Willkommen zum Trainingsmodul des Projekts "Atmosphärenwache in Bern"!

Einleitung und Motivation:

• Diese Aktivität vermittelt Ihnen Erfahrung in der Datenanalyse von Messungen. Wir konzentrieren uns hier auf die Zeitreihenanalyse atmosphärischer Beobachtungen mit der Programmiersprache Python. Zeitreihenanalyse von realen Daten macht Spaß und spielt eine wichtige Rolle in Geowissenschaften, Wirtschaft, Biologie, Sozialwissenschaften, Astronomie... Die Suche nach einem schwachen und versteckten Signal in einem Datensatz kann wie das Schürfen nach Gold sein.
• Sie erwerben Kenntnisse über Erdatmosphäre, Klimawandel, Messinstrumente und Programmierung.
• Sie erhalten Einblicke in die tägliche Arbeit in der Atmosphärenforschung. Man muss kein Genie wie Albert Einstein sein, wenn man später gerne in Wissenschaft und Forschung arbeitet. Wenn Sie das Gefühl haben, dass Sie während der Python-Vorlesung zu viel Zeit mit einem speziellen Problem verlieren, dann schauen Sie sich bitte die Beispiellösungen an, die wir ebenfalls bereitstellen.

Ausbildung 1:

Gibt es einen Trend in der Zeitreihe der Wasserdampfsäulendichte in Bern?

Was ist integrierter Wasserdampf?

Die Dichte der Wasserdampfsäule wird oft als Integrated Water Vapor (IWV) bezeichnet. IWV ist das vertikale Integral der Wasserdampfdichte (von der Oberfläche bis zum oberen Ende der Atmosphüre).

Die Einheit von IWV ist 1 kg/m² oder in der Meteorologie nehmen wir oft die Einheit 1 mm was genau 1 kg/m² entspricht.

Wenn Sie 1 Liter Wasser (=1 kg) in einen Aquarienwürfel (1 m³) füllen, dann beträgt die Höhe des Wasserspiegels 1 mm. In Bern haben wir etwa 8 bis 25 kg Wassermoleküle pro Quadratmeter in der Atmosphäre über uns.

Wir messen IWV seit November 1994 mit dem Zweikanal-Mikrowellenradiometer TROWARA (Tropospheric Water Radiometer) in Bern. TROWARA misst die Mikrowellenstrahlung (oder Intensität) bei zwei Frequenzen (21 und 31 GHz). Die beobachtete Mikrowellenstrahlung hängt von der Jahreszeit ab: In der Sommeratmosphäre befinden sich mehr Wassermoleküle als in der Winteratmosphäre. Da die Wassermoleküle Mikrowellen aussenden, ist die Mikrowellenstrahlung im Sommer größer als im Winter. Außerdem nimmt die Mikrowellenstrahlung mit der Temperatur zu. IWV kann aus den beobachteten Strahlungen abgerufen werden.

Warum ist atmosphärischer Wasserdampf wichtig?

Wasserdampf ist das stärkste natürliche Treibhausgas. Ohne Wasserdampf würden die Ozeane zufrieren. Außerdem wird Wasserdampf für die Bildung von Wolken und Regentropfen benötigt. Wasserdampf trägt latente Wärme, die freigesetzt wird, wenn Wasserdampf kondensiert. Wasserdampf ist somit wichtig für die Dynamik, Energetik und den Strahlungshaushalt der Erdatmosphäre und für den atmosphärischen Wasserkreislauf.

Wie wirkt sich die globale Erwärmung auf den Wasserdampf aus?

Abbildung: Ein Schema der Rückkopplung von Wasserdampf auf eine Temperaturerhöhung. Temperatur und Wasserdampf werden zunehmen, bis die Atmosphäre ein neues Gleichgewicht zwischen Verdunstung von Wasser und Kondensation von Wasserdampf erreicht hat.

