Lagrangian transport evaluation of atmospheric chemistry in the Mediterranean region

Global observations of the chemical composition of the atmosphere are essential for understanding and studying the present and future state of the earth's atmosphere. However, by analyzing field experiments the consideration of the atmospheric motion is indispensable, because transport enables different chemical species, with different local natural and anthropogenic sources, to interact chemically and so consequently influences the chemical composition of the atmosphere. The distance over which that transport occurs is highly dependent upon meteorological conditions (e.g., wind speed, precipitation) and the properties of chemical species itself (e.g., solubility, reactivity). This interaction between chemistry and dynamics makes the study of atmospheric chemistry both difficult and challenging, and also demonstrates the relevance of including the atmospheric motions in that context. In this doctoral thesis the large-scale transport of air over the eastern Mediterranean region during summer 2001, with a focus on August during the Mediterranean Intensive Oxidant Study (MINOS) measurement campaign, was investigated from a lagrangian perspective. Analysis of back trajectories demonstrated transport of polluted air masses from western and eastern Europe in the boundary layer, from the North Atlantic/North American area in the middle end upper troposphere and additionally from South Asia in the upper troposphere towards the eastern Mediterranean. Investigation of air mass transport near the tropopause indicated enhanced cross-tropopause transport relative to the surrounding area over the eastern Mediterranean region in summer. A large band of air mass transport across the dynamical tropopause develops in June, and is shifted toward higher latitudes in July and August. This shifting is associated with the development and the intensification of the Arabian and South Asian upper-level anticyclones and consequential with areas of maximum clear-air turbulence, hypothesizing quasi-permanent areas with turbulent mixing of tropospheric and stratospheric air during summer over the eastern Mediterranean as a result of large-scale synoptic circulation. In context with the latex knowledge about the transport of polluted air masses towards the Mediterranean and with increasing emissions, especially in developing countries like India, this likely gains in importance.

Dynamik diabatischer Rossby-Wellen

Diabatische Rossby-Wellen (DRWs) sind zyklonale Wirbel in der unteren Troposphäre, welche sich durch einen thermodynamisch-dynamischen Mechanismus kontinuierlich regenerieren und dabei schnell propagieren können. Vorangehende Untersuchungen schreiben derartigen zyklonalen Wirbeln das Potential zu, unter Wechselwirkung mit einer Anomalie an der Tropopause eine rapide Zyklonenintensivierung und folglich extreme Wetterereignisse hervorrufen zu können. DRWs wurden bisher meist in idealisierten Studien untersucht, woraus sich noch einige offene Fragen zu diesem Phänomen, besonders in realen Modelldaten, ergeben.rnrnIm Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Fallstudie einer DRW, die im Dezember 2005 über dem Nordatlantik auftrat. Der Lebenszyklus des Systems ist über mehrere Tage und durch verschiedene Phasen verfolgbar und resultiert in einer explosiven Druckvertiefung. Zur Untersuchung der Fallstudie wurde mit operationellen Daten eines Globalmodelles sowie mit den Resultaten eines feinskaligeren Regionalmodelles gearbeitet, auf welche unterschiedliche Analysewerkzeuge angewendet wurden. rnrnDie eingehende Untersuchung der Propagationsphase der DRW bekräftigte das Vorhandensein von genügend Feuchte und Baroklinität als essentiell für den Propagationsmechanismus und die Intensität der DRW. Während der Propagationsphase arbeitet der selbsterhaltende DRW-Mechanismus unabhängig von einer von den Wellen an der Tropopause ausgehenden Anregung. Sensitivitätsstudien mit dem Regionalmodell, in denen die Umgebungsbedingungen der DRW lokal modifiziert wurden, ergaben, dass die Propagation einen relativ robusten Ablauf darstellt. Dementsprechend war in den vier untersuchten operationellen Vorhersagen die Propagationsphase gut wiedergegeben, während die rapide Intensivierung, wie sie gemäß den Analysen aufgetreten ist, von zwei der Vorhersagen verfehlt wurde.rnrnBei der Untersuchung der Intensivierungsphase stellten sich die Position und die zeitliche Abstimmung der Bewegung der Anomalie an der Tropopause relativ zur DRW in der unteren Troposphäre sowie die Stärke der Systeme als entscheidende Einflussfaktoren heraus. In den Entwicklungen der Sensitivitätssimulationen deutete sich an, dass ein unabhängig von der DRW an geeigneter Position entstandener zyklonaler Wirbel konstruktiver zu einer starken Zyklonenintensivierung beitragen kann als die DRW.rnrnIm zweiten Teil der Arbeit wurde ein Datensatz über die Nordhemisphäre für die Jahre 2004-2008 hinsichtlich des geographischen Vorkommens und der Intensivierung von DRWs untersucht. DRWs ereigneten sich in diesem Zeitraum über dem Atlantik (255 DRWs) halb so oft wie über dem Pazifik (515 DRWs). Ihre Entstehungsgebiete befanden sich über den Ostteilen der Kontinente und den Westhälften der Ozeane. Die Zugbahnen folgten größtenteils der baroklinen Zone der mittleren Breiten. Von den erfassten DRWs intensivierten sich im Atlanik 16% zu explosiven Tiefdruckgebieten, über dem Pazifik liegt der Anteil mit 11% etwas niedriger. Damit tragen DRWs zu etwa 20% der sich explosiv intensivierenden außertropischen Zyklonen bei.

