen liefern genaue, transparente und einheitliche Messwerte fossiler CO2-Emissionsquellen, einschließlich der Emissionswerte für große Städte, wichtige Industriestätten und Regionen – und zwar weltweit vergleichbar. Darüber hinaus werden die Satellitendaten mit anderen Messungen und Modellen kombiniert. Sollte das Überwachungssystem eingerichtet werden, würde Europa über eine einzigartige und unabhängige wissenschafts- und politikrelevante Informationsquelle verfügen. Die Wissenschaftler des Instituts für Umweltphysik der Universität Bremen können jederzeit ihr Know-how und ihre CarbonSat-Expertise in den Prozess zum Aufbau des Systems einbringen.

Im November 2015 wurde in zwei Veranstaltungen die Vision dieses zukünftigen europäischen CO2-Beobachtungssystem den Mitgliedern des Europäischen Parlaments und dem Copernicus User Forum vorgestellt und dort sehr positiv aufgenommen. Der nächste Schritt ist nun die Konsolidierung der Planung zwischen der Europäischen Raumfahragentur ESA und der Europäischen Kommission, mit dem Ziel, den Bau eines Prototypen beim nächsten Treffen der Repräsentanten der ESA Mitgliedstaaten beschließen zu können.

CarbonSat ist als Konzept für die erforderliche globale Beobachtung von CO2-Emissionen geeignet und anerkannt. Nun kommt es auf den politischen Willen an, dieses wichtige System zu realisieren.

Web-Links Europäische Komission, COPERNICUS
http://www.copernicus.eu/main/towards-european-operational-observing-system-monitor-fossil-co2-emisions
WWW-Link CarbonSat@Universität Bremen:
http://www.iup.uni-bremen.de/carbonsat/
WWW-Link: MAMAP@Universität Bremen:
http://www.iup.uni-bremen.de/optronics/projects/methaneairbornemappermamap/index.htm

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Institut für Umweltphysik
http://www.iup.uni-bremen.de

Prof. Dr. John P. Burrows
Tel. 0421 218 62100
E-Mail: burrows@iup.physik.uni-bremen.de

Dr. Heinrich Bovensmann
Tel.: 0421 218 62102
E-Mail: heinrich.bovensmann@uni-bremen.de

Oktober 2015:

Young Scientist Jia Jia wins “Best Poster” at Atmospheric Limb Workshop

The Atmospheric Limb Workshop is a biennialevent involving more than 8 countries. The scientific focuses are theLimbmeasurements: Emission (UV, visible, IR, microwave), occultation (solar, stellar, lunar), scattering; past, current and future space-borne instruments: SMR, OSIRIS, ACE, GOMOS, MIPAS, SCIAMACHY, SMILES, SAGE, SABER, MLS, SOFIE, HIRDLS, OMPS, ALTIUS, MATS, STEAM; observations and modellingatMesosphere and above, stratosphere, UTLS and troposphere; retrieval algorithms and data assimilation; radiative transfer and spectroscopy. This year it took place from 15 to 17 September in Chalmers University of technology in Gothenburg, Sweden. Like many scientific events, a young scientist award is set for best oral and poster presentations among the PhD student and early stage postdocs. 25 candidates participated in the poster competition. These candidates come from 14 institutes and universities (e.g., JPL, NASA, KIT, NICT, University of Saskatchewan) from 6 countries - Canada, Germany, US, Sweden, Japan, and India. Jia Jia in our institute participated in the competition and won the best poster.

Jia comes from Shandong province in China. She joined IUP in October 2011 to optimize the SCIAMACHY Limb Nadir Matching method in tropospheric ozone retrieval with the funding from CSC (China Scholarship Council) scholarship. The tropospheric ozone monthly data is well improved with the benefitof the V3.0 limb ozone profile information. In this Limb Workshop, she showed the ozonesonde validation of improved SCIAMACHY limb ozone data on a global scale. The newly developedV3.0 limb dataset has a better agreement with ozonesonde in both vertical structure and partial column, especially in the Northern high latitudes. This work is also published in AMT.

Links:
Publication: http://www.atmos-meas-tech.net/8/3369/2015/amt-8-3369-2015.html
website: http://www.chalmers.se/en/conference/limb-workshop-2015/Pages/default.aspx

September 2015:

Europäische und chinesische Wissenschaftler diskutieren Luftverschmutzung
in Europa und China:


Die PANDA Marco Polo Sommerakademie zum Thema Luftverschmutzung amInstitut für Umweltphysik, Universität Bremen, 23.–30. August 2015

Aktuellen Studien der Weltgesundheitsorganisation WHO zufolge wird weltweit jeder
achte Todesfall durch Luftverschmutzung verursacht. Aufgrund des starken
chinesischen Wirtschaftswachstums hat sich China im Laufe der letzten drei
Jahrzehnte zum führenden Emittenten von Treibhausgasen entwickelt. Insbesondere
in den chinesischen Megastädten wie z.B. Peking, Shanghai und Hong Kong ist die
extreme Luftverschmutzung mittlerweile ein ernstes Problem. Zur gleichen Zeit hat
sich die Luftqualität in großen Teilen Europas und Nordamerikas deutlich verbessert.
Grund hierfür ist die deutlich verringerte Emission von Luftschadstoffen aufgrund von
strengeren Umweltauflagen und technischem Fortschritt. China steht vor der
schwierigen Herausforderung, die Lebensqualität seiner Bevölkerung durch eine
ausgewogene Balance zwischen hohem Wirtschaftswachstum und materiellem
Wohlstand einerseits und Minimierung gesundheitsschädlicher Emissionen
andererseits sicherzustellen. Dazu ist ein möglichst effektives und nachhaltiges
Wirtschaftswachstum und die Reduktion der durch Luftverschmutzung
hervorgerufenen Gesundheitsschäden notwendig. Dies benötigt detaillierte
Informationen über Art, Höhe und Verteilung von Schadstoff-Emissionen ebenso wie
ein besseres Verständnis der chemischen und physikalischen Prozesse, die zur
Smogbildung führen.

Satellitenmessungen sind ein hochinteressantes, relativ neues Verfahren um
Luftverschmutzung zu beobachten, seinen Quellen zuzuordnen und vorherzusagen.
Unter der Leitung von Professor John P. Burrows leistet das Institut für
Fernerkundung / Institut für Umweltphysik der Universität Bremen seit 30 Jahre
Pionierarbeit bei der Messung von Luftverschmutzung mithilfe von Satelliten, in
Kooperation mit weltweit führenden Arbeitsgruppen in atmosphärischer Modellierung
und Vorhersage. Das durch die Europäische Union geförderte PANDA (PArtnership
with chiNa on space DAta) Projekt umfasst jeweils sieben führende
Forschungsinstitute aus Europa und China. PANDA erforscht mithilfe von
Messungen und Modellen der atmosphärischen Zusammensetzung die Entstehung
und Entwicklung von Luftverschmutzung, um Impulse für Umweltschutz und
nachhaltige Entwicklung zu liefern. Das Projekt wird von Professor Guy Brasseur
vom Hamburger Max-Planck-Institut für Meteorologie geleitet und umfasst
wissenschaftliche Partner aus Universitäten und Forschungszentren in Europa und China.