Tipps: Die Programmierung kann sehr unangenehm und zeitaufwändig sein. Sollten Sie bei einer speziellen Aufgabenstellung Probleme haben, dann schauen Sie bitte in die von uns ebenfalls bereitgestellten "Musterlösungen" (iwv_trend_...py-Programme).

Aufgabe 1a "Python and linear regression"

Im Terminal (Windows-Rechner: 'Win+R' und Eingabe 'cmd') Ihres Rechners können Sie zunächst prüfen, ob Sie Python haben (Befehl: python3.9 --version).

Wenn Ihr Computer kein Python hat, dann können Sie es einfach hier installieren.

Laden Sie eine ZIP-Datei (Bitte klicken Sie hier, um p1.zip herunterzuladen) mit allen Programmen und Datendateien für Training 1 herunter

Kopieren Sie es in Ihr Arbeitsverzeichnis und entpacken Sie es.

Doppelklicken Sie auf p1a.py dann öffnet sich der Python Editor IDLE.

Drücken Sie auf "Modul ausführen". Möglicherweise erhalten Sie Fehlermeldungen, da einige Softwarepakete (Bibliotheken für die Programmiersprache Python) fehlen. Das ist normal.

Sie können die Pakete in wenigen Sekunden in Ihrem Terminalfenster installieren. z.B,

pip3 install matplotlib

Eine Beschreibung des Unterprogramms linregress erhalten Sie über die Google-Suche (z.B. "python scipy linregress"). Bitte werfen Sie einen Blick darauf.

Einige Grundlagen von Python werden hier beschrieben.

Die lineare Regression wird auch "Methode der kleinsten Quadrate" genannt. Wer hat diese Methode erfunden?

Aufgabe 1b "Zeichnen Sie die Zeitreihe der monatlichen Mittelwerte des IWV und berechnen Sie die jährlichen Mittelwerte des IWV".

Führen Sie das Programm aus p1b.py

Fügen Sie einige Programmzeilen hinzu und versuchen Sie, die Zeitreihe der monatlichen IWV-Mittel zu zeichnen

Versuchen Sie, die Zeitreihe der jährlichen Mittelwerte des IWV darzustellen

Aufgabe 1c "Trendanalyse der Zeitreihe der Jahresmittelwerte des IWV"

Führen Sie das Programm aus p1c.py

• Fügen Sie einige Programmzeilen für die lineare Regression der Jahresmittel hinzu.
• Berechnen Sie den Trend und seine Unsicherheit in mm/Dekade und erstellen Sie ein Diagramm

Vergleichen Sie Ihren Trendwert mit denen von Leonie Bernet: Trends of atmospheric water vapour in Switzerland from ground-based radiometry, FTIR and GNSS data.

Infos zu Leonie Bernet: Sie hat in Fribourg Geographie studiert. Für ihre Master- und Doktorarbeit (in Klimawissenschaften) wechselte sie an das Institut für Angewandte Physik der Universität Bern. Sie erhielt 2020 den Preis für die beste Doktorarbeit an der Fakultät für Physik der Universität Bern. Nun ist sie für einen 18-monatigen Forschungsaufenthalt am Luftforschungsinstitut NILU in Oslo.

Bernet, Leonie (2020). Erkennung von Trends von stratosphärischem Ozon und troposphärischem Wasserdampf in mittleren Breiten unter Verwendung von Messungen aus mehreren Techniken (Dissertation). Universität Bern, Bern.

Bonusaufgabe 1d (falls Sie noch beschäftigt sind)

• Ist der IWV-Trend signifikant?
• Bitte berechnen Sie den relativen Trend in % pro Dekade (bezogen auf den Mittelwert der gesamten IWV-Reihe)
• Ist Wasserdampf sichtbar oder unsichtbar?
• Bitte werfen Sie einen Blick auf die Programme iwv_trend_...py.

Vielen Dank, dass Sie dieses Trainingsmodul getestet haben! Hat es Ihnen gefallen? Haben Sie Ideen für Verbesserungen? Sie erreichen uns per E-Mail: