Wissenschaftliche und Technische Ziele von AIRSPACE

Übergeordnetes Ziel des AIRSPACE Projektes ist es, zwei Fernerkundungsmethoden (aktiv + passiv) auf  Forschungsflugzeugen  zusammenzubringen, um die jeweiligen Vorteile synergetisch zur Messung der beiden wichtigsten, von Menschen beeinflussten Treibhausgase, CO₂ und CH₄, zu nutzen.

Eine gleichermaßen wichtige Komponente des Projektes ist die Modellierung. Ziel ist es hier, mit Hilfe der Messergebnisse auf regionaler Skala die Treibhausgasflüsse mit der Methode der inversen Modellierung genauer zu bestimmen als bisher möglich. Dafür müssen wesentliche Ergebnisse aus Klima-Chemie-Modellen auf verschiedenen Skalen als Eingangsgrößen verwendet werden und mit regionalen Transportmodellen verknüpft werden.

Im Rahmen dieses Vorhabens besteht eine wichtige Aufgabe darin, eine innovative wissenschaftliche Nutzlast zu realisieren, bestehend aus einem abbildenden, passiven und einem aktiven Fernerkundungsinstrument, sowie in-situ Instrumentierung auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO. Mit Hilfe der hochgenauen in-situ Instrumente (z.B. auch für Isotopenmessungen) - sowie entsprechenden Flugmustern - soll eine bestmögliche  Instrumentensynergie erreicht und die Fernerkundungsinstrumente mit den in-situ Sensoren verglichen werden. Auch mit Hilfe von bodengebundenen Fernerkundungsinstrumenten (Fouriertransformspektrometern) wird eine Charakterisierung der Instrumentensuite vorgenommen.

In einem ersten Schritt auf dem Weg dorthin findet im ersten Projektteil eine Messkampagne statt, für die auf dem deutschen Forschungsflugzeug HALO ein Zeitfenster reserviert wurde. Auf dieser Forschungsplattform soll das CHARM-F Lidarsystem gemeinsam mit der in-situ Instrumentierung (Cavity-ringdown spectrometer und Luftprobensammler für die Isotopenmessungen) eingesetzt werden, während das (passive) MAMAP-System sowie weitere in-situ Instrumente parallel dazu auf zwei weiteren, kleineren Messträgern (Cessna Grand Caravan und Cessna 207)installiert werden und koordinierte Messungen durchführen. Diese Kampagne ( CoMet = Carbon dioxide and Methane mission) dient folgenden Zielen: Zum einen sollen wissenschaftliche Daten zur CH₄ - und CO₂ -Säule gesammelt werden und damit die erwarteten Fähigkeiten der vollständig ausgebauten Instrumentenkombination überprüft werden. Dazu sind die besten z. Zt. verfügbaren in-situ Instrumente zur Unterstützung und Validierung der Messungen erforderlich. Zum anderen soll eine Modellinfrastruktur (regionale inverse Modellierung, Klima-Chemie-Modellierung mit regionaler Verfeinerung) geschaffen werden, um die Synergie der verschiedenen Datenströme der einzelnen Instrumente für die Modellierung der Spurenstoffflüsse nutzbar zu machen.

Die beiden dabei verwendeten Modellsysteme werden sich sinnvoll ergänzen. Das Modell STILT-TM3, das vom MPI-BGC betrieben wird, ist ein gekoppeltes Eulersches Modell, das ursprünglich entwickelt wurde, um Transportfehler der terrestrischen Treibhausgasflüsse bei Verwendung der Top-Down-Methode auf kontinentalen Skalen zu minimieren. Es wird für die Berechnung von, an den Messorten beginnenden, Rückwärtstrajektorien eingesetzt werden, um deren Verbindung zu den Quellen zu untersuchen. Dies ist die Grundlage für die inverse Abschätzung der Flüsse sowie der Zuordnung zu einzelnen Quellen. Wenn statt der ECMWF-Analysen das WRF (Weather Research and Forecasting) Modell verwendet wird, dann kann es nicht nur im Vorhersagemodus für die Flugplanung eingesetzt, sondern seine Auflösung auch derart verfeinert werden, dass die Interpretation des atmosphärischen Transports verbessert wird.

