Air-gap based vertical cavity micro-opto-electro-mechanical Fabry-Perot filters

Mikrooptische Filter sind heutzutage in vielen Bereichen in der Telekommunikation unersetzlich. Wichtige Einsatzgebiete sind aber auch spektroskopische Systeme in der Medizin-, Prozess- und Umwelttechnik. Diese Arbeit befasst sich mit der Technologieentwicklung und Herstellung von luftspaltbasierenden, vertikal auf einem Substrat angeordneten, oberflächenmikromechanisch hergestellten Fabry-Perot-Filtern. Es werden zwei verschiedene Filtervarianten, basierend auf zwei verschiedenen Materialsystemen, ausführlich untersucht. Zum einen handelt es sich dabei um die Weiterentwicklung von kontinuierlich mikromechanisch durchstimmbaren InP / Luftspaltfiltern; zum anderen werden neuartige, kostengünstige Siliziumnitrid / Luftspaltfilter wissenschaftlich behandelt. Der Inhalt der Arbeit ist so gegliedert, dass nach einer Einleitung mit Vergleichen zu Arbeiten und Ergebnissen anderer Forschergruppen weltweit, zunächst einige theoretische Grundlagen zur Berechnung der spektralen Reflektivität und Transmission von beliebigen optischen Schichtanordnungen aufgezeigt werden. Auß erdem wird ein kurzer theoretischer Ü berblick zu wichtigen Eigenschaften von Fabry-Perot-Filtern sowie der Möglichkeit einer mikromechanischen Durchstimmbarkeit gegeben. Daran anschließ end folgt ein Kapitel, welches sich den grundlegenden technologischen Aspekten der Herstellung von luftspaltbasierenden Filtern widmet. Es wird ein Zusammenhang zu wichtigen Referenzarbeiten hergestellt, auf denen diverse Weiterentwicklungen dieser Arbeit basieren. Die beiden folgenden Kapitel erläutern dann ausführlich das Design, die Herstellung und die Charakterisierung der beiden oben erwähnten Filtervarianten. Abgesehen von der vorangehenden Epitaxie von InP / GaInAs Schichten, ist die Herstellung der InP / Luftspaltfilter komplett im Institut durchgeführt worden. Die Herstellungsschritte sind ausführlich in der Arbeit erläutert, wobei ein Schwerpunktthema das trockenchemische Ä tzen von InP sowie GaInAs, welches als Opferschichtmaterial für die Herstellung der Luftspalte genutzt wurde, behandelt. Im Verlauf der wissenschaftlichen Arbeit konnten sehr wichtige technische Verbesserungen entwickelt und eingesetzt werden, welche zu einer effizienteren technologischen Herstellung der Filter führten und in der vorliegenden Niederschrift ausführlich dokumentiert sind. Die hergestellten, für einen Einsatz in der optischen Telekommunikation entworfenen, elektrostatisch aktuierbaren Filter sind aus zwei luftspaltbasierenden Braggspiegeln aufgebaut, welche wiederum jeweils 3 InP-Schichten von (je nach Design) 357nm bzw. 367nm Dicke aufweisen. Die Filter bestehen aus im definierten Abstand parallel übereinander angeordneten Membranen, die über Verbindungsbrücken unterschiedlicher Anzahl und Länge an Haltepfosten befestigt sind. Da die mit 357nm bzw. 367nm vergleichsweise sehr dünnen Schichten freitragende Konstrukte mit bis zu 140 nm Länge bilden, aber trotzdem Positionsgenauigkeiten im nm-Bereich einhalten müssen, handelt es sich hierbei um sehr anspruchsvolle mikromechanische Bauelemente. Um den Einfluss der zahlreichen geometrischen Strukturparameter studieren zu können, wurden verschiedene laterale Filterdesigns implementiert. Mit den realisierten Filter konnte ein enorm weiter spektraler Abstimmbereich erzielt werden. Je