Radiometrie

MeteoSchweiz nutzt die Mikrowellen-Radiometrie, um Vertikalprofile von Temperatur und Feuchtigkeit in der Troposphäre zu messen, vom Erdboden bis in eine Höhe von sechs Kilometern. Mit Radiometern werden zudem Vertikalprofile des stratosphärischen Ozons von 20 Kilometern bis in eine Höhe von 65 Kilometern erstellt.

Die in der Atmosphäre auftretenden Moleküle senden elektromagnetische Strahlung im Mikrowellenbereich aus, die mit Radiometern gemessen werden kann. Dabei registrieren hochempfindliche Sensoren die auf der Erdoberfläche eintreffenden Mikrowellen. Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der elektromagnetischen Strahlung können auf diese Weise Temperatur, Feuchtigkeit und Ozongehalt in verschiedenen Luftschichten bestimmt werden. Anders als Messungen mit Radiosonden lassen sich Radiometer automatisch einsetzen. Das erlaubt es, Daten in hoher zeitlicher Auflösung zu erhalten. MeteoSchweiz erstellt alle zehn Minuten Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile und alle 30 Minuten Ozonprofile.

Messung von Temperatur- und Feuchtigkeitsprofilen

Das Instrument steht auf einem Betonsockel, 1,5 m über dem Boden. Der Detektor befindet sich in der Mitte unter einer für Mikrowellen durchlässigen Sagex-Abdeckung. Rechts davon ist die Belüftung angebracht.
Feuchtigkeits- und Temperatur-Radiometer (HATPRO) in Payerne.

MeteoSchweiz setzt in der Radiometrie zwei Geräte ein, um Temperatur- und Feuchtigkeitsprofile zu erstellen, den Feuchtigkeits- und Temperatur-Profiler (HATPRO, Humidity and Temperature Profiler) und den Temperature-Profiler (TEMPRO). Beide Geräte messen alle zehn Minuten Profile von Temperatur respektive Feuchtigkeit (relativ und absolut) in der Troposphäre, von der Erdoberfläche bis in  6 km Höhe. Dabei beträgt die mittlere vertikale Auflösung 500 m. Die Temperatur- und Wasserdampfprofile werden aus Messungen mit einem 2-Band-Empfänger (7 Kanäle zwischen 22 und 31 GHz für den Wasserdampf und 7 Kanäle zwischen 51 und 58 GHz für die Temperatur) gewonnen. Dafür wird ein Regressionsalgorithmus verwendet, der auf einer Klimatologie der Radiosondierungen von Payerne beruht.

Worüber Temperaturprofile Auskunft geben

Temperaturprofile erlauben es, gewisse Muster in der Atmosphäre nachzuweisen, zum Beispiel troposphärische Temperaturinversionen. Radiometer werden auch im Windanalyse- und Vorhersagesystem für nukleare Störfälle (CN-MET) eingesetzt.

Die Messung von Ozon-Profilen

Das Stratospheric Ozone Monitoring Radiometer (SOMORA) misst das Volumen-Mischverhältnis von Ozon in der Stratosphäre und der unteren Mesosphäre mit einer vertikalen Auflösung von 8-15 km und einer zeitlichen Auflösung von 30 Minuten. SOMORA wurde vom Institut für angewandte Physik der Universität Bern entwickelt und wird in der Schweiz seit Januar 2000 ohne Unterbruch betrieben. MeteoSchweiz liefert SOMORA Daten an das Network for the Detection of Atmospheric Composition Change (NDACC), einem internationalen Netzwerk, das den Zustand der Atmosphäre und deren Veränderungen überwacht.

Die Schwankung des Ozongehalts im Jahresverlauf

Die vertikale Verteilung des Ozons in der Stratosphäre wird aus der Messung der Ozon-Spektrallinie bei 142.17 GHz abgeleitet. Die Intensität dieser Linie ist proportional zur Konzentration von Ozon, die Breite hängt vom Luftdruck, das heisst von der Höhe, ab. Die Ozonmenge wird als Verhältnis der Anzahl Ozonmoleküle zur Anzahl aller Moleküle in einem bestimmten Luftvolumen angegeben. Als Serie dargestellt ergeben die täglich 48 Ozonprofile eine Zeitreihe, in der die jährliche Schwankung des Ozongehalts (Jahreszyklus) gut zu erkennen ist.

Weitere Ozonprofil-Messungen führt MeteoSchweiz mittels sogenannter Dobson- und Brewer-Spektrometrie durch.

HATPRO / TEMPRO

  • Löhnert, U. and Maier, O.: Operational profiling of temperature using ground-based microwave radiometry at Payerne: prospects and challenges, Atmos. Meas. Tech., 5, 1121-1134, doi:10.5194/amt-5-1121-2012, 2012.
  • Calpini, B., Ruffieux, D., Bettems, J.-M., Hug, C., Huguenin, P., Isaak, H.-P., Kaufmann, P., Maier, O., and Steiner, P.: Ground-based remote sensing profiling and numerical weather prediction model to manage nuclear power plants meteorological surveillance in Switzerland, Atmos. Meas. Tech. Discuss., 4, 789-813, doi:10.5194/amtd-4-789-2011, 2011.

SOMORA

  • K. Hocke, N. Kämpfer, D. Ruffieux, L. Froidevaux, A. Parrish, I. Boyd, T. von Clarmann, T. Steck, Y. M. Timofeyev, A. V. Polyakov, and E. Kyrölä, Comparison and synergy of stratospheric ozone measurements by satellite limb sounders and the ground-based microwave radiometer SOMORA, Atmos. Chem. Phys., 7, 4117–4131, 2007.
  • Calisesi Yasmine, Monitoring of stratospheric and mesospheric ozone with a ground-based microwave radiometer: data retrieval, analysis, and applications, Ph.D. thesis, Philosophisch- Naturwissenschaftliche Fakultät, Universität Bern, Bern, Switzerland, 2000.

Weiterführende Informationen

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