Das am DLR entwickelte und betriebene MECO(n) ("MESSy-fied ECHAM and COSMO models nested n-times”) System ist das globale "ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry" (EMAC) Klima-Chemiemodell mit der Möglichkeit, mehrfach in ein oder mehrere Regionen hinein zu vergrößern. Diese Zoom-Möglichkeit basiert auf der Einbettung des COSMO Modells des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Die Kopplung der unterschiedlichen Modellinstanzen zur Laufzeit erlaubt einen häufigen Austausch der Randbedingungen zwischen den grob aufgelösten (globalen oder regionalen) und den feiner aufgelösten (regionalen) Modellinstanzen. Dies garantiert ein hohes Maß an Konsistenz zwischen allen relevanten Skalen. Diese einzigartige Stärke von MECO(n) soll für das geplante Projekt genutzt werden um (1) die Messkampagne auf der regionalen Skala nachzusimulieren, jedoch eingebettet in die globale Skala, (2) die Rolle der verschiedenen Methanquellen innerhalb und außerhalb des Kampagnengebietes abzuschätzen, (3) den chemischen Zustand der Atmosphäre zu untersuchen, der die Lebensdauer von Methan bestimmt, sowohl auf regionaler als auch auf globaler Skala, und (4) um die isotopische Signatur (D, ¹³C) von Methan auf globaler und regionaler Skala zu simulieren. Außerdem soll eine kürzlich entwickelte Modelldiagnostik, die verschiedene Methanaltersklassen darstellt, dazu verwendet werden die WRF-STILT basierte Inversion zu ergänzen.

Zusammengefasst soll WRF-STILT dazu verwendet werden, die Beobachtungen aus der Messkampagne mit einer bestmöglichen Schätzung des atmosphärischen Transports direkt zu invertieren. Dabei muss aber eine bekannte Methansenke angenommen werden. MECO(n) hingegen wird vorwiegend dafür eingesetzt, Aspekte der Atmosphärenchemie (d.h. der Senken) zu evaluieren. Weil jedes der beiden Modelle für einen anderen Zweck bzw. einen anderen Schwerpunkt entwickelt wurde ergänzen sie sich daher in idealer Weise.

Als ein weiteres, untergeordnetes Ziel ist es vorgesehen, auch das Methanprodukt der Satellitenmission Sentinel-5P des europäischen Copernicus–Programms zu validieren, dessen geplanter Start einige Monate vor den Beginn der Messkampagne stattfindet. Dies dient dazu, erstmals die Eignung der zu entwickelnden Verfahren auch für zukünftige Satellitenmissionen (wie z.B. der deutsch-französischen Klimamission MERLIN) nachweisen zu können. Bodengebundene Fernerkundungsinstrumente werden diesen Projektteil begleiten und dienen darüber hinaus ebenfalls zur Charakterisierung der Flugzeug-Payload während der Messkampagne.  Für koordinierte Messaktivitäten von HALO und Cessna Caravan sind Messungen im Großraum Berlin (zur Charakterisierung von urbanen Emissionen z.B. aus Verkehr, Abwasser- und Müllentsorgung, Gaslecks) geplant, als auch in den Kohlerevieren in Oberschlesien (Polen).

Koordinierte Messungen in diesem Gebiet erlauben deswegen einerseits eine bessere Quantifizierung dieser bedeutenden Quellen (mithilfe verschiedener unabhängiger Methoden) und bieten andererseits eine einzigartige Möglichkeit der Validierung der neu aufgebauten Fernerkundungsinstrumente am Beispiel starker Punktquellen. Die HALO-Befliegungen werden dieses Gebiet auf größere Regionen ausweiten, als sie mit den kleineren, tieffliegenden Flugzeugen erreichbar sind.

Im weiteren Projektverlauf soll ein Modellsystem für die Analyse der gewonnen Daten aufgebaut werden. Mit dessen Hilfe werden neuartige synergetische Methoden der Instrumentenkombination entwickelt und in Hinblick auf die Quantifizierung von regionalen Treibhausgasflüssen sowie für die Validierung von zukünftige Satellitensensoren untersucht werden. Bodenmessungen mit dem Lidarsystem dienen in diesem Zeitraum zur weiteren Optimierung, Charakterisierung der Performance, sowie zur Weiterentwicklung der Auswertealgorithmen.

Parallel dazu ist die Weiterentwicklung von MAMAP zu einem Flugzeug getragenen, 2-dimensional abbildenden Spektrometersystem (MAMAP-2D) vorgesehen. Schwerpunkt dieser Arbeiten wird neben der Entwicklung und Erprobung dieses neuen Systems insbesondere auch die vollständige Charakterisierung und die erforderliche Algorithmenentwicklung sein.

Ergebnis des Verbundprojektes wird es sein, eine wissenschaftliche Payload für das Forschungsflugzeug HALO gemeinsam mit einer Modellkapazität bereitzustellen, mit deren Hilfe die Projektpartner in die Lage versetzt werden, maßgeblich zu internationalen Messkampagnen auch in den bislang unterrepräsentierten aber wichtigen Quell- und Senkenregionen der Arktis und der Tropen beizutragen.