nach lateralem Design wurden internationale Bestwerte für durchstimmbare Fabry-Perot-Filter von mehr als 140nm erreicht. Die Abstimmung konnte dabei kontinuierlich mit einer angelegten Spannung von nur wenigen Volt durchgeführt werden. Im Vergleich zu früher berichteten Ergebnissen konnten damit sowohl die Wellenlängenabstimmung als auch die dafür benötigte Abstimmungsspannung signifikant verbessert werden. Durch den hohen Brechungsindexkontrast und die geringe Schichtdicke zeigen die Filter ein vorteilhaftes, extrem weites Stopband in der Größ enordnung um 550nm. Die gewählten, sehr kurzen Kavitätslängen ermöglichen einen freien Spektralbereich des Filters welcher ebenfalls in diesen Größ enordnungen liegt, so dass ein weiter spektraler Einsatzbereich ermöglicht wird. Während der Arbeit zeigte sich, dass Verspannungen in den freitragenden InPSchichten die Funktionsweise der mikrooptischen Filter stark beeinflussen bzw. behindern. Insbesondere eine Unterätzung der Haltepfosten und die daraus resultierende Verbiegung der Ecken an denen sich die Verbindungsbrücken befinden, führte zu enormen vertikalen Membranverschiebungen, welche die Filtereigenschaften verändern. Um optimale Ergebnisse zu erreichen, muss eine weitere Verbesserung der Epitaxie erfolgen. Jedoch konnten durch den zusätzlichen Einsatz einer speziellen Schutzmaske die Unterätzung der Haltepfosten und damit starke vertikale Verformungen reduziert werden. Die aus der Verspannung resultierenden Verformungen und die Reaktion einzelner freistehender InP Schichten auf eine angelegte Gleich- oder Wechselspannung wurde detailliert untersucht. Mittels Weisslichtinterferometrie wurden lateral identische Strukturen verglichen, die aus unterschiedlich dicken InP-Schichten (357nm bzw. 1065nm) bestehen. Einen weiteren Hauptteil der Arbeit stellen Siliziumnitrid / Luftspaltfilter dar, welche auf einem neuen, im Rahmen dieser Dissertation entwickelten, technologischen Ansatz basieren. Die Filter bestehen aus zwei Braggspiegeln, die jeweils aus fünf 590nm dicken, freistehenden Siliziumnitridschichten aufgebaut sind und einem Abstand von 390nm untereinander aufweisen. Die Filter wurden auf Glassubstraten hergestellt. Der Herstellungsprozess ist jedoch auch mit vielen anderen Materialien oder Prozessen kompatibel, so dass z.B. eine Integration mit anderen Bauelemente relativ leicht möglich ist. Die Prozesse dieser ebenfalls oberflächenmikromechanisch hergestellten Filter wurden konsequent auf niedrige Herstellungskosten optimiert. Als Opferschichtmaterial wurde hier amorph abgeschiedenes Silizium verwendet. Der Herstellungsprozess beinhaltet die Abscheidung verspannungsoptimierter Schichten (Silizium und Siliziumnitrid) mittels PECVD, die laterale Strukturierung per reaktiven Ionenätzen mit den Gasen SF6 / CHF3 / Ar sowie Fotolack als Maske, die nasschemische Unterätzung der Opferschichten mittels KOH und das Kritisch-Punkt-Trocken der Proben. Die Ergebnisse der optischen Charakterisierung der Filter zeigen eine hohe Ü bereinstimmung zwischen den experimentell ermittelten Daten und den korrespondierenden theoretischen Modellrechnungen. Weisslichtinterferometermessungen der freigeätzten Strukturen zeigen ebene Filterschichten und bestätigen die hohe vertikale Positioniergenauigkeit, die mit diesem technologischen Ansatz erreicht werden kann.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

