Inferring Air-Sea Carbon Dioxide Fluxes from Scatterometer Sea Surface Backscatter

Abstract

Eine präzise Schätzung der Gastaustausch- Geschwindigkeit an der Schnittstelle von Luft und Meer würde unser Verständnis für den CO2 Fluss zwischen Atmosphäre und Ozeanen sowie der Leistungsfähigkeit der Ozeane als Kohlenstoffspeicher verbessern. Die Gasaustausch- Geschwindigkeit, κ, wird von Oberflächenwind durch seinen Einfluss auf die Oberflächenwellen und oberflächennahe Turbulenzen beeinflusst. Normalerweise sind Parameter von κ ausschließlich abhängig von der Windgeschwindigkeit, doch diese Abhängigkeit ist noch nicht vollständig ergründet. Beim Versuch, diese Unsicherheit beim Parametrisieren von κ zu verringern ist es wichtig, den Beitrag von umgebenden Einflüssen zu berücksichtigen. Diese Arbeit befasst sich mit der Gasaustausch- Geschwindigkeit direkt mit der Unebenheit der Meeresoberfläche gemessen mit einem Mikrowellen Radar zu verknüpfen. Für die Bearbeitung das Ziel wurden Langzeit- Radar Messungen über einen Zeitraum von 27 Monaten in der Jahren 2011 bis 2013 auf der Forschungs- Plattform FINO-2 in der westlichen Ostsee durchgeführt, mit einem Multi-Frequenz und Multi-Polarisations Radar, dem Multi3Scat der Universität Hamburg. Die Radarmessungen wurden in Bezug gesetzt mit weiteren Umgebungsdaten bereitgestellt durch die Forschungsplattform, wie z.B. Luft- und Wassertemperatur, Wind- und Wellenparameter sowie CO2 Flüsse. Der erste Teil der vorliegenden Dissertation bewertet die Leistungsfähigkeit des neuen Scatterometers im Hinblick auf einzelne und kombinierte Radarsysteme. Um die Qualität der Daten zu gewährleisten, werden die Beobachtungen der Meeresoberfläche des Multi3Scat gegen theoretische Radarrückstreuung und geophysikalische C-band Modell Rechnungen (CMOD5) getestet. Die Abhängigkeit der Radarrückstreuung im Hinblick auf Wind geschwindigkeit und -Richtung, atmosphärische Schichtenbildung und Wellen-Parameter werden bei verschiedenen Radareinstellungen validiert und der optimale Aufbau für die Studie stellt sich als C-Band in HH- und VH-Polarisationen heraus. Radarquerschnitte (Radar Cross Section (RCS)) aus einer Kombination von vier Mikrowellen Frequenzen, vier Polarisations Kombinationen und drei verschiedenen Einfallwinkeln gemessen vom Multi3Scat liefert uns ein einzigartigen Einblick in die statistische Charakteristik der Meeresoberflächen- Unebenheit. Die mittlere Wellen- Neigung wird berechnet mit dem Integral des Wellenzahlen-Spektrums über den Wellenzahlen- Bereich 20 < k < 350 rad/m aufgenommen vom Multi3Scat (relevanter Bereich für Gasaustausch- Analyse). Die Multi3Scat Beobachtungen uns quantitative Informationen über die Meeresoberflächen- Unebenheit verschaffen, welche direkt im Zusammenhang mit der Energie der Kapillar- Gravitätswellen steht, welche verantwortlich sind für den Gasaustausch. Die Kreuz-Radarrückstreuung zeigt eine schwache Richtungsabhängigkeit bei Variation des Windes. Gleichzeitig zeigt sie die geringste Signal- Sättigung bei hoher Windgeschwindigkeit und wenig Abhängigkeit von der Beobachtungsgeometrie, was den Vorteil dieser Einstellung für die Gasaustausch- Analyse hervorhebt. Die horizontal polarisierte Radarrückstreuung hat eine höhere Empfindlichkeit gegenüber zwingende und Wellen-Parametern. Diese Empfindlichkeit kann dem Beitrag der Wellenunterbrechung in den Nicht-Bragg-Teilen des Signals zugeschrieben werden, die bei horizontaler Polarisation signifikant ist. Neben der Polarisation zeigen steilere Einfallswinkel und höhere Mikrowellenf- requenzband-Radar-Rückstreuung eine höhere Empfindlichkeit gegenüber den Umwelteinflüssen. Der zweite Teil der Arbeit untersucht die Korrelation zwischen der Radarrückstreuung von der Meeresoberfläche und der Gasaustausch- Geschwindigkeit und entwickelt eine neue Parametrisierung für die Gasaustauschsschätzung. Die Multi3Scat Messungen in Kombination mit weiteren Daten benutzt werden um auf die Gasaustausch- Geschwindigkeit zu schließ en als eine Funktion aus Windgeschwindigkeit und mittlerer Oberflächenwellenneigung (Oberflächen- Unebenheit). Das lineare Verhältnis zwischen Gasaustausch- Geschwindigkeit und mittlerer Wellenneigung führt zu, eine vorläufige Schätzung der Gasaustausch- Geschwindigkeit als eine Funktion des Radar- Querschnitts der Meeresoberfläche. Im Vergleich zu den traditionellen windbasierten Gasaustausch- Parametrisierungen zeigt die neu verbesserte scatterometerbasierte Gasaustausch- Parametrisierungen eine gute Korrelation zur Beobachtung (R2 = 0.84, RMSE = 9.7 cm/h), besser als die der windbasierten Parametrisierung. Der gemittelte Wert der Gasaustausch- Geschwindigkeit unter Verwendung von Scatterometerdaten beträgt etwa 26.95 cm/h und liegt nahe bei dem gemeldeten Wert für Offshore-Meere. Der durchschnittliche CO2-Fluss, 0,23 μmol m-2 s-1, geschätzt mit dem neuen scatterometerbasierte Gasaustausch- Parametrisierungen, führt zu einem Wert in der Nähe den beobachteten Wert, 0,21 μmol m-2 s-1. Zusätzlich hat die Dauer der Messperiode befähigt, saisonale Variationen des CO2 Flusses, der Austauschgeschwindigkeit und der Meeresoberf- lächenunebenheit zu untersuchen. Insgesamt zeigen die Ergebnisse eine relativ akkurate Schätzung der Gasaustausch- Geschwindigkeit basiert auf der Radarrückstreuung, welche die Saisonabhängigkeit der Kombination der Komponenten berücksichtigt, die Einfluss auf den Gas-Austausch über die Luft-Wasser Schnittstelle hat. Solch ein Schätzalgorithmus kann weiterführend mit Satelliten Daten verwendet werden um globale Gasaustausch- Geschw- indigkeiten abzufragen.