Im Rahmen von PANDA und seinem europäischen Schwesterprojekt Marco Polo
nahmen über 40 hauptsächlich europäische und chinesische Jung-Wissenschaftler
an einer Sommerakademie teil, die vom 23.–30. August 2015 am Institut für
Umweltphysik der Universität Bremen stattfand. Zentrale Themen der
Sommerakademie waren aktuelle Forschungsergebnisse aus den Bereichen
Satelliten-Fernerkundung, computergestützter Atmosphären-Modellierung sowie die
integrierte Analyse von Messdaten und Modell-Simulationen. Einführungen in die
Grundlagen von Fernerkundung und Modellierung wurden ergänzt durch
Vorlesungen zur Abschätzung menschlicher Luftschadstoff-Emissionen durch
inverse Modellierung und den Einfluss von Wirtschaftswachstum und
Umweltgesetzgebung auf Luftverschmutzung. Durch die Sommerakademie, ergänzt
durch eine Folgeveranstaltung die im Sommer 2016 in Guangzhou (China)
stattfindet, soll die Kooperation zwischen chinesischen und europäischen
Forschungseinrichtungen gestärkt werden, um gemeinsam die komplexen
Herausforderungen von Luftverschmutzung und Klimawandel anzugehen.

Link: Tagungsprogramm

August 2015:

Bremer und Hamburger Wissenschaftler überprüfen

Einhaltung neuer Umweltvorschriften auf See

Seeschifffahrt hält neue SECA-Grenzwerte überwiegend ein

Bremen/Hamburg, 11.02.2015 Mit wenigen Ausnahmen setzt die Seeschifffahrt regelkonformen
Treibstoff mit Schwefelgehalten bis 0,10 Prozent Schwefelmasseanteil ein. Dies ist seit dem 1.
Januar 2015 der zulässige Schwefelgehalt in Schiffskraftstoffen. Von den knapp 600 im Januar
2015 untersuchten Schiffsbewegungen waren rund 95 Prozent regelkonform.

Dies ist das Ergebnis der Messungen entlang der Elbe, die das Institut für Umweltphysik der
Universität Bremen und das Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie im Rahmen des
Forschungsprojektes MeSMarT (Measurements of shipping emissions in the marine troposphere) seit
dem 1. Januar 2015 durchgeführt haben. Stationen in Wedel und auf Neuwerk messen die
Emissionen im laufenden Schiffsverkehr. Auswertealgorithmen ermöglichen es, aus der Messung der
Abgaszusammensetzung Informationen über die Qualität des Treibstoffs abzuleiten, den die Schiffe
verwenden. Mit diesen Ergebnissen können Schiffe mit auffälligen Werten im Treibstoff im nächsten
Hafen gerichtsfest untersucht werden. Ein Ausbau der Überwachung auf weitere Standorte im Nord-
und Ostseeraum wird zurzeit geprüft, ebenso die Möglichkeit, mittelfristig die Stationen automatisiert
zu betreiben. Gleichzeitig testen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Überwachung auf
offener See durch den kampagnenartigen Einsatz der Messsysteme auf Forschungsschiffen.
Damit sollen gleiche Wettbewerbsbedingungen beim Betrieb von Seeschiffen sichergestellt werden.
Die vorhandenen großen Preisunterschiede unterschiedlicher Treibstoffqualitäten können sonst zu
einer Wettbewerbsverzerrung führen.

Seit dem 1. Januar 2015 gelten in besonderen Emissionsüberwachungsgebieten (Sulfur Emission
Control Areas SECA) wie der Nordsee und der Ostsee verschärfte Qualitätsanforderungen an
Treibstoffe, die auf Schiffen eingesetzt werden dürfen. Der Grenzwert ist durch die Internationale
Seeschifffahrtsorganisation (IMO) im MARPOL Übereinkommen in Anlage VI sowie durch die EU-
Schwefelrichtlinie 1999/32/EG festgelegt.

Seit Inkrafttreten der neuen Grenzwerte zum 01.01.2015
wird die Einhaltung überwacht. Europäische Staaten kontrollieren verstärkt die Schiffstreibstoffe
sowohl durch Prüfung der erforderlichen Dokumentationen als auch durch Probenahmen an Bord. Die
Ergebnisse dieser Kontrollen tauschen sie über eine europäische Datenplattform der EMSA
(Lissabon) aus. Darüber hinaus arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vor allem im
Ostsee- und Nordseeraum an der Entwicklung neuer effizienter Methoden zur Überwachung der
Einhaltung der vorgeschriebenen Grenzwerte mittels Fernerkundung, wie beispielsweise im
MeSMarT-Projekt (www.mesmart.de).

