Modul B | Beobachtung
Das Hauptziel von Modul B ist die Bereitstellung von qualitätskontrollierten atmosphärischen Daten für ITMS unter Verwendung von bodengestützten Flugzeug- und Satellitenbeobachtungen. In Phase 1 konzentriert sich Modul B auf die Entwicklung von Datenflüssen und Qualitätsprüfungen für Treibhausgasbeobachtungen (In-situ- und Säulenkonzentrationsdaten) zur Unterstützung von Emissionsschätzungen, Datenassimilation und Modellüberprüfung. Diese Arbeit nutzt bestehende Infrastrukturen (z.B. ICOS, IAGOS, TERENO, TCCON, COCCON) und Satellitendaten von Instrumenten wie S5P, OCO-3 und Sentinel-3. Synthetische Daten für CO2M und MERLIN werden erzeugt um ITMS für deren zukünftige Nutzung vorzubereiten. Außerdem wird an neuen Beobachtungsmethoden geforscht um existierende Datenlücken zu schließen.
Die Arbeiten von Modul B sind in zwei Teile gegliedert. Modul B_I umfasst die wesentlichen Arbeitspakete, die für den Betrieb des ITMS erforderlich sind. Dazu gehören: die Bereitstellung von Beobachtungsdaten für die inverse Modellierung in Modul M, also Messungen der atmosphärischen Konzentrationen von CO2 und CH4, aber auch Messungen der ko-emittierten Gase CO und NO2, die Bereitstellung von Beobachtungsdaten zur Verbesserung von a priori Treibhausgasflüssen in Modul Q&S, die Etablierung von Datenflüssen für aktuelle und zukünftige Satellitenmissionen und die Durchführung unabhängiger Analysen von Beobachtungsdaten, die die Arbeit in Modul M ergänzen. Modul B_II besteht aus zusätzlichen Projekten zur Untersuchung neuer Beobachtungsansätze. Auch diese umfassen bodengestützte In-situ- und Fernerkundungsmessungen sowie Messungen von Satelliten- und Flugzeuginstrumenten.
ITMS-B_I AP1 | Synthese von Beobachtungsdaten und Koordinierung von Modul B
Das Hauptaugenmerk dieses Arbeitspakets liegt auf der Sicherstellung, dass die Beobachtungsdaten aus Modul B in Bezug auf die Schnittstellen und die Datenqualität für die Verwendung im ITMS geeignet sind. Dies beinhaltet die Harmonisierung von Schnittstellen, die Identifizierung von Beobachtungslücken und die Einleitung von Schritten, um diese durch die Verbesserung des Beobachtungssystems in Zukunft zu schließen. Eine wichtige Aktivität ist die Erstellung und Pflege des Beobachtungsdaten-Syntheseberichts, der alle Datensätze aus Modul B zusammenfasst und deren Schnittstellen, Zugangswege und Qualität detailliert beschreibt. Dieser Bericht bietet einen Überblick über jeden von Modul B gelieferten Datensatz und dient als Einstiegspunkt für ITMS-Nutzer der jeweiligen Datensätze. Dieses Arbeitspaket unterstützt auch das Modul K (allgemeine ITMS-Koordination), organisiert regelmäßige Treffen der Partner des Moduls B und führt in Zusammenarbeit mit den Leitern der Arbeitspakete des Moduls B die Berichterstattung über Meilensteine und Ergebnisse des Moduls B durch.