An accurate estimate of the gas transfer velocity across the air-sea interface would improve our understanding of the CO2 flux between the atmosphere and ocean, and of the efficiency of the ocean as a carbon sink. Gas transfer velocity, κ, is influenced by the surface wind stress through its impact on surface waves and near-surface turbulence fields. Typical parameterizations of κ are solely wind speed dependent, but this single forcing dependence is still not fully understood. In an attempt to reduce the uncertainty in κ parameterization, it is important to consider the contribution of environmental forcings and surface/interface parameters on gas transfer velocity estimation. The objective of this thesis is to directly link the gas transfer velocity to the sea surface roughness obtained from a microwave scatterometer. To address the objective, a long-term radar backscatter measurements were carried out during a period of 27 months in 2011-2013 on the research platform FINO-2 in the Western Baltic Sea by using the multi-frequency and multi-polarization microwave scatterometer, Multi3Scat, of the University of Hamburg. The radar measurements have been correlated with the environmental data collected at the platform, such as air and water surface temperatures, wind and wave parameters, as well as CO2 fluxes. The first part of the thesis evaluates the performance of the new scatterometer for individual and combined radar arrangements. To assure the quality of the data, the Multi3Scat observations of the sea surface are evaluated against the scattering theory and C-band geophysical model function (CMOD5). The radar backscatter dependencies on wind speed and direction, atmospheric stratification, and wave parameters are validated at different radar settings and the optimal setup for the study turns out to be C-band in HH and VH polarizations. The combination of four microwave frequencies, four polarization combinations, and three incidence angles radar backscatter measured by the Multi3Scat lead to a unique spectrum, which results in a significant information on the statistical characteristics of sea-surface roughness. The mean square surface wave slope is computed using the integral of the wavenumber spectrum over the wavenumber ranges 20<k<350 rad/m detected by the Multi3Scat (relevant range for gas transfer analysis). The quantitative information on the sea surface roughness obtained from the Multi3Scat observations can be attributed to the energy dissipated by the combination of the capillary-gravity waves, which are responsible for gas exchange. The cross polarization radar backscatter shows weak directional dependencies to wind variation. At the same time, it shows the weakest signal saturation at high wind speed and weak dependencies to the observational geometry, which represents the advantage of this setting for gas transfer analysis. The horizontal polarization radar backscatter shows a high sensitivity to environmental forcing and wave parameter. This sensitivity can be attributed to the contribution of the wave breaking in the non-bragg parts of the signal, which is significant in horizontal polarization. Besides the polarization, steeper incidence angle and higher microwave frequency band radar backscatter show higher sensitivity to the environmental forcings. The second part of the thesis investigates the correlation between the radar backscatter from the sea surface and gas transfer velocity and develops a new parameterization for gas flux estimation. The Multi3Scat measurements, in combination with auxiliary data, are used to infer air-sea CO2 transfer velocity as a function of wind speed and mean square surface wave slope (surface roughness). The linear relationship between gas transfer velocity and mean square slope leads to a preliminary estimation of gas transfer velocity from the radar cross section of the sea surface. In comparison to the traditional wind-based gas transfer parameterizations, the newly improved scatterometer-based gas transfer parameterization shows a good correlation to the observation (R2 = 0.84, RMSE = 9.7 cm/h), better than that of wind-based gas transfer parameterizations. The averaged value of gas transfer velocity using scatterometer data is about 26.95 cm/h and is close to the reported value for offshore seas. The averaged CO2 flux of 0.23 μmol m-2 s-1, estimated by using the new scatterometer based transfer velocity parameterization, results in a very close value to the observed value of 0.21 μmol m-2 s-1. In addition, the extent of the measurement period has enabled us to study the seasonal variability of the CO2 flux, transfer velocity, and sea surface roughness. Overall, the results indicate a relatively accurate estimation of gas transfer velocity derived from microwave backscatter, which considers the seasonality of the combination of the components influencing the gas exchange across the air-sea interface. Such an estimation algorithm can further be employed by satellite data to retrieve global gas transfer velocities.