Globale Überwachung der Atmosphäre (GAW)

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Quelle: WMO OMM

Das Global Atmosphere Watch (GAW) Programm der Weltorganisation für Meteorologie (World Meteorological Organisation, UNO/WMO) dient der globalen Überwachung der Atmosphäre. Es verfügt über ein weltweites Messnetz von Beobachtungsstationen und über eine wissenschaftliche Infrastruktur.

Global Atmosphere Watch

Ziel von GAW ist es, die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre, Aerosole und physikalische Parameter langfristig auf hohem Qualitätsniveau zu messen. GAW-Daten dienen ebenfalls dem besseren Verständnis des physikalischen und chemischen Zustands der Atmosphäre und der Erforschung des globalen Klimasystems. Die gewonnenen Daten sind für die wissenschaftliche Gemeinschaft frei verfügbar. Sie werden unter anderem verwendet zur Erforschung atmosphärischer Trends, für verbesserte Prognosemodelle, zur Bodenkalibrierung von Satellitenmessungen und zur Beratung und Bewertung bei klimapolitischen Maßnahmen (beispielsweise: Montreal Protokoll oder Kyoto Protokoll).

Aktuelle Ereignisse

Bundesumweltministerin Barbara Hendricks und Bayerische Umweltministerin Ulrike Scharf besuchen die Umweltfoschungsstation Schneefernerhaus (UFS) und die GAW Globalstation des Umweltbundesamtes

Am 6. Juli 2015 besuchten Bundesumweltministerin Barbara Hendricks und Staatsministerin Ulrike Scharf zusammen mit dem Generalsekretär der Alpenkonvention, Herrn Markus Reiterer, die Umweltforschungsstation Schneefernerhaus.

Deutschland hat in der Periode 2015-2016 den Vorsitz der Alpenkonvention, Ministerin Barbara Hendricks ist Präsidentin der Alpenkonferenz. Der Besuch auf der Zugspitze war Abschluss einer acht Tage dauernden Tour zu insgesamt zehn Projekten und Bergobservatorien in den Alpen. Die Reise begann in Grenoble (F), endete an der Zugspitze und sollte die Auswirkungen des Klimawandels im Alpenraum sowie neue Ansätze zu deren Bewältigung veranschaulichen. Der vom Umweltbundesamt geleistete Beitrag zur Globalen Atmosphärenüberwachung (GAW) stellt eine wesentliche Grundlage für die Ziele der Alpenkonvention dar. Er ist Bestandteil eines Konzepts zur integrierten Umweltbeobachtung mit einem Netzwerk von Alpenobservatorien, genannt Virtuelles Alpenobservatorium (VAO). Das VAO-Konzept wurde im März 2015 vom Deutschen Vorsitz vorgeschlagen und ist von den Mitgliedern der Alpenkonvention bereits angenommen worden.

Barbara Hendricks steht auf einer Aussichtsplattform in den Bergen an einem Rednerpult mit Mikrofon, darum versammelt Reporter und andere Personen. Auf den umliegenden Gipfeln liegt Schnee.
Bundesumweltministerin Hendricks besuchte im Juli 2015 die Umweltfoschungsstation Schneefernerhaus.
Quelle: Ludwig Ries / UBA

Die GAW-Globalstationen

Die Karte zeigt die Lage der GAW-Globalstationen. Globalstationen liegen in entlegenen Gegenden, fern von Emittenten, mit geringer Hintergrundbelastung an Luftverunreinigungen. Sie sind repräsentativ für ein möglichst großes Umfeld und weisen ein breites, langfristig angelegtes Messprogramm auf. Daneben gibt es noch mehr als 600 Regionalstationen und Stationen, die zu den GAW-Messungen beitragen. Diese sind für ein kleineres geografisches Umfeld repräsentativ und liefern Daten für lokale und regionale Fragestellungen. Einen Überblick zum weltweiten Messnetz der GAW Stationen vermittelt das Informationssystem GAWSIS.

Übersicht GAW Globalstationen
Übersicht GAW Globalstationen
Quelle: WMO GAW Secretary

GAW-Aktivitäten in Deutschland

Das Engagement für das GAW-Programm in Deutschland besteht aus einer Kooperation des Deutschen Wetterdienstes, des Umweltbundesamtes und einer Anzahl weiterer Forschungsinstitute.

