Die Wechselwirkung zwischen der variablen großräumigen Zirkulation und arktischen regionalen Klimamustern werden untersucht. Wir werden den Grad der arktischen Verstärkung auf regionaler Skala in Rückkopplung mit großskaliger Dynamik und deren vergangenen und vorhergesagten Änderungen diagnostizieren. Die zentrale Frage ist zu welchem Grad die regionalen arktischen Klimaänderungen und arktische Verstärkung durch Änderungen in großräumigen horizontalen Wärmeflüssen, planetaren Wellenströmungen (insbesondere während plötzlicher stratosphärischer Erwärmungen), sowie durch allgemeine troposphärische und stratosphärische Zirkulationsmustern beeinflusst werden. Ausgedrückt wird diese in Form von der Variabilität der nordhemisphärischen Zirkulation, wie z. B. der Nordatlantischen Oszillation und der nördlichen jährlichen Mode.
Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen stellen einen der wesentlichen Unsicherheitsfaktoren bei Verständnis und Quantifizierung der geographischen Verteilung von Wolken- und Niederschlagseigenschaften, aber auch des Strahlungsantriebs des globalen Klimawandels dar. Die grundlegende Idee des Projekts ist es, regional unterschiedliche Trends in anthropogenenen Emissionen von Aerosolen zu nutzen, um deren Einfluss auf Trends in Wolken-, Niederschlags- und Strahlungsgrößen zu bestimmen. Hierzu sollen verschiedene Szenarien in Multi-Klimamodell-Ensembles ('historische' Simulationen mit allen Strahlungsantrieben und 'Aerosol'-Simulationen mit allen Antrieben außer anthropogenem Aerosol) analysiert werden und mit Beobachtungsdaten verglichen werden. Konkret werden vier Fragen untersucht:(i) Welche Beziehung besteht zwischen regionalen Trends in Aerosolemissionen und Wolken-Strahlungs-Effekten? - Diese Studien analysieren Simulationen aus dem Multi-Modell-Ensemble.(ii) Wie erfolgreich reproduzieren die Modelle beobachtete Trends? Hier werden die Klimamodelle mit Beobachtungsdaten verglichen.(iii) Welchen Einfluss haben Emissionstrends für Aerosole und resultierende Strahlungsantriebe auf die atmosphärische Zirkulation? Simulationen mit dem Aerosol-Klima-Modell ECHAM6-HAM2 sollen für drei Zeitscheiben durchgeführt und analysiert werden.(iv) Welche Rolle spielen Emissionstrends für Änderungen in Extremniederschlägen in Südost-Asien? - Mit speziellen Simulationen sollen die verschiedenen Hypothesen getestet werden.
Die Dynamik der Mesosphäre und unteren Thermosphäre wird zu großen Teilen von solaren Gezeiten dominiert. Eine davon ist die 6-stündige Gezeit (quarterdiurnal tide, QDT), die unter anderem in sporadischen E-Schichten und mit Hilfe von Radar- und Satellitenmessungen beobachtet wurde. Während allerdings die ganztägigen, halbtägigen, und auch 8-stündigen Gezeiten vergleichsweise gut dokumentiert und untersucht sind, sind Beobachtungen und Analysen der - weniger starken aber nichtsdestoweniger als ein Bestandteil der dynamischen Prozesse in ihrer Gesamtheit zu sehenden - 6-stündigen Komponente bislang selten. Um diese Lücke zu schließen, werden innerhalb des QuarTA-Projekts die 6-stündigen Gezeiten und ihre Antriebsmechanismen im Detail untersucht. Die Klimatologie der Gezeiten wir mit Hilfe von Meteorradarwindmessungen, vor allem der Langzeitreihe in Collm, ergänzt durch weitere Radarmessungen, erstellt. Die globale Verteilung der Gezeitenamplituden wird mit Hilfe von Ionosonden- und GPS-Radiookkultationsmessungen sporadischer E-Schichten untersucht, und die Beobachtungen in Verbindung mit Windscherungen aus Radarmessungen und numerischen Simulationen interpretiert. Um Einblick in die hauptsächlichen Anregungsmechanismen der 6-stündigen Gezeiten zu erhalten, wird ein nichtlineares mechanistisches Zirkulationsmodell, welches auch die Anregung durch Absorption solarer Strahlung enthält, verwendet. Hierbei wird, einzeln und in Kombination, die Anregung der 6-stündigen Gezeit durch Absorption solarer Strahlung und durch nichtlineare Wechselwirkung von Gezeiten in den Simulationen ausgeschaltet, so dass die Hauptantriebsquelle erkennbar wird. Innerhalb des QuarTA-Projekts wird daher, durch die Kombination von Beobachtungen und Modellsimulationen, ein vertiefter Einblick in die Klimatologie und die Anregung der 6-stündigen Gezeiten ermöglicht, der bislang noch nicht in ausreichendem Maße gegeben ist.
Es gibt konzeptionelle Gründe, Interesse an effizienten Atmosphärenmodellen zu haben, weil diese tiefere Einblicke in der Atmosphärendynamik erlauben, z.B. in Hinsicht auf Klimavariabilität. Solche Modelle sind aber auch ein nützliches Werkzeug bei Untersuchungen der Klimasensitivität oder des Paläoklimas, wo sehr viele oder sehr lange Integrationen benötigt werden und somit die Recheneffizienz eine wichtige Rolle spielt. Besonders bei diesen Anwendungen muss darauf Wert gelegt werden, dass die unvermeidlichen Subgitterskalenparametrisierungen möglichst viel auf ersten Prinzipien basieren. Die stochastische Modenreduktion (SMR) bietet hier eine Strategie, bei der ein großer Teil der Parametrisierung auf Papier hergeleitet wird, wenn bestimmte Terme, die Wechselwirkungen zwischen nichtaufgelösten Moden beschreiben, durch einen einfachen stochastischen Prozess modelliert werden können. In früheren Anwendungen der SMR wurden die reduzierten Atmosphärenmodelle immer im Spektralraum formuliert. Somit koppelt die dazugehörige globale subgitterskalige Parametrisierung alle aufgelösten Moden miteinander. Letztes begrenzt die Anwendbarkeit der Methode auf niedrigdimensionale Systeme. Um dieses Problem zu umgehen, ist unlängst eine Implementierung der SMR für gitterbasierte Raumdiskretisierungen entwickelt worden, die in einer lokalen Parametrisierung resultiert. Diese Strategie wurde bis jetzt nur im Rahmen der Burgersgleichung getestet. Das vorgeschlagene Projekt soll signifikant dazu beitragen, die lokale SMR auf realistische Modelle der Atmosphärendynamik anzuwenden. Dabei sollen subgitterskalige Parametrisierungen für die barotrope Vorticitygleichung und für die Flachwassergleichungen auf der f-Ebene konstruiert werden. Beide Modelle beinhalten wesentliche Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, wenn man die lokale SMR auf die allgemeinen Gleichungen für die Beschreibung der Atmosphärendynamik anwenden will. Die neuen subgitterskaligen Parametrisierungen sollen folgende Kriterien erfüllen: i) sie sollen systematisch aus den Modellgleichungen unter einer relativ kleinen Anzahl von Grundannahmen hergeleitet werden ii) sie sollen so konsistent wie möglich mit den Erhaltungseigenschaften der Gleichungen sein und iii) sie sollen eine minimale (falls möglich gar keine) Anpassung an Daten der aufgelösten Skalen verwenden. In der Klimamodellierung existiert ein großer Bedarf an physikalisch basierten und auflösungsunabhängig formulierten stochastischen Parametrisierungen. Die Entwicklung von subgitterskaligen Parametrisierungen mittels der SMR, wie in diesem Projekt vorgeschlagen, wird zu solchen Verfahren beitragen. Die Turbulenzparametrisierung in grob auflösenden Simulationen ist ein anderes Feld, das von einer solchen Entwicklung profitieren kann.
Das Projekt beinhaltet eine Studie der Auswirkungen einer begrenzten Region erhöhter atmosphärischer interner Schwerewellenaktivität und Schwerewellenrechens auf die mittlere Atmosphäre. Die Charakteristik solch einer Region, ihre räumlich und zeitliche Variabilität und Verbindung zu anderen Klimaparametern wird anhand von GPS Radiookkultationsanalysen untersucht. Es werden Algorithmen zur dreidimensionalen Analyse der Wellenreibung und der Brewer-Dobson-Zirkulation (BDC) verwendet; als Datengrundlage dienen Simulationen mit einem mechanistischen Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre und Reanalysedaten. Die dreidimensionaler Variabilität der BDC und die Rolle lokalisierter erhöhte Schwerewellenaktivität wird so untersucht. Weiterhin wird die Anregung und folgende Ausbreitung planetarer Wellen durch eine Region erhöhter Schwerewellenaktivität untersucht. Die Auswirkungen auf die Polarregionen (mittlere Zirkulation, Präkonditionierung, winterliche Stratosphärenerwärmungen) und auf die äquatoriale Stratosphäre (Einfluss auf Tropopausen Brüche und Stratosphäre-Troposphäre-Austausch) werden untersucht. Weiterhin wird der Einfluss lokalisierten Schwerewellenbrechens auf die mittlere Zirkulation der Mesosphäre analysiert, insbesondere im Hinblick auf stationäre Wellen, und ihre Variabilität.
Interne Schwerewellen (SW) verbinden verschiedene Schichten der Atmosphäre von der Troposphäre bis zur Thermosphäre und treiben die großskalige Zirkulation der mittleren Atmosphäre an. Viele der für SW relevanten Prozesse, von ihrer Entstehung über die Ausbreitung bis zur Dissipation sind jedoch unvollständig verstanden und, wegen der geringen typischen Wellenlänge, meist schlecht in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen repräsentiert. GWING ist eines der Projekte der Forschergruppe MS-GWaves, die darauf abzielt