GaInAsP-basierende Resonatorstrukturen

Physikalische Grundlagenforschung und anwendungsorientierte physikalische Forschung auf den Gebieten nanoskaliger kristalliner und amorpher fester Körper haben in vielfacher Weise eine große Bedeutung. Neben dem Verständnis für die Struktur der Materie und die Wechselwirkung von Objekten von der Größe einiger Atome ist die Erkenntnis über die physikalischen Eigenschaften nanostrukturierter Systeme von hohem Interesse. Diese Forschung eröffnet die Möglichkeit, die mit der Mikroelektronik begonnene Miniaturisierung fortzusetzen und wird darüber hinaus neue Anwendungsfelder eröffnen. Das Erarbeiten der physikalischen Grundlagen der Methoden zur Herstellung und Strukturierung ist dabei zwingend notwendig, da hier Wirkungsprinzipien dominieren, die erst bei Strukturgrößen im Nanometerbereich auftreten oder hinreichend stark ausgeprägt sind. Insbesondere Halbleitermaterialien sind hier von großem Interesse. Die in dieser Arbeit untersuchten Resonatorstrukturen, die auf dem kristallinen Verbindungshalbleitermaterial GaInAsP/InP basieren, erschließen wichtige Anwendungsfelder im Bereich der optischen Datenübertragung sowie der optischen Sensorik. Hergestellt wird das Halbleitermaterial mit der Metallorganischen Gasphasenepitaxie. Die experimentell besimmten Kenngrößen lassen Rückschlüsse auf die Güte der Materialien, die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien und die Bauelementcharakteristik zu und führen zu optimal angepassten Kristallstrukturen. Auf Basis dieser optimierten Materialien wurde ein durchstimmbarer Fabry-Perot-Filter hergestellt, der aus einer Kombination aus InP-Membranen und Luftspalten besteht und elektromechanisch aktuiert werden kann. Das GaInAsP dient hierbei als wenige hundert nm dicke Opferschicht, die ätztechnisch hochselektiv beseitigt wird. Die Qualität der Grenzflächen zum InP ist entscheidend für die Qualität der freigeätzten Kavitäten und damit für die mechanische Gesamtstabilität der Struktur. Der in dieser Arbeit beschriebene Filter hat eine Zentralwellenlänge im Bereich von 1550 nm und weist einen Durchstimmbereich von 221 nm auf. Erzielt wurde dieser Wert durch ein konsistentes Modell der wirkenden Verspannungskomponenten und einer optimierten epitaktischen Kontrolle der Verspannungsparameter. Das realisierte Filterbauelement ist vielversprechend für den Einsatz in der optischen Kommunikation im Bereich von WDM (wavelength division multiplexing) Anwendungen. Als weitere Resonatorstrukur wurde ein Asymmetrisch gekoppelter Quantenfilm als optisch aktives Medium, bestehend aus GaInAsP mit variierender Materialkomposition und Verspannung, untersucht, um sein Potential für eine breitbandige Emission zu untersuchen und mit bekannten Modellen zu vergleichen. Als Bauelementdesign wurde eine kantenemittierende Superlumineszenzleuchtdiode gewählt. Das Ergebnis ist eine Emissionskurve von 100 nm, die eine höhere Unabhängigkeit vom Injektionsstrom aufweist als andere bekannte Konzepte. Die quantenmechanischen Wirkungsprinzipien - im wesentlichen die Kopplung der beiden asymmetrischen Potentialtöpfe und die damit verbundene Kopplung der Wellenfunktionen - werden qualitativ diskutiert. Insgesamt bestätigt sich die Eignung des Materials GaInAsP auch für neuartige, qualitativ höchst anspruchsvolle Resonatorstrukturen und die Bedeutung der vorgestellten und untersuchten Resonatorkonzepte. Die vorgestellten Methoden, Materialien und Bauelemente liefern aufgrund ihrer Konzeption und der eingehenden experimentellen Untersuchungen einen Beitrag sowohl zu den zugrunde liegenden mechanischen, optoelektronischen und quantenmechanischen Wirkungsprinzipien der Strukturen, als auch zur Realisierung neuer optoelektronischer Bauelemente.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.

Dam wall detection and tracking using a Mechanically Scanned Imaging Sonar

In dam inspection tasks, an underwater robot has to grab images while surveying the wall meanwhile maintaining a certain distance and relative orientation. This paper proposes the use of an MSIS (mechanically scanned imaging sonar) for relative positioning of a robot with respect to the wall. An imaging sonar gathers polar image scans from which depth images (range & bearing) are generated. Depth scans are first processed to extract a line corresponding to the wall (with the Hough transform), which is then tracked by means of an EKF (Extended Kalman Filter) using a static motion model and an implicit measurement equation associating the sensed points to the candidate line. The line estimate is referenced to the robot fixed frame and represented in polar coordinates (rho&thetas) which directly corresponds to the actual distance and relative orientation of the robot with respect to the wall. The proposed system has been tested in simulation as well as in water tank conditions

Construcción de un instrumento para identificar el perfil de emprendedores bogotanos de la última década