Die Globalstation Zugspitze/Hohenpeissenberg besteht aus den beiden Plattformen Zugspitze und Hohenpeissenberg und wird vom deutschen Umweltbundesamt und dem Deutschen Wetterdienst betrieben. An der Plattform Zugspitze werden vom Umweltbundesamt in der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus Treibhausgase, chemisch reaktive atmosphärische Spurenstoffe und Aerosole gemessen. Der Deutsche Wetterdienst misst vorwiegend synoptische Daten, Strahlung und Radioaktivität auf dem Zugspitzgipfel (2960 m ü.d.M.) und im Schneefernerhaus. Das vom Deutschen Wetterdienst betriebene Messprogramm der Plattform Hohenpeissenberg umfasst reaktive atmosphärische Spurenstoffe, Aerosole, Ozonprofile und Niederschlag. Nähere Informationen zu den Messprogrammen sind in den entsprechenden Internetseiten dargestellt.

Die Station Zugspitze/Hohenpeißenberg liefert Daten für Mitteleuropa. Die nächstgelegenen GAW-Globalstationen befinden sich im Nordwesten an der Westküste Irlands, im Norden in Finnland am Polarkreis, im Osten in China auf dem Mount Waliguan, im Süden in der algerischen Sahara und auf Teneriffa/Kanarische Inseln sowie im Westen auf dem Jungfraujoch in der Schweiz.

Die Stationen auf dem Hohen Sonnblick in Österreich (3.100m ü.d.M.) und am Jungfraujoch (3.580m ü.d.M.) in der Schweiz sowie Hohenpeissenberg (1.000m ü.d.M.) und Zugspitze (2.670m ü.d.M.) in Deutschland und Ritten (1.300m ü.d.M.) in Italien kooperieren im Rahmen des DACH-Programms zur gemeinsamen Auswertung regional und global relevanter Messreihen.

Messungen des Umweltbundesamts an der Plattform Zugspitze

Das Messprogramm des Umweltbundesamtes an der Plattform Zugspitze umfasst Treibhausgase, chemisch reaktive Spurenstoffe und Aerosole.

  • Treibhausgase: Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Lachgas (N2O), Schwefelhexafluorid (SF6), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) (in Vorbereitung)
  • Reaktive Spurengase: Ozon (O3), Stickstoffoxide (NO, NO2, NOX, NOy), Peroxiacetylnitrat (PAN), Kohlenmonoxid (CO), Flüchtige organische Kohlenstoffe (< C5 und >= C5)
  • Aerosole: Fein- und Ultrafeinstaub, Größenspektren der Anzahlkonzentrationen von 10 bis 800 nm, PM10 Beta Absorption, PM10 Masse.

Die GAW Regionalstation Schauinsland liegt auf dem gleichnamigen Berg im südlichen Schwarzwald etwa zehn Kilometer südöstlich von Freiburg. Wegen ihrer Lage in 1.205 Metern Höhe am Ostrand des Oberrheintalgrabens befindet sich die Station häufig über der bodennahen Mischungsschicht, wodurch sowohl weiträumig transportierte als auch lokal beeinflusste Luftmassen erfasst werden können. Die Station fungiert als Regionalstation für GAW. Schwerpunkt hierbei ist die Messung klimarelevanter Gase. CO, CO2, CH4, N2O, SF6,chemisch reaktive Gase: Ozon, NOx , NO, NO2, PAN, VOC und Aerosole, PM10, PM2,5, Größenspektrum der Anzahlkonzentration von 10 bis 800 nm.

Die GAW Regionalstation Neuglobsow liegt im nördlichen Brandenburg, am südöstlichen Rand der Brandenburg-Mecklenburger Seenplatte, direkt am Südostufer des Stechlinsees. Die untersuchten Luftmassen sind typisch für das östliche Norddeutschland. Die Station arbeitet unter anderem als Regionalstation für GAW und misst klimarelevante Gase CO2, CH4 und reaktive Gase Ozon, NO, NO2.

Der Beitrag des Umweltbundesamtes zur Qualitätssicherung in GAW

Die Qualitätssicherung in GAW dient hauptsächlich der Vergleichbarkeit von Messdaten über mehrere Jahrzehnte. Nur damit stehen verlässliche Trendaussagen von im Kyoto Protokoll genannten Komponenten, wie Kohlendioxid und Lachgas zur Verfügung.

Wissenschaftliche Beratergruppen (Scientific Advisory Groups) legen die Datenqualitätsziele fest und entwickeln standardisierte Messverfahren, die Richtlinien und Empfehlungen für sämtliche Fragestellungen im Bereich Qualitätssicherung beinhalten. Diese Empfehlungen werden in Form von GAW-Berichten publiziert.