Links:
Publication: http://www.atmos-chem-phys-discuss.net/15/11031/2015/acpd-15-11031-2015.htmlPress release: http://www.iup.uni-bremen.de/deu/downloads/wittrock---150206marpol_vi_jahreswechsel_14_15.pdf
Website: http://www.mesmart.de/

April 2015:

Erstmalliger Nachweis einer Methanfahne mit einer Ausdehnung von mehreren Kilometern über
einem Ölfeld im Süden Kaliforniens mittels luftgestützter passiver Fernerkundung. Gemessen wurde mit dem an Institut für Umweltphysik – IUP entwickelten MAMAP Sensor am 04. September 2014.

Die Daten wurden während der im Sommer 2014 in Auftrag von ESA und NASA durchgeführten
COMEX-Kampagne aufgenommen. Der unter Federführung von Wissenschaftlern der Universität
Bremen (in Zusammenarbeit mit dem Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam - GFZ)
entwickelte und betriebene Sensor MAMAP, ein Fernerkundungssensor zum Nachweis von CO 2und
CH4welcher während der Messkampagne auf einem US-Forschungsflugzeug installiert wurde,
erfasste über einem kalifornischen Ölfeld eine unerwartet große Methanfahne, welche über viele
Kilometer hinweg detektiert werden konnte. Damit konnte weltweit das erste Mal demonstriert
werden, dass passive Fernerkundungsmethoden in der Lage sind, starke lokale Emissionen aus dem
Bereich der Öl und Gas Förderung nachzuweisen und in der Fläche zu verfolgen. Die Daten werden
dazu benutzt, um abzuschätzen wie groß die Methan-Leckagen von Ölfeldern sind.

Für weitere Informationen siehe Pressemeldung der Universität Bremen von 28.04.2014 :

Weiteres Bildmaterial ist verfügbar unter:
http://www.iup.uni-bremen.de/optronics/downloads/COMEX%20Release%20Oil_Field_final_v3_short_de_Pictures_Only.pdf

Februar 2015:

This image was featured by ESA in a web-story entitled “Is Europe an underestimated sink for carbon dioxide?

http://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Is_Europe_an_underestimated_sink_for_carbon_dioxide
A new study using satellite data suggests that Europe’s vegetation extracts more carbon from the atmosphere than previously thought. The complete study authored by Maximilian Reuter et al. was published recently in Atmospheric Chemistry and Physics.

http://www.atmos-chem-phys.net/14/13739/2014/acp-14-13739-2014.html

Dezember 2014:

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This cover picture was published recently in the AGU journal Earth's Future (http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014EF000265/abstract). The composite image comprises the following:

a) the night-time image of light coming from the earth, using data acquired by the Visible Infra-red Imaging Radiometer Suite on-board the Suomi NPP satellite in 2012, and

b) an overlay showing the changes in the methane over the continuously growing oil and gas production regions Bakken, Eagle Ford, and Marcellus. The latter is the difference in column methane between the periods 2006-2008 and 2009-2011 and has been derived from measurements made by the SCanning Imaging Absorption spectroMeter for Atmospheric CHartographY (SCIAMACHY) satellite instrument. (Night-time lights background NASA / overlay by O. Schneising). SCIAMACHY flies on the ESA Envisat and downlinked measurements from 2002 to 2012 when Envisat failed.

The complete study is published in "Remote sensing of fugitive methane emissions from oil and gas production in North American tight geologic formations"; EARTH'S FUTURE Volume 2, Issue 10, October 2014, Pages: 548–558, Oliver Schneising, John P. Burrows, Russell R. Dickerson, Michael Buchwitz, Maximilian Reuter and Heinrich Bovensmann; Article first published online : 6 OCT 2014, DOI: 10.1002/2014EF000265