Beteiligte Projektpartner: Universität Bremen (Dr. Heinrich Bovensmann, Dr. Maximilian Reuter, Dr. Michael Weimer)
ITMS-B_I AP2 | Bereitstellung von auf ITMS-Anwendungen zugeschnittenen ICOS und IAGOS In-situ-Konzentrationsdaten und Erweiterung der ICOS-Messungen
Dieses Arbeitspaket ist ein Beitrag von ICOS-Mitgliedern des DWD bzw. von IAGOS-AISBL-Mitgliedern des MPI-BGC. Es unterstützt die Bereitstellung und Qualitätssicherung von In-situ-Konzentrationsdaten aus ICOS und IAGOS. Dies umfasst für IAGOS die Treibhausgase CO2, CH4 und teilweise N2O sowie die reaktiven Gase O3, CO, NOx und NOy entlang von Flugkorridoren. Für ICOS umfasst es neben der kontinuierlichen Überwachung der atmosphärischen Treibhausgaskonzentrationen (CO2, CH4, CO, N2O , 14C) an den atmosphärischen Stationen (meist hohe Messtürme) auch die Aufrüstung ausgewählter Stationen mit NOx-Messungen, um Informationen über einen zusätzlichen Tracer bereitzustellen, der Rückschlüsse auf anthropogene CO2-Emissionen zulässt. ICOS-Daten werden für zwölf ICOS-Atmosphärenstationen (9 betrieben vom DWD und 3 von UBA) und IAGOS-Daten für alle IAGOS-Starts und -Landungen an deutschen Flughäfen vom MPI-BGC bereitgestellt.
Beteiligte Projektpartner: DWD (Dr. Dagmar Kubistin, Dr. Jennifer Müller-Williams, Dr. Matthias Lindauer, Tobias Kneuer), MPI-BGC (Dr. habil. Christoph Gerbig)
ITMS-B_I AP3 | Bereitstellung von bodengestützten In-situ-Daten von ICOS- und TERENO-Ökosystemstandorten
Dieses Arbeitspaket unterstützt die Bereitstellung von In-situ-Konzentrations- und Flussdaten an ICOS- und TERENO-Ökosystemstandorten für die Prozesscharakterisierung und -modellierung innerhalb des Moduls Q&S und ist ein unentgeltlicher Beitrag von ICOS und TERENO zum ITMS. Zu den bereitgestellten Daten gehören die Stoffflüsse von CO2, H2O und, wenn aus Eddy-Kovarianz-Messungen verfügbar, CH4, N2O, sowie damit verbundene Ökosystemparameter. ICOS- und TERENO-Ökosystemdaten werden für die bestehenden Stationen und, wenn verfügbar, für neue Stationen über die ICOS- und TERENO-Datenportale bereitgestellt.
Beteiligte Projektpartner: Thünen Institut (Dr. Christian Brümmer, Dr. John Akubia), KIT-IMK-IFU (Dr. Ralf Kiese, Dr. Hannes Imhof)
ITMS-B_I AP4 | XCH4 S5P-Satellitendaten zugeschnitten auf ITMS-Anwendungen
Die Ziele dieses Arbeitspaketes sind die Evaluierung bestehender S5P XCH4 Datenprodukte (operationell und Universität Bremen, WFMD) im Hinblick auf die Bedürfnisse des ITMS und die Optimierung der WFMD S5P XCH4 Ergebnisse für ITMS Anwendungen, um ein geeignetes Datenprodukt (hohe Ausbeute, geringe systematische und stochastische Fehler) für Deutschland und die umliegenden Länder zu generieren. Hier sind lokale Emissionssignale typischerweise schwächer als in Regionen außerhalb Europas (z.B. Öl- und Gasfelder in Turkmenistan und den USA), für die Emissionsschätzungen aus WFMD XCH4 Daten der Universität Bremen bereits erfolgreich durchgeführt wurden. Ziel ist es, einen verbesserten Auswertealgorithmus für die Erzeugung eines mehrjährigen S5P XCH4-Datensatzes zu entwickeln, der für ITMS optimiert ist, und diesen Datensatz durch Vergleich mit bodengestützten Beobachtungen (TCCON, COCCON) zu validieren. Zusätzlich wird im Rahmen dieses Arbeitspaketes ein Massenbilanzansatz verwendet, um Emissionsinformationen für ausgewählte Emissions-Hotspots zu bestimmen.