Das Umweltbundesamt betreibt seit dem Jahr 2000 eines von weltweit fünf QA/SAC (Quality Assurance / Science Activity Centre). Weitere QA/SAC wurden in den Vereinigten Staaten von Amerika, Japan, der Schweiz und China eingerichtet. Diese sind neben den Zentrallaboratorien wesentliche Bestandteile der Qualitätssicherung in GAW.

Das UBA ist verantwortlich für die Durchführung von Maßnahmen zur Qualitätssicherung für atmosphärische Messungen von drei Themenbereichen:

  • Aerosol (physikalische Eigenschaften)
  • Lachgas (Distickstoffoxid, N2O)
  • flüchtigen organischen Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOC).

Für diese Themenbereiche sind im Rahmen von GAW spezielle zentrale Einrichtungen vorgesehen, die sogenannte Weltkalibrierzentren (World Calibration Centre = WCC), die in vom QA/SAC Germany finanziert werden. Die WCC führen Ringversuche in eigenen Laborräumen und weltweit Kontrollbeobachtungen an ausgewählten Globalen Mess-Stationen durch.

Das WCC-Aerosol wird vom Institut für Troposphärenforschung in Leipzig (IfT) betrieben. Das WCC-N2O und WCC-VOC wurden am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), (Institut für Meteorologie und Klimaforschung = IMK-IFU) in Garmisch-Partenkirchen eingerichtet:

Ein wesentlicher Bestandteil von QA/SAC Germany ist das GAW-Trainings- und Ausbildungszentrum (GAW Training and Education Centre GAWTEC), das an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) betrieben wird. Seit 2001 wird es vom Umweltbundesamt und vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz gefördert. Von 2001 bis Ende 2014 fanden 26 Lehrgänge mit 297 Teilnehmern aus 62 Ländern statt.

Workshop QA/SAC Deutschland

Eine weitere deutsche Qualitätssicherungsaktivität im Rahmen des GAW-Programms ist das Weltkalibrierzentrum für Ozonsonden (World Calibration Centre for Ozone Sondes), am Forschungszentrum Jülich.

Workshop Qualitätssicherung GAW Langen 2014
Workshop Qualitätssicherung GAW Langen 2014
Quelle: Umweltbundesamt (Frau Dr. Dieffenbach-Fries)

Die wissenschaftliche Infrastruktur von GAW und der Beitrag des Umweltbundesamtes

Das Umweltbundesamt betreibt das Deutsche Zentrum für Qualitätssicherung und Ausbildung QA/SAC, sowie eine Globalstation und zwei Regionalstationen. Es fördert drei Weltkalibrationszentren für Lachgas, leichtflüchtige organische Kohlenwasserstoffe (VOC) und physikalische Aerosoleigenschaften.

Datenverarbeitung

Gemäß den spezifischen Datenqualitätsanforderungen müssen alle Datenverarbeitungsschritte von der Erfassung der Rohdaten in Sekundenauflösung bis hin zur Erstellung von qualitätsgesicherten halbstündigen Mittelwerten auf der Globalstation durchgeführt werden. Ein Softwaresystem zur Datenerfassung und Qualitätssicherung an GAW Stationen wurde vom UBA mit einer Förderung durch den Umweltforschungsplan des BMU aufgebaut. Um die obligate Standardisierung der Datenverarbeitung an GAW-Stationen zu unterstützen, sind Software-Komponenten kostenfrei für GAW-Stationen verfügbar. Eine Präsentation mit dem Titel „Standardized and automated data quality assurance at GAW Stations: concept, methods and tools“ ist online verfügbar.

Ergebnisse

Atmospheric peroxyacetyl nitrate (PAN): a global budget and source attribution
E. V. Fischer, D. J. Jacob, R. M. Yantosca, M. P. Sulprizio, D. B. Millet, J. Mao, F. Paulot, H. B. Singh, A. Roiger, L. Ries, R.W. Talbot, K. Dzepina, S. Pandey Deolal; Atmospheric Chemistry and Physics (Impact Factor: 4.88). 03/2014; 14:2679-2698. DOI:10.5194/acp-14-2679-2014

Nitrogen deposition along differently exposed slopes in the Bavarian Alps
Manfred Kirchner, Wolfgang Fegg, Horst Römmelt, Michael Leuchner, Ludwig Ries, Ralf Zimmermann, Bernd Michalke, Markus Wallasch, Jürgen Maguhn, Theresa Faus-Kessler, Gert Jakoi, Helmholtz Zentrum München, Cooperation Group „Comprehensive Molecular Analytics“, Ingolstaedter Landstrasse 1, D-85764 Neuherberg, Germany. Science of The Total Environment (Impact Factor: 3.26). 11/2013; 470-471C:895-906. DOI:10.1016/j.scitotenv.2013.10.036.