Potential vorticity and moisture in extratropical cyclones : climatology and sensitivity experiments

The development of extratropical cyclones can be seen as an interplay of three positive potential vorticity (PV) anomalies: an upper-level stratospheric intrusion, low-tropospheric diabatically produced PV, and a warm anomaly at the surface acting as a surrogate PV anomaly. In the mature stage they become vertically aligned and form a “PV tower” associated with strong cyclonic circulation. This paradigm of extratropical cyclone development provides the basis of this thesis, which will use a climatological dataset and numerical model experiments to investigate the amplitude of the three anomalies and the processes leading in particular to the formation of the diabatically produced low-tropospheric PV anomaly.rnrnThe first part of this study, based on the interim ECMWF Re-Analysis (ERA-Interim) dataset, quantifies the amplitude of the three PV anomalies in mature extratropical cyclones in different regions in the Northern Hemisphere on a climatological basis. A tracking algorithm is applied to sea level pressure (SLP) fields to identify cyclone tracks. Surface potential temperature anomalies ∆θ and vertical profiles of PV anomalies ∆PV are calculated at the time of the cyclones’ minimum SLP and during the intensification phase 24 hours before in a vertical cylinder with a radius of 200 km around the surface cyclone center. To compare the characteristics of the cyclones, they are grouped according to their location (8 regions) and intensity, where the central SLP is used as a measure of intensity. Composites of ∆PV profiles and ∆θ are calculated for each region and intensity class at the time of minimum SLP and during the cyclone intensification phase.rnrnDuring the cyclones’ development stage the amplitudes of all three anomalies increase on average. In the mature stage all three anomalies are typically larger for intense than for weak winter cyclones [e.g., 0.6 versus 0.2 potential vorticity units (PVU) at lower levels, and 1.5 versus 0.5 PVU at upper levels].rnThe regional variability of the cyclones’ vertical structure and the profile evolution is prominent (cyclones in some regions are more sensitive to the amplitude of a particular anomaly than in other regions). Values of ∆θ and low-level ∆PV are on average larger in the western parts of the oceans than in the eastern parts. In addition, a large seasonal variability can be identified, with fewer and weaker cyclones especially in the summer, associated with higher low-tropospheric PV values, but also with a higher tropopause and much weaker surface potential temperature anomalies (compared to winter cyclones).rnrnIn the second part, we were interested in the diabatic low-level part of PV towers. Evaporative sources were identified of moisture that was involved in PV production through condensation. Lagrangian backward trajectories were calculated from the region with high PV values at low-levels in the cyclones. PV production regions were identified along these trajectories and from these regions a new set of backward trajectories was calculated and moisture uptakes were traced along them. The main contribution from surface evaporation to the specific humidity of the trajectories is collected 12-72 hours prior to therntime of PV production. The uptake region for weaker cyclones with less PV in the centre is typically more localized with reduced uptake values compared to intense cyclones. However, in a qualitative sense uptakes and other variables along single trajectories do not vary much between cyclones of different intensity in different regions.rnrnA sensitivity study with the COSMO model comprises the last part of this work. The study aims at investigating the influence of synthetic moisture modification in the cyclone environment in different stages of its development. Moisture was eliminated in three regions, which were identified as important moisture source regions for PV production. Moisture suppression affected the cyclone the most in its early phase. It led to cyclolysis shortly after its genesis. Nevertheles, a new cyclone formed on the other side of a dry box and developed relatively quickly. Also in other experiments, moisture elimination led to strong intensity reduction of the surface cyclone, limited upper-level development, and delayed or missing interaction between the two.rnrnIn summary, this thesis provides novel insight into the structure of different intensity categories of extratropical cyclones from a PV perspective, which corroborates the findings from a series of previous case studies. It reveals that all three PV anomalies are typically enhanced for more intense cyclones, with important regional differences concerning the relative amplitude of the three anomalies. The moisture source analysis is the first of this kind to study the evaporation-condensation cycle related to the intensification of extratropical cyclones. Interestingly, most of the evaporation occurs during the 3 days prior to the time of maximum cyclone intensity and typically extends over fairly large areas along the track of the cyclone. The numerical model case study complements this analysis by analyzing the impact of regionally confined moisture sources for the evolution of the cyclone.

