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Long term trends of Stratospheric trace gases from ground-based DOAS observations of Kiruna, Sweden

Gu, Myojeong

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Abstract

This thesis provides analysis results of an extensive data set of stratospheric trace gases(NO2, BrO, OClO) derived from ground based zenith sky DOAS measurements (1996 — 2016) at Kiruna, Sweden. Kiruna (67.84°N, 21.41°E) is located north of the polar circle and is thus well suited for the investigation of polar stratospheric ozone chemistry. The analysed trace gases are involved in the key-chemical reactions controlling stratospheric ozone. Thus their long-term monitoring is important for the independent control of the international CFC emission reduction agreements and to predict the future evolution of the ozone layer. The Kiruna zenith sky DOAS measurements are one of the longest records at polar regions and thus very well suited for these tasks. The thesis has three major parts. First, the whole set of raw spectra was re-analysed with consistent retrieval settings taking into account the most recent advances of the passive DOAS technique. The retrieval settings were further optimised by various sensitivity tests. Second, the derived data products were compared to several independent measurements, where overall very good agreement was found. Finally the long term data set was used to investigate the temporal variations on various scales and to relate them to stratospheric meteorological parameters. In particular the long term trends of NO2 and BrO were determined. For NO2 it was found that the amount has not significantly changed (a slight positive, but non-significant change of about 1.5 ± 2%/decade was found.). This is in good agreement with the trend of its precursor gas N2O (2.3%/decade). For BrO a strong positive trend before 2001 and a negative trend after 2005 is found confirming the expected reduction of the emissions of the precursor gases. Here it should be noted that the results of this thesis extend the existing time records by several years. From the measured BrO amounts the total stratospheric bromine mixing ratio was estimated to about 20.7 ppt, and the contribution of very short lived bromine species to about 5 ppt.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die Analyse und Interpretation eines umfangreichen Datensatzes stratosphärischer Spurengase (NO2, BrO, OClO), der aus bodengebundenen Zenith-DOASMessungen (1996–2016) in Kiruna, Schweden, gewonnen wurde. Kiruna (67.84°N, 21.41°E) liegt nördlich des Polarkreises und ist daher sehr geeignet für die Untersuchung der polaren stratosphärischen Ozonchemie. Die analysierten Spurenstoffe sind involviert in wesentlichen chemischen Reaktionen, die die Menge des stratosphärischen Ozons bestimmen. Daher ist ihre Langzeit-Messung wichtig, um die Einhaltung der internationalen FCKW-Emissionsreduktionsvereinbarungen zu kontrollieren sowie die zukünftige Entwicklung der Ozonschicht vorherzusagen. Die Zenith-DOAS-Messungen in Kiruna sind eine der längsten Messreihen in Polarregionen und daher bestens geeignet für diese Aufgaben. Die Arbeit hat drei wesentliche Teile: Zunächst wird der gesamte Satz an Roh-Spektren mit konsistenten Auswerteparametern ausgewertet, wobei die neuesten Entwicklungen der DOASAuswertetechnik berücksichtigt wurden. Die Auswerte-Parameter wurden dabei anhand vieler Sensitivitätsstudien weiter optimiert. Danach wurden die gewonnenen Datensätze mit mehreren unabhängigen Messungen verglichen und insgesamt sehr gute Übereinstimmung gefunden. Letztlich wurden die gewonnenen Langzeit-Datensätze dazu genutzt, die zeitliche Variabilität auf verschiedenen Skalen zu untersuchen und in Bezug zu stratosphärischen meteorologischen Parametern zu setzen. Insbesondere wurden auch Langzeit-Trends von NO2 und BrO bestimmt. Für NO2 wurde ein leicht positiver, aber unsigifikanter Trend von 1.5 ± 2% pro Dekade gefunden. Dieser ist in guter Übereinstimmung mit dem Trend des Vorläufergases N2O (2.3% pro Dekade). Für BrO wurde vor 2001 ein starker positiver Trend und nach 2005 ein negativer Trend gefunden, was die beobachtete Reduktion der Vorläufergase bestätigt. Hier sollte beachtet werden, dass die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse über die Zeiträume früherer Studien um mehrere Jahre hinausgehen. Von den BrO-Messungen konnte auch die Gesamtmenge an stratosphärischen Bromverbindungen zu 20.7 ppt und der potentielle Beitrag sehr kurzlebiger Vorläufergase zu 5 ppt abgeleitet werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Wagner, Prof. Dr. Thomas
Date of thesis defense: 17 January 2019
Date Deposited: 25 Jan 2019 09:16
Date: 2019
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: Atmosphere, Chemistry, Physics, Differential Optical Absorption Spectroscopy, UV-Vis spectroscopy, Stratosphere, Bromine oxide, Nitrogen Dioxide, Chlorine Oxides, Polar region
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