Dafit – a new workflow oriented approach for time efficient data preparation, validation and flagging of time series data from environmental monitoring
L.Ries. In: Proceedings of the 27th conference on Environmental informatics – Informatics for Environmental Protection, Sustainable Development and Risk Management, Part II, pp. 651-656, Shaker Verlag, 2013, Aachen, 938.p, ISBN 979.3-8440-1676-5.

Altitudinal temperature lapse rates in an Alpine valley: trends and the influence of season and weather patterns
Manfred Kirchner, Theresa Faus-Kessler, Gert Jakobi, Michael Leuchner, Ludwig Ries, Hans-Eckhart Scheel, Peter Suppan,
International Journal of Climatology 03/2013; 33(3):539-555.

Number Size Distributions and seasonality of Submicron Particles in Europe 2008–2009
A. Asmi, A. Wiedensohler, P. Laj, A.-M. Fjaeraa, K. Sellegri, W. Birmili, E. Weingartner, U. Baltensperger, V. Zdimal, N. Zikova, [...], G. Deleeuw, B. Henzing, R.M. Harrison, D. Beddows, C. O’Dowd, H. Flentje, K.Weinhold, F. Meinhardt, L. Ries, M. Kulmala; Atmospheric Chemistry and Physics,01/2011; 11:5505-5538.

Influences of the 2010 Eyjafjallajokull volcanic plume on air quality in the northern Alpine region
K Schaefer, W Thomas, A Peters, L Ries, F Obleitner, J Schnelle-Kreis, W Birmili, J Diemer, W Fricke, W Junkermann, [...], H Flentje, S Gilge, H E Wichmann, F Meinhardt, R Zimmermann, K Weinhold, J Soentgen, C Muenkel, C Freuer, J Cyrys; Atmospheric Chemistry and Physics, 01/2011; 11(16):8555-8575.

Measurement and simulation of the 16/17 April 2010 Eyjafjallajokull volcanic ash layer dispersion in the northern Alpine region
S Emeis, R Forkel, W Junkermann, K Schaefer, H Flentje, S Gilge, W Fricke, M Wiegner, V Freudenthaler, S Gross, L Ries, F Meinhardt, W Birmili, C Muenkel, F Obleitner, P Suppan; Atmospheric Chemistry and Physics 01/2011; 11(6):2689-2701.

A case of transatlantic aerosol transport detected at the Schneefernerhaus Observatory (2650 m) on the northern edge of the Alps
Wolfram Birmili, Tina Obel, And E Sonntag, Ludwig Ries, Ralf Sohmer, Stefan Gilge, Ingeborg Levin, Andreas Stohl
Meteorologische Zeitschrift, Bd. 9, Heft 6, 01/2011; 19:591-600.

Temporal and spatial structure of a volcanic ash cloud: ground-based remote sensing and numerical modeling
Klaus Schäfer, Wolfram Birmili, Josef Cyrys, Stefan Emeis, Renate Forkel, Stefan Gilge, Christoph Münkel, Mike Pitz, Ludwig Ries, Peter Suppan; Proc SPIE 10/2010.

Continuous aerosol observations in the German Ultrafine Aerosol Network (GUAN)
W. Birmili, K. Weinhold, S. Nordmann, A. Wiedensohler, G. Spindler, K. Müller, H. Herrmann, T. Gnauk, M. Pitz, J. Cyrys, H. Flentje, C. Nickel, T. A. J. Kuhlbusch, G. Löschau, F. Meinhardt, A. Schwerin, L. Ries, H. Gerwig, K. Wirtz
International Aerosol Conference 2010, Helsinki, Finland; 08/2010.

Spatial structure and dispersion of the 16/17 April 2010 volcanic ash cloud over Germany
Emeis S, Junkermann W, Schäfer K, Forkel R, Suppan P, Flentje H, Gilge S, Fricke W, Wiegner M, Freudenthaler V, Groß S, Ries L, Meinhardt F, Münkel C, Obleitner F Atmospheric Chemistry and Physics 01/2010.

Ozone, carbon monoxide and nitrogen oxides time series at four alpine GAW mountain stations in central Europe
Gilge S, Plass-Duelmer C, Fricke W, Kaiser A, Ries L, Buchmann B, Steinbacher M.; Atmospheric Chemistry and Physics, 01/2010.

Transport of nitrogen oxides, carbon monoxide and ozone to the Alpine Global Atmosphere Watch stations Jungfraujoch (Switzerland), Zugspitze and Hohenpeissenberg (Germany), Sonnblick (Austria) and Mt. Krvavec (Slovenia)
August Kaiser, Helfried Scheifinger, Wolfgang Spangl, Andrea Weiss, Stefan Gilge, Wolfgang Fricke, Ludwig Ries, Danijel Cemas, Brigita Jesenovec Atmospheric Environment 41 (2007) 9273–9287.

How to Keep the Quality Chain, Work Flow-Oriented Data Processing for Global Atmosphere Watch Measurement Stations.
L.Ries,  pp. 109-112,
In: Environmental Informatics and Systems Research. Vol. 2 Workshop and application papers. Eds. Olgierd Hryniewicz, Jan Studzinski, Anna Szediw. Shaker Verlag, 2007, Aachen, 292 p.

Final Report on CarboEurope ‚Cucumber‘ Intercomparison Programme
Manning A.C., Jordan A., Levin I., et. Al., 2008.

Atmospheric aerosol measurements in the German Ultrafine Aerosol Network (GUAN) Part 1: Soot and particle number size distributions
W. Birmili, K. Weinhold, S. Nordmann, A. Wiedensohler, G. Spindler, K. Müller, H. Herrmann, T. Gnauk, M. Pitz, J. Cyrys, H. Flentje, C. Nickel, T. A. J. Kuhlbusch, G. Löschau, D. Haase, F. Meinhardt, A. Schwerin, L. Ries, K. Wirtz, Gefahrstoffe – Reinhaltung  Luft, 69(4), 2009, S. 137-145.

Observation and origin of organochlorine compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons in the free troposphere over central Europe.
Gerhard Lammel, Jana Klánová, Jiří Kohoutek, Roman Prokeš, Ludwig Ries and Andreas Stohl, Environmental Pollution, 2009.

Feine und ultrafeine Aerosolpartikeln an der GAW-Station Schneefernerhaus/Zugspitze
Birmili, W.; Ries, L.; Sohmer, R.; Anastou, A.; Sonntag, A.; König, K.; Levin, I. , Gefahrstoffe- Reinhaltung der Luft; 1-2/2009, Seite 31-35.

Die Daten für Treibhausgase und reaktive Gase werden an das Datenzentrum für Treibhausgase World Data Centre for Greenhouse Gases (WDCGG) in Japan übertragen. Die Aerosoldaten werden an das Weltdatenzentrum für Aerosole weitergegeben (World Data Centre for Aerosols).

Aktueller Newsletter des WDCGG zur Entwicklung der klimarelevanten Gase.

Kontakte

Dr. Ludwig Ries (ludwig [dot] ries [at] uba [dot] de), Umweltbundesamt (GAW-Messungen an der Plattform Zugspitze, QA/SAC Germany)

Dr. Holger Gerwig (holger [dot] gerwig [at] uba [dot] de), Umweltbundesamt (QA/SAC Germany)

Dr. Christian Plass-Duelmer (Christian [dot] plass-duelmer [at] dwd [dot] de), Deutscher Wetterdienst (GAW-Messungen an der Plattform Hohenpeissenberg, GAW-Kontakt für Deutschland)

Mirella Glor (m [dot] glor [at] schneefernerhaus [dot] de), Environmental Research Station Schneefernerhaus (GAW Training and Education Centre)

Beteiligte Forschungsinstitute

Forschungszentrum Jülich:
Weltkalibrationszentrum für Ozonsonden

Alfred-Wegener-Institut Bremerhaven:
Globalstation Neumayer/Antarktis

Leibniz-Instituts für Troposphärenforschung, Leipzig:
Weltkalibrationszentrum für Aerosol Physik

Forschungszentrum Karlsruhe, IMK-IFU:
Weltkalibrationszentren für VOCs und N2O
World Calibration Centre for Volatile Organic Compounds
Wold Calibration Centre for Nitrous Oxide

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