Near-field mediated enhancement effects on plasmonic nanostructures

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung und Charakterisierung der Zwei-Photonen-induzierten Fluoreszenzverstärkung von organischen Farbstoffen auf plasmonischen Nanostrukturen vorgestellt. Diese Fluoreszenzverstärkung ist insbesondere für hochaufgelöste Fluoreszenzmikroskopie und Einzelmolekülspektroskopie von großer Bedeutung. Durch die Zwei-Photonen-Anregung resultiert eine Begrenzung des Absorptionsprozesses auf das fokale Volumen. In Kombination mit dem elektrischen Nahfeld der Nanostrukturen als Anregungsquelle entsteht eine noch stärkere Verringerung des Anregungsvolumens auf eine Größe unterhalb der Beugungsgrenze. Dies erlaubt die selektive Messung ausgewählter Farbstoffe. Durch die Herstellung der Nanopartikel mittels Kolloidlithografie wird eine definierte, reproduzierbare Geometrie erhalten. Polymermultischichten dienen als Abstandshalter, um die Farbstoffe an einer exakten Distanz zum Metall zu positionieren. Durch die kovalente Anbindung des Farbstoffs an die oberste Schicht wird eine gleichmäßige Verteilung des Farbstoffs in geringer Konzentration erhalten. rnEs wird eine Verstärkung der Fluoreszenz um den Faktor 30 für Farbstoffe auf Goldellipsen detektiert, verglichen mit Farbstoffen außerhalb des Nahfelds. Sichelförmige Nanostrukturen erzeugen eine Verstärkung von 120. Dies belegt, dass das Ausmaß der Fluoreszenzverstärkung entscheidend von der Stärke des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur abhängt. Auch das Material der Nanostruktur ist hierbei von Bedeutung. So erzeugen Silberellipsen eine 1,5-fach höhere Fluoreszenzverstärkung als identische Goldellipsen. Distanzabhängige Fluoreszenzmessungen zeigen, dass die Zwei-Photonen-angeregte Fluoreszenzverstärkung an strukturspezifischen Abständen zum Metall maximiert wird. Elliptische Strukturen zeigen ein Maximum bei einem Abstand von 8 nm zum Metall, wohingegen bei sichelförmigen Nanostrukturen die höchste Fluoreszenzintensität bei 12 nm gemessen wird. Bei kleineren Abständen unterliegt der Farbstoff einem starken Löschprozess, sogenanntes Quenching. Dieses konkurriert mit dem Verstärkungsprozess, wodurch es zu einer geringen Nettoverstärkung kommt. Hat die untersuchte Struktur Dimensionen größer als das Auflösungsvermögen des Mikroskops, ist eine direkte Visualisierung des elektrischen Nahfelds der Nanostruktur möglich. rnrnEin weiterer Fokus dieser Arbeit lag auf der Herstellung neuartiger Nanostrukturen durch kolloidlithografische Methoden. Gestapelte Dimere sichelförmiger Nanostrukturen mit exakter vertikaler Ausrichtung und einem Separationsabstand von etwa 10 nm wurden hergestellt. Die räumliche Nähe der beiden Strukturen führt zu einem Kopplungsprozess, der neue optische Resonanzen hervorruft. Diese können als Superpositionen der Plasmonenmoden der einzelnen Sicheln beschrieben werden. Ein Hybridisierungsmodell wird angewandt, um die spektralen Unterschiede zu erklären. Computersimulationen belegen die zugrunde liegende Theorie und erweitern das Modell um experimentell nicht aufgelöste Resonanzen. rnWeiterhin wird ein neuer Herstellungsprozess für sichelförmige Nanostrukturen vorgestellt, der eine präzise Formanpassung ermöglicht. Hierdurch kann die Lage der Plasmonenresonanz exakt justiert werden. Korrelationen der geometrischen Daten mit den Resonanzwellenlängen tragen zum grundlegenden Verständnis der Plasmonenresonanzen bei. Die vorgestellten Resultate wurden mittels Computersimulationen verifiziert. Der Fabrikationsprozess erlaubt die Herstellung von Dimeren sichelförmiger Nanostrukturen in einer Ebene. Durch die räumliche Nähe überlappen die elektrischen Nahfelder, wodurch es zu kopplungs-induzierten Shifts der Plasmonenresonanzen kommt. Der Unterschied zu theoretisch berechneten ungekoppelten Nanosicheln kann auch bei den gegenüberliegenden sichelförmigen Nanostrukturen mit Hilfe des Plasmonenhybridisierungsmodells erklärt werden.