German Title: Ein Observatorium für Treibhausgasmessungen entlang eines offenes Pfades mittels hochauflösender Fourier-Transformations-Spektroskopie

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Abstract

Measuring the atmospheric concentrations of Greenhouse Gases (GHGs) like carbon dioxide (CO2) and methane (CH4) is crucial to improve our knowledge of their sources and sinks. This is essential to understand our climate system, but also to quantify, verify, and attribute anthropogenic emissions of GHGs. For the latter, urban areas are particularly important, but pose unique challenges due to often highly structured emission patterns. Here, I present the design, setup, and implementation of an open-path observatory, which measures averaged GHGs concentrations along a 1.55 km long path and evaluate its performance. I compare these measurements to in-situ measurements to evaluate their respective representativeness on a kilometer-scale grid.

Averaging over five minutes, the open-path observatory achieves precisions of 1.4 ppm (0.32%) and of 8.3 ppb (0.40%) for CO2 and CH4 dry air mole fractions, respectively. Overall, the open-path and in-situ measurements agree well, but I also identify conditions, such as south-easterly winds, where discrepancies of up to 20 ppm occur in CO2. Such differences can seriously impact emission estimates obtained from pairing measurements with kilometer-scale atmospheric transport models. I demonstrate that the observatory can provide a sound measurement basis for further investigations into the representativeness issue and offers unique opportunities to validate and improve spectroscopic databases. Both can contribute to general improvements to atmospheric remote sensing of GHGs.

Translation of abstract (German)

Messungen atmosphärischer Treibhausgase (THGs) wie zum Beispiel Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) tragen entscheidend dazu bei unsere Kenntnisse von THG Quellen und Senken zu verbessern. Dies ist nicht nur wichtig um unser Klimasystems besser zu verstehen, sondern auch um anthropogene Emissionen von THGs zu quantifizieren, zu überprüfen und zu attribuieren. Hierfür sind urbane Räume von besonderer Wichtigkeit, stellen aber aufgrund der stark strukturierten Emissionsmuster eine besondere Herausforderung dar. Hier stelle ich die Entwicklung, Konstruktion und Implementierung eines Langpfad-Observatoriums vor, das THG Konzentrationen entlang eines 1.55 km langen Pfades gemittelt misst. Ich analysiere die Leistungsfähigkeit des Aufbaus und vergleiche sie mit In-situ-Messungen um Schlussfolgerungen über die jeweilige Repräsentativität der beiden Messmethoden auf der Kilometerskala zu ziehen.

Bei fünf minütig gemittelten Mischungsverhältnissen erreicht das Langpfad-Observatorium Präzisionen von 1.4 ppm (0.32%) für CO2 und 8.3 ppb (0.40%) für CH4. Insgesamt stimmen die Langpfad- und In-situ-Messungen gut überein, aber für bestimmte Bedingungen, wie zum Beispiel Südostwinde treten Unterschiede von bis zu 20 ppm für CO2 auf. Solche Unterschiede könnten Emissionsschätzungen, die typischer weise mittels Verknüpfung von Messungen mit atmosphärischen Transportmodellen auf Kilometerskalen errechnet werden, erheblich beeinträchtigen. Ich lege dar, dass die Messungen des Langpfad-Observatoriums eine solide Basis für weitere Analysen zur Frage der Repräsentativität von Konzentrationsmessungen bilden und einzigartige Möglichkeiten zur Validierung und Verbesserung spektroskopischer Datenbanken bieten und des Langpfad-Observatorium dadurch allgemein zu Verbesserungen im Bereich der atmosphärischen Fernerkundung von THG beitragen kann.