Beteiligte Projektpartner: Universität Bremen (Dr. Oliver Schneising-Weigel, Jonas Hachmeister)
ITMS-B_I AP5 | XCO2 Satellitendaten zugeschnitten auf ITMS-Anwendungen
Im Rahmen dieses Arbeitspaketes wird der bestehende XCO2-Auswertealgorithmus FOCAL der Universität Bremen auf OCO-3 angepasst und zur Erzeugung von XCO2-Bildern für ausgewählte lokalisierte anthropogene CO2-Quellen wie Kraftwerke verwendet. Das neue Datenprodukt wird evaluiert und für ITMS-Anwendungen optimiert, was eine detaillierte Fehleranalyse, Validierung (TCCON, COCCON) und Vergleiche mit anderen Satelliten-XCO2-Produkten beinhaltet. Ein wesentlicher Aspekt ist die Evaluierung der beiden OCO-3 XCO2-Datenprodukte (NASA und Universität Bremen, FOCAL) im Hinblick auf die Bedürfnisse von Modul M insbesondere für Deutschland und seine Umgebung. Dazu gehört auch die Untersuchung des Informationsgehaltes bei der Bestimmung von CO2-Emissionen mit Massenbilanzmethoden. Zusätzlich zu tatsächlich gemessenen XCO2-Datensätzen werden auch simulierte CO2M-Daten erzeugt um Modul M bei der Vorbereitung zur Nutzung von CO2M-Daten zu unterstützen.
Beteiligte Projektpartner: Universität Bremen (Dr. Michael Weimer, Dr. Michael Buchwitz, Dr. Maximilian Reuter)
ITMS-B_I AP6 | Satellitendaten der Tracer CO und NO2, zugeschnitten auf ITMS-Anwendungen
CO2-Emissionen aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe werden von CO- und NO-Emissionen begleitet, wobei sich NO schnell in NOx (die Summe aus NO und NO2) umwandelt. Das Verhältnis von CO und NO2 zu CO2 hängt vom Brennstoff sowie von der Verbrennungseffizienz und -temperatur ab. CO und NO2 können als Tracer verwendet werden, um verschiedene Verbrennungsprozesse zu identifizieren und zwischen verschiedenen Emissionsquellen zu unterscheiden. Die Datenassimilation dieser Tracer hat das Potenzial, die biogenen CO2-Flüsse von den Emissionen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffen zu trennen. Wenn die Emissionsfaktoren hinreichend bekannt sind, können die durch inverse Modellierung abgeleiteten Emissionen dieser Tracer auch verwendet werden, um Informationen über die CO2-Emissionen zu erhalten. Für solche Anwendungen sind jedoch Informationen über die atmosphärischen CO- und NO2-Konzentrationen erforderlich. Daher liegt der Schwerpunkt dieses Arbeitspaketes auf der Erstellung von NO2- und CO-Datenprodukten aus S5P mit Schwerpunkt auf Deutschland und den umliegenden Ländern.
Beteiligte Projektpartner: Universität Bremen (Dr. Andreas Richter, Dr. Oliver Schneising-Weigel)
ITMS-B_I AP7 | Satellitendaten der Landoberfläche
Aktuelle A-priori-Schätzungen der CO2-Flüsse zwischen den Ökosystemen und der Atmosphäre mit hoher räumlicher (< 10 km, Ziel 1 km) und zeitlicher (stündlich) Auflösung sind ein wichtiger Input für die inverse Modellierung in Modul M. Diese können durch einen datengetriebenen sog. Bottom-up-Ansatz auf der Grundlage von maschinellem Lernen unter Verwendung von meteorologischen und Satellitendaten zur räumlichen Hochskalierung von Eddy-Kovarianz-Messungen der biosphärischen CO2-Flüsse abgeleitet werden. In diesem Arbeitspaket wird ein flexibler und operationalisierbarer Ablauf für die Beschaffung und Verarbeitung der relevanten satellitengestützten Landoberflächendaten definiert, was sowohl Satellitenbeobachtungen an Eddy-Kovarianz-Standorten als auch räumlich gerasterte Produkte beinhaltet. Diese Daten werden von Modul Q&S zur Bestimmung der erforderlichen a priori CO2-Flüsse verwendet.