El proyecto de investigación que se trabaja centra su atención en la siguiente cuestión: determinar un instrumento de recolección que permita identificar cuáles son las competencias que caracterizan a los emprendedores bogotanos creadores de empresas de rápido crecimiento. La presente es una investigación cualitativa que busca la mejor manera de preparar a los futuros emprendedores desde la educación superior. Si se conocen las competencias que acompañan al emprendedor se puede comprender mejor su capacidad de crear empresa y así buscar una mejor manera de preparar a los futuros emprendedores. Esto es importante para la economía de un país en general, máxime cuando se dan situaciones de depresión económica como el desempleo que se vive en la actualidad. “La creación y el desarrollo de nuevas empresas contribuye decisivamente a lograr el deseado bienestar para la sociedad, dado que permite incrementar el nivel de empleo, impulsar la innovación y mejorar la competitividad” (Acs, Audretch, & Braunerhjelm, 2006, pág. 83). La investigación abarca la búsqueda de competencias a nivel mundial basándose en estudios realizados por diferentes autores (Alles, Durán, Goleman, Shipmann, Varela, Boyatsis, Mc. Clelland y Blancero). El objetivo es desarrollar un instrumento que permita recolectar información de emprendedores bogotanos exitosos, con base en la clasificación de competencias que se realice a lo largo de la investigación.

Modelación estocástica y trading algorítmico del spread entre acciones mediante procesos de reversión a la media

Las estrategias de inversión pairs trading se basan en desviaciones del precio entre pares de acciones correlacionadas y han sido ampliamente implementadas por fondos de inversión tomando posiciones largas y cortas en las acciones seleccionadas cuando surgen divergencias y obteniendo utilidad cerrando la posición al converger. Se describe un modelo de reversión a la media para analizar la dinámica que sigue el diferencial del precio entre acciones ordinarias y preferenciales de una misma empresa en el mismo mercado. La media de convergencia en el largo plazo es obtenida con un filtro de media móvil, posteriormente, los parámetros del modelo de reversión a la media se estiman mediante un filtro de Kalman bajo una formulación de estado espacio sobre las series históricas. Se realiza un backtesting a la estrategia de pairs trading algorítmico sobre el modelo propuesto indicando potenciales utilidades en mercados financieros que se observan por fuera del equilibrio. Aplicaciones de los resultados podrían mostrar oportunidades para mejorar el rendimiento de portafolios, corregir errores de valoración y sobrellevar mejor periodos de bajos retornos.

La estructura a plazos del riesgo interbancario

Este documento propone un modelo para la estructura a plazos del riesgo interbancario a partir del spread entre los Interest Rate Swap (IRS) y los Overnight Indexed Swaps (OIS) en dólares durante la crisis financiera 2007-08 y la crisis del euro en 2010. Adicionalmente hace la descomposición del riesgo interbancario entre riesgo de default y no-default (liquidez). Los resultados sugieren que la crisis financiera tuvo importantes repercusiones en la estructura a plazos del riesgo interbancario y sus componentes: en los años previos a la crisis, el riesgo de no-default explicaba la mayor parte del riesgo interbancario; durante la crisis y posterior a ella, el riesgo de default conducía el comportamiento del riesgo interbancario. Adicionalmente, se encuentra que, a partir de la estructura a plazos de cada componente del riesgo interbancario, la crisis financiera se caracterizó por ser un problema más de corto que de largo plazo, en contraste con la crisis del euro de 2010. Estos resultados siguen lo propuesto por Filipovic & Trolle (2012) y dejan importantes implicaciones sobre el riesgo interbancario durante los periodos de stress financiero.

Modelo para la implementación de procesos de Eco Innovación en el sector industrial Colombiano

El objetivo de este trabajo es presentar un modelo de implementación, aplicación y medición de diferentes procesos de eco-innovación al interior de una empresa. Para lograr este fin, se presenta una estructura donde se evalúan los procesos productivos del sector industrial colombiano y su relación con la eco-innovación, esto para realizar un filtro dentro de la propuesta y poder dirigir el proyecto a empresas idóneas para adoptar un modelo eco-innovador. Este modelo está basado en diferentes métodos de desarrollo de conceptos como lo son la innovación, el desarrollo sostenible y un término que en los últimos tiempos ha venido tomando fuerza dentro del sector empresarial mundial, el término Eco-amigable. Este término será entonces una base para la relación de los procesos productivos con la adaptación de la eco-innovación para generar un desarrollo sostenible referente al ambiente y un posicionamiento empresarial industrial dentro de un mercado altamente competitivo.

La estructura a plazos del riesgo interbancario

Este documento propone un modelo para la estructura a plazos del riesgo interbancario a partir del spread entre los Interest Rate Swap (IRS) y los Overnight Indexed Swaps (OIS) en dólares durante la crisis financiera 2007-08 y la crisis del euro en 2010. Adicionalmente hace la descomposición del riesgo interbancario entre riesgo de default y no-default (liquidez). Los resultados sugieren que la crisis financiera tuvo importantes repercusiones en la estructura a plazos del riesgo interbancario y sus componentes: en los años previos a la crisis, el riesgo de no-default explicaba la mayor parte del riesgo interbancario; durante la crisis y posterior a ella, el riesgo de default conducía el comportamiento del riesgo interbancario. Adicionalmente, se encuentra que, a partir de la estructura a plazos de cada componente del riesgo interbancario, la crisis financiera se caracterizó por ser un problema más de corto que de largo plazo, en contraste con la crisis del euro de 2010. Estos resultados siguen lo propuesto por Filipovic & Trolle (2012) y dejan importantes implicaciones sobre el riesgo interbancario durante los periodos de stress financiero.

La disonancia cognitiva y trampa de la memoria en decisiones de Inversión: caso colombiano

Este documento es el resultado de una investigación bajo el enfoque de Finanzas Corporativas del Comportamiento, disciplina relevante en el mundo financiero desde el 2002 y que hasta el momento poco se ha investigado en Colombia. Esta difiere del supuesto tradicional de la racionalidad de los individuos en la toma de decisiones financieras, ya que pueden ser influenciadas por sesgos cognitivos y emocionales que la teoría ortodoxa no tiene en cuenta en sus supuestos. Esta investigación busca indagar, desde el punto de vista conceptual y mediante el análisis de resultados de estudio de campo con operadores del mercado bursátil colombiano, sobre la posible presencia de elementos comportamentales en las decisiones de inversión. Los sesgos que se evaluaron fueron: disonancia cognitiva, heurístico de disponibilidad y sesgo de confirmación. Para la recolección de fuentes primarias, una encuesta fue enviada a los operadores Colombianos, categorizados en operadores con experiencia y operadores jóvenes. Después del filtro, 142 encuestas fueron seleccionadas para el análisis. Los principales hallazgos fueron que los jóvenes son más propensos a experimentar disonancia cognitiva y heurístico de disponibilidad y en ambas categorías, los sesgos analizados influencian medianamente la toma de decisiones de inversión.

Sensitivity of feature-based analysis methods of storm tracks to the form of background field removal

For the tracking of extrema associated with weather systems to be applied to a broad range of fields it is necessary to remove a background field that represents the slowly varying, large spatial scales. The sensitivity of the tracking analysis to the form of background field removed is explored for the Northern Hemisphere winter storm tracks for three contrasting fields from an integration of the U. K. Met Office's (UKMO) Hadley Centre Climate Model (HadAM3). Several methods are explored for the removal of a background field from the simple subtraction of the climatology, to the more sophisticated removal of the planetary scales. Two temporal filters are also considered in the form of a 2-6-day Lanczos filter and a 20-day high-pass Fourier filter. The analysis indicates that the simple subtraction of the climatology tends to change the nature of the systems to the extent that there is a redistribution of the systems relative to the climatological background resulting in very similar statistical distributions for both positive and negative anomalies. The optimal planetary wave filter removes total wavenumbers less than or equal to a number in the range 5-7, resulting in distributions more easily related to particular types of weather system. For the temporal filters the 2-6-day bandpass filter is found to have a detrimental impact on the individual weather systems, resulting in the storm tracks having a weak waveguide type of behavior. The 20-day high-pass temporal filter is less aggressive than the 2-6-day filter and produces results falling between those of the climatological and 2-6-day filters.

The impact of targeted observations made during the Greenland Flow Distortion Experiment

The impact of targeted sonde observations on the 1-3 day forecasts for northern Europe is evaluated using the Met Office four-dimensional variational data assimilation scheme and a 24 km gridlength limited-area version of the Unified Model (MetUM). The targeted observations were carried out during February and March 2007 as part of the Greenland Flow Distortion Experiment, using a research aircraft based in Iceland. Sensitive area predictions using either total energy singular vectors or an ensemble transform Kalman filter were used to predict where additional observations should be made to reduce errors in the initial conditions of forecasts for northern Europe. Targeted sonde data was assimilated operationally into the MetUM. Hindcasts show that the impact of the sondes was mixed. Only two out of the five cases showed clear forecast improvement; the maximum forecast improvement seen over the verifying region was approximately 5% of the forecast error 24 hours into the forecast. These two cases are presented in more detail: in the first the improvement propagates into the verification region with a developing polar low; and in the second the improvement is associated with an upper-level trough. The impact of cycling targeted data in the background of the forecast (including the memory of previous targeted observations) is investigated. This is shown to cause a greater forecast impact, but does not necessarily lead to a greater forecast improvement. Finally, the robustness of the results is assessed using a small ensemble of forecasts.

Comparing sampling needs for variograms of soil properties computed by the method of moments and residual maximum likelihood

It has been generally accepted that the method of moments (MoM) variogram, which has been widely applied in soil science, requires about 100 sites at an appropriate interval apart to describe the variation adequately. This sample size is often larger than can be afforded for soil surveys of agricultural fields or contaminated sites. Furthermore, it might be a much larger sample size than is needed where the scale of variation is large. A possible alternative in such situations is the residual maximum likelihood (REML) variogram because fewer data appear to be required. The REML method is parametric and is considered reliable where there is trend in the data because it is based on generalized increments that filter trend out and only the covariance parameters are estimated. Previous research has suggested that fewer data are needed to compute a reliable variogram using a maximum likelihood approach such as REML, however, the results can vary according to the nature of the spatial variation. There remain issues to examine: how many fewer data can be used, how should the sampling sites be distributed over the site of interest, and how do different degrees of spatial variation affect the data requirements? The soil of four field sites of different size, physiography, parent material and soil type was sampled intensively, and MoM and REML variograms were calculated for clay content. The data were then sub-sampled to give different sample sizes and distributions of sites and the variograms were computed again. The model parameters for the sets of variograms for each site were used for cross-validation. Predictions based on REML variograms were generally more accurate than those from MoM variograms with fewer than 100 sampling sites. A sample size of around 50 sites at an appropriate distance apart, possibly determined from variograms of ancillary data, appears adequate to compute REML variograms for kriging soil properties for precision agriculture and contaminated sites. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

The ASSET intercomparison of ozone analyses: method and first results

This paper aims to summarise the current performance of ozone data assimilation (DA) systems, to show where they can be improved, and to quantify their errors. It examines 11 sets of ozone analyses from 7 different DA systems. Two are numerical weather prediction (NWP) systems based on general circulation models (GCMs); the other five use chemistry transport models (CTMs). The systems examined contain either linearised or detailed ozone chemistry, or no chemistry at all. In most analyses, MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) ozone data are assimilated; two assimilate SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Chartography) observations instead. Analyses are compared to independent ozone observations covering the troposphere, stratosphere and lower mesosphere during the period July to November 2003. Biases and standard deviations are largest, and show the largest divergence between systems, in the troposphere, in the upper-troposphere/lower-stratosphere, in the upper-stratosphere and mesosphere, and the Antarctic ozone hole region. However, in any particular area, apart from the troposphere, at least one system can be found that agrees well with independent data. In general, none of the differences can be linked to the assimilation technique (Kalman filter, three or four dimensional variational methods, direct inversion) or the system (CTM or NWP system). Where results diverge, a main explanation is the way ozone is modelled. It is important to correctly model transport at the tropical tropopause, to avoid positive biases and excessive structure in the ozone field. In the southern hemisphere ozone hole, only the analyses which correctly model heterogeneous ozone depletion are able to reproduce the near-complete ozone destruction over the pole. In the upper-stratosphere and mesosphere (above 5 hPa), some ozone photochemistry schemes caused large but easily remedied biases. The diurnal cycle of ozone in the mesosphere is not captured, except by the one system that includes a detailed treatment of mesospheric chemistry. These results indicate that when good observations are available for assimilation, the first priority for improving ozone DA systems is to improve the models. The analyses benefit strongly from the good quality of the MIPAS ozone observations. Using the analyses as a transfer standard, it is seen that MIPAS is similar to 5% higher than HALOE (Halogen Occultation Experiment) in the mid and upper stratosphere and mesosphere (above 30 hPa), and of order 10% higher than ozonesonde and HALOE in the lower stratosphere (100 hPa to 30 hPa). Analyses based on SCIAMACHY total column are almost as good as the MIPAS analyses; analyses based on SCIAMACHY limb profiles are worse in some areas, due to problems in the SCIAMACHY retrievals.