Die Daten der erythemwirksamen UV-Tagesdosis des JRC

Bei den vom JRC modellierten und in dieser Arbeit verwendeten Daten handelt es sich um eine Klimatologie zur erythemwirksamen UV-Tagesdosis. Im Wesentlichen wurden die Daten durch die von Satelliten getragenen Sensoren GOME (Global Ozone Monitoring Experiment), TOMS (Total Ozone Monitoring Spectrometer) und AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) ermittelt. Um jedoch eine vollständige UV-Klimatologie zu erstellen, müssen weitere Faktoren (z.B. Albedo) berücksichtigt werden, so dass es sich letztlich nicht um gemessene, sondern um rekonstruierte Daten handelt. Im Folgenden werden die genannten Sensoren in Kürze charakterisiert, um die Erhebung der Daten zu verdeutlichen.

GOME (Global Ozone Monitoring Experiment)

Bei dem Sensor GOME handelt es sich um einen vom ERS-2 Satelliten getragenen Sensor (Absorptions-Spektrometer). ERS-2 und damit auch GOME sind von der European Space Agency (ESA) im April 1995 in Betrieb genommen worden. Das System wurde im Jahre 2001 vom Sensor SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography) auf der ENVISAT-1 ersetzt. Im Jahre 2006 wurde die aktuelle Variante GOME-2 auf dem Träger MetOp-A eingesetzt, die die Messungen von GOME und SCIAMACHY fortsetzt. GOME wurde in erster Linie entwickelt, um die globale Verteilung atmosphärischer Spurengase (vor allem Ozon) zu messen. Vereinfacht gesagt, besteht das Prinzip der Ozonmessung von GOME darin, dass die Strahlung gemessen wird, die von der Erde und der Atmosphäre gestreut bzw. reflektiert wird. Die Strahlung durchquert die Ozonschicht also zweimal. Durch die Schwächung der Strahlung beim Eintritt und beim Austritt kann die Ozonsäule über die Differenz bestimmt werden.

Aufgrund des breiten Wellenlängenbereiches von GOME zwischen 237 – 793 nm (verteilt auf 4 Kanäle) mit einer spektralen Auflösung von 0,20 – 0,33 nm können auch weitere Parameter wie die Bewölkung (z.B. optische Dicke), die Albedo oder die Aerosole erfasst werden. GOME misst die gesamte Ozonkonzentration in einer Luftsäule mit dem Querschnitt 40 km x 40 km, wobei bei einem Umlauf von ERS-2 ein Streifen von 960 km erfasst wird. ERS-2 umkreist in einer retrograden, polnahen, sonnensynchronen Bahn die Erde in einer Höhe von 780 km (vgl. RAMPE, 2009).

TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer)

TOMS ist ein Sensor, der vom Nimbus-7 Satelliten der NASA getragen wird. TOMS dient ebenfalls der Ozonmessung, hat allerdings 2 Kanäle mehr (6) und ist daher genauer. Zur Ozonmessung werden drei Wellenlängenpaare analysiert, die dicht beieinander liegen. Im Gegensatz zu GOME der das ganze Spektrum misst, absorbiert hier eine Wellenlänge das Ozon, die andere nicht. Prinzipiell ist der Messvorgang ähnlich zu GOME, da auch TOMS die Strahlung nach Ein- und Austritt der Atmosphäre misst. Aufgrund der fehlenden Strahlung kann nachts sowohl bei GOME als auch bei TOMS keine Messung vorgenommen werden. TOMS deckt eine Streifenbreite zwischen 50 und 200 km ab (vgl.

NASA, 2009; BALDENHOFER, 2009).

AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)

Beim AVHRR handelt es sich um einen Sensor (multispektral), der in erster Linie dem Vegetationsmonitoring dient. Er kann aber auch der Messung der Bewölkung (optische Dicke) und der Erdoberflächentemperatur dienen. Der Sensor hat 6 Kanäle, die sich auf eine Wellenlänge zwischen 0,58 – 12,5 µm verteilen. Installiert ist der aktuelle AVHRR auf dem NOAA-15 Satelliten. Die geometrische Auflösung im Nadir liegt bei 1,1 km in einer Höhe von 833 km (vgl. NOAA, 2008; USGS, 2008).

Neben den genannten Sensoren wurden weitere Ozondaten vom Sensor TOVS (TIROS Operational Vertical Sounder) verwendet. Die zur Erstellung einer UV-Klimatologie für Europa notwendigen Bewölkungsdaten stammen vom International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) und von METEOSAT. Zum Messen der Aerosole wurden Daten von 1000 Bodenstationen hinzugezogen. Als Basis diente das DGM (Digitale Geländemodell) GTOPO30 des United States Geological Service (USGS).

Abbildung 73: Struktur des verwendeten Algorithmus zur Modellierung der UV-Klimatologie in Europa.

Quelle: VERDEBOUT, 2000.

Die Daten der UV-Klimatologie beschreiben die erythemale UV-Tagesdosis (nach CIE 7) vom 01.01.1984 bis zum 31.08.2003 und liegen in einer Auflösung von 0,05° (Rasterweite) über eine Fläche von 34° – 74° N bis 12° – 32° E vor. Zur Erstellung der flächendeckenden UV-Klimatologie mussten die genannten Quellen (Fernerkundungssensoren, DGM, terrestrische Messungen) mittels eines Algorithmus modelliert bzw. interpoliert werden. Die grundlegende Struktur des Algorithmus zur UV-Klimatologie bzw. Kartierung ist in der Abbildung 73 erkennbar. Die oberen Kästen zeigen die Input-Parameter, wie die von GOME, TOMS, TOVS gemessene Ozonkonzentration (Ozonsäule), die Sichtbarkeit (Bodenstationen zur Aerosolmessung), die Höhenkorrektur durch das DGM (GTOPO30) sowie die Infrarotstrahlung durch METEOSAT. Die Informationen zur Ozonkonzentration und die zur Sichtbarkeit werden in einem entwickelten UV- Look up table (LUT) auf die Fläche interpoliert. In das LUT fließen auch Informationen des DGM ein, um eine entsprechende Höhenkorrektur vornehmen zu können. Weiterhin fließen die DGM-Informationen zusammen mit den METEOSAT Daten zum Infrarot in ein zweites LUT. Hier wird die Albedo sowie die Bewölkung modelliert. Ein Problem hierbei ist die Differenzierbarkeit zwischen der Bewölkung und den von Schnee bedeckten Flächen, da in beiden Fällen die gleiche Albedo vorliegen kann. In diesem Falle werden Information der Infrarotstrahlung hinzugezogen, da die Temperatur auf schneebedeckten Flächen höher ist als an der Wolkenoberseite.

Aus den Informationen zur Bewölkung (optische Dicke) und zur Albedo können zusammen mit dem Ozon und den Aerosolen (Sichtbarkeit) Karten zur UV-Klimatologie modelliert werden. Die UV-Tageswerte werden mittels einer Integration (erythemwirksamer Spektralbereich) anhand einer Abschätzung der halbstündlichen UV-Werte für jeden Pixel berechnet. Dabei wird je Intervall die optische Dicke der Wolken sowie der Sonnenwinkel berücksichtigt. Die Ozonkonzentration, die Albedo und der Aerosolgehalt werden als konstant angesehen. Eine ausführliche Beschreibung des Datensatzes zur UV-Klimatologie in Europa findet sich in VERDEBOUT (2000) und VERDEBOUT (2004).

Zur ersten groben Analyse der (Raster-) Daten wurden zunächst europäische Stationen ausgewählt, um anhand von Zeitreihen Analysen zur deskriptiven Statistik vornehmen zu können. Bei den Stationen handelt es sich nicht um reale Messstationen, sondern um fiktive Stationen. Die Positionsangaben der Tabelle 8 entsprechen allerdings den realen Orten; die Daten wurden der jeweiligen Rasterzelle entnommen. Die Auswahl der Stationen ist in der Tabelle 8 und Abbildung 74 zu erkennen.

Station Geogr. Breite Geogr. Länge Höhe ü. NN in m

Bergen 60°23'17'' 5°19'56'' 7

Edinburgh 55°57'01'' 3°11'13'' 28

Elba 42°47'59'' 10°16'29'' 155

Faro 37°00'56'' 7°56'07'' 1

Kreta 35°20'22'' 25°07'59'' 44

Mallorca 39°37'40'' 3°23'09'' 10 Orléans 47°54'05'' 1°54'15'' 105 Potsdam 52°23'49'' 13°03'31'' 30

Toledo 39°51'25'' 4°01'29'' 654

Uppsala 59°51'26'' 17°38'41'' 2

Westerland 54°54'37'' 8°18'23'' 4

Zürich 47°22'09'' 8°32'17'' 411

Tabelle 8: UV-Stationen mit Positions- und Höhenangabe. Höhe bezieht sich auf das DGM GTOPO 30.

Die Auswahl der Stationen erfolgte unter Berücksichtigung verschiedener Gesichtspunkte.

In erster Linie stand eine möglichst gleichmäßige räumliche Verteilung über Europa im Vordergrund. Dabei wurden sowohl maritim geprägte Stationen (z.B. Bergen) als auch kontinental geprägte Stationen (z.B. Zürich) berücksichtigt. Zudem wurde darauf geachtet, dass die Stationen möglichst vergleichbar sind. So wurde beispielweise nicht Madrid, sondern Toledo als Station gewählt, um den Einfluss von Luftemissionen (Aerosolen) möglichst gering zu halten. So wird im Scientific Assessment of Ozone Depletion der WMO (2006) auch auf eine Überschätzung der UV-Strahlung durch Fernerkundungssensoren (z.B. TOMS) hingewiesen, wenn eine erhöhte Aerosolkonzentration vorliegt. Ein Vergleich zweier Zeitreihen von Madrid und Toledo konnte dies auch belegen, denn im Mittel konnte Madrid die geringeren

Strahlungsintensitäten aufweisen, was sehr wahrscheinlich auf die Aerosole zurückzuführen ist. Zudem wurden Stationen gewählt, die touristisch einer Bedeutung unterliegen (z.B. Mallorca). Die in der Tabelle 8 angegebene Höhe wurde dem Digitalen Geländemodell (DGM) GTOPO30, des United States Geological Service (USGS) entnommen. Zu beachten ist, dass es im DGM zu einer Abweichung der realen Höhe kommen kann, da die Modellhöhe berechnet worden ist. Die Abweichung ist an dieser Stelle aber zu vernachlässigen.

Abbildung 74: Übersicht der UV-Stationen mit dem DGM GTOPO30. Kartographie: J.AUGUSTIN, 2009.