Beteiligte Projektpartner: MPI-BGC (Dr. Sophia Walther, Zayd Hamdi, Dr. Martin Jung, Dr. Gregory Duveiller)
ITMS-B_I AP8 | Synthetische MERLIN XCH4-Daten
Mit der bevorstehenden deutsch-französischen CH4-Lidar-Satellitenmission MERLIN (geplanter Start 2029) werden XCH4-Daten von einer nationalen Weltraummission zur Verfügung stehen. Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, die Nutzung der MERLIN-Daten innerhalb des ITMS vorzubereiten. Dies beinhaltet die Entwicklung von Auswertealgorithmen zur Bestimmung von XCH4 aus MERLIN-Daten, die Fehlercharakterisierung des Datenproduktes gemäß den Anforderungen von Modul M, die Definition von Inhalt und Format des Datenproduktes und die Unterstützung bei der Definition eines Beobachtungsoperators. Darüber hinaus werden synthetische MERLIN-XCH4-Testdaten, basierend auf realen Messdaten des flugzeuggetragenen MERLIN-Demonstrators CHARM-F, erstellt und bereitgestellt. Außerdem wird der Informationsgehalt von Profilen unter Verwendung synthetischer MERLIN-Daten und CHARM-F-Kampagnendaten untersucht.
Beteiligte Projektpartner: DLR-IPA (Dr. Andreas Fix, Sebastian Wolff, Dr. Christoph Kiemle)
ITMS-B_II FeaViTa | Machbarkeitsstudie zur Nutzung von Ökosystem-Stationen als virtuelle Messtürme
VTT (“Virtual Tall Tower”) - Analysetechniken haben das Potenzial, bestehende Eddy-Kovarianz (EC)-Stationen (an denen normalerweise vertikale Treibhausgasflüsse etwa 2-50 m über der Oberfläche gemessen werden) zu nutzen, um das Netz bestehender atmosphärischer Treibhausgaskonzentrationsmessungen zu verdichten, die normalerweise auf teureren Messtürmen oder -Masten mit großen Höhen (TT = tall tower, >100 m) durchgeführt werden. Im Rahmen des FeaViTa-Projekts werden ein bestehender und ein neuer VTT-Ansatz für CO2-Messungen an niedrigen EC-Stationen in der Nähe von TT-Standorten getestet, wobei letztere als Referenz für die Bewertung der Unsicherheit der Methode dienen.
Beteiligte Projektpartner: Forschungszentrum Jülich (Dr. Alexander Graf, Dr. Lediane Marcon, Marius Schmidt, Dr. Patrizia Ney, Dr. Youri Rothfuss, Prof. Dr. N. Brüggemann), Thünen-Institut (Dr. Christian Brümmer), DWD (Dr. Matthias Lindauer, Dr. Jennifer Williams, Dr. Dagmar Kubistin), Swedish University of Agricultural Science (Prof. Dr. Matthias Peichl), Wageningen University and Research (Prof. Dr. Jordi Vila-Guerau de Arellano), Universität zu Köln (Prof. Dr. Ulrich Löhnert)
ITMS-B_II ISOMONEAE | Hochfrequente isotopenspezifische Langzeit-Überwachung des Austauschs von H2O, CO2, CH4 und N2O zwischen Atmosphäre und Ökosystemen
Zentrales Ziel dieses Projekts ist die Etablierung einer isotopenspezifischen Langzeitüberwachung des H2O-, CO2-, CH4- und N2O-Austauschs zwischen Ökosystemen und der Atmosphäre mit hoher zeitlicher Auflösung an zwei verschiedenen Standorten (Ackerland und Laubwald). Der Ökosystem-Atmosphären-Austausch von H2O und CO2 wird online mit schnellen isotopenspezifischen Laseranalysatoren mithilfe der Eddy-Kovarianz-Methode (EC) bestimmt. Zusätzlich wird ein mobiles, automatisiertes Probennahme-System zur isotopenspezifischen Erfassung des CH4- und N2O-Ökosystemaustausches nach der Profilmethode mit Offline-Isotopenanalyse mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie entwickelt, um eine möglichst hohe Präzision der Isotopenmessungen zu gewährleisten. Ziel dieser Messungen ist die Bilanzierung von Quellen und Senken, d.h. Verdunstung und Transpiration im Falle von Wasserdampf, photosynthetische Aufnahme und Ökosystematmung im Falle von CO2, CH4-Produktion (Methanogenese, wenn relevant) und CH4-Aufnahme (Methanoxidation) sowie die Aufteilung des N2O-Flusses in Nitrifikation und Denitrifikation als Quellen und N2O-Reduktion als Senke von N2O.
Beteiligte Projektpartner: Forschungszentrum Jülich (Prof. Dr. Nicolas Brüggemann, Prof. Dr. Youri Rothfuss, Dr. Alexander Graf, Marius Schmidt, Matthias Class), Georg-August-Universität Göttingen (Prof. Dr. Alexander Knohl, Dr. Christian Markwitz, Oisin Jelle Boersma)
ITMS-B_II FTIR | Bodengestützte FTIR-Messungen von XCO2, XCH4 und XCO zur Unterstützung des ITMS
Im Rahmen des FTIR-Projekts werden qualitätsgesicherte Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer-Messungen (FTIR) der Gesamtsäulenkonzentrationen von CO2 (XCO2) und CH4 (XCH4) sowie des Tracers CO (XCO) durchgeführt, bereitgestellt und analysiert. Das Verbundprojekt konzentriert sich auf drei Schwerpunktregionen mit dem Ziel, die dortigen FTIR-Infrastrukturen zu nutzen, um Messungen für die Satelliten- und Modellvalidierung zu liefern und Emissionsschätzungen auf lokaler, regionaler und nationaler Ebene für ITMS zu unterstützen. Die Schwerpunktregionen sind München mit fünf COCCON-Spektrometern, die Region Heidelberg-Karlsruhe (Rhein-Neckar) mit einem TCCON-, einem stationären und einem mobilen COCCON-Spektrometer und die Region um Bremen (Nordwesten) mit einem TCCON- und einem COCCON-Spektrometer.
Beteiligte Projektpartner: Universität Heidelberg (Prof. Dr. André Butz, Dr. Benedikt Löw), Technische Universität München (Prof. Dr. Jia Chen), Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (PD Dr. Frank Hase), Universität Bremen (Prof. Dr. Thorsten Warneke, Lukas Grosch)
ITMS-B_II HISAT | Hochauflösende Satellitenbilder von XCO2 und XCH4 zur Unterstützung von ITMS Modul B
Die Zuordnung und Quantifizierung großer CO2- und CH4-Emissions-Hotspots und deren Trennung von verteilten, aber kumulativ bedeutsamen Emissionen ist eine zentrale Herausforderung für die Emissionsbilanzierung und die sektorale Trennung der Flüsse auf lokaler und regionaler Ebene. Das Projekt HISAT untersucht die Möglichkeiten von Satellitenmissionen mit hoher räumlicher Auflösung wie PRISMA, EnMAP, GHGSat, TANGO, CarbonMapper und CHIME für die Quantifizierung von CO2- und CH4-Emissionsraten großer, lokal begrenzter Emissions-Hotspots und die Anwendung dieser Messungen im Rahmen der Überwachungsaufgabe von ITMS. Im Rahmen des Projekts wird u. a. die Genauigkeit der bestimmten Emissionsraten bewertet und untersucht, ob Bilder von Treibhausgasfahnen für die sektorale Trennung von Emissionen verwendet werden können.
Beteiligte Projektpartner: Universität Heidelberg (Prof. Dr. André Butz, Dr. Harikrishnan Charuvil Asokan), Institut für Physik der Atmosphäre, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Dr. Julia Marshall, Dr. Anke Roiger)
ITMS-B_II PeatSens | Fernerkundung von Methanemissionen aus Torfmooren
Ziel des PeatSens-Projekts ist es, die Treibhausgasemissionen von wiedervernässten Torfböden mittels Fernerkundung abzuschätzen. Zu diesem Zweck arbeiten die Arbeitsgruppe Fernerkundung und Bildanalyse der Technischen Universität Darmstadt und die Arbeitsgruppe Landschaftsökologie und Standortkunde der Universität Rostock eng zusammen. Die beiden Hauptkomponenten des Projekts sind das Prozessverständnis von Treibhausgasemissionen, insbesondere Methan, aus wiedervernässten Mooren, unterstützt durch Feldmessungen von Emissionen, und die Ableitung von Einflussfaktoren und Indikatoren aus Fernerkundungsdaten und Feldmessungen, mit Schwerpunkt auf Hyperspektral- und Radardaten. PeatSens wird das Potenzial für Emissionsminderungen durch die Wiedervernässung landwirtschaftlich genutzter Torfmoore untersuchen und die Nutzung von Fernerkundungsdaten für diese Fragestellung vorantreiben.
Beteiligte Projektpartner: Technischen Universität Darmstadt (Prof. Dr.-Ing. Dorota Iwaszczuk, M. Sc. Katrin Krzepek), Universität Rostock (Prof. Dr. rer. nat. Florian Jansen, M. Sc. Daniel Köhn)
ITMS-B_II TEGAD | Top-down-Abschätzung lokalisierter CH4-Emissionen unter Verwendung von boden- und Flugzeuggestützten in-situ- und Fernerkundungsdaten
Zur unabhängigen Quantifizierung von CH4-Emissionen aus lokalisierten Quellen wird eine kombinierte mobile boden- und flugzeuggestützte Messstrategie entwickelt, angewendet und die erhobenen Daten ausgewertet. Unter anderem werden CH4-Quellen der Kategorien Deponien, Abwasser und Öl-/Gas-Infrastruktur in Deutschland auf Basis der Anforderungen des UBA und in Abstimmung mit dem ARTEMIS-Projekt untersucht. Es werden systematische Messungen mit bodengestützten in-situ (CH4, Ethan, H2O, Wind) und Fernerkundungssensoren (CH4 und CO2) sowie mit flugzeuggestützten Sensoren durchgeführt. Die Beobachtungsdaten beider Systeme (flugzeug- und bodengestützt) werden für unabhängige top-down Emissionsbestimmungen durch Massenbilanzansätze verwendet.
Beteiligte Projektpartner: Universität Bremen (Dr. H. Bovensmann, Dipl. Phys. K. Gerilowski, Prof. H. Bösch), Jade Hochschule Wilhelmshaven (Prof. Dr.-Ing. Jens Wellhausen)
Akronyme und Abkürzungen
CarbonMapper | |
CHIME | |
CO2M | |
COCCON | |
DLR | |
DWD | |
EnMAP | |
FOCAL | |
GHG | Greenhouse Gas |
GHGSat | |
IAGOS | |
ICOS | |
ITMS | |
KIT | |
MERLIN | |
MODIS | |
MPI-BGC | |
NASA | |
OCO-3 | |
PRISMA | |
Sentinel-3 | |
S5P | |
TANGO | |
TCCON | |
TERENO | |
UBA | |
WFMD | |
WP | Work Package |
XCH4 | Column-averaged dry-air mole fraction of methane |
XCO2 | Column-averaged dry-air mole fraction of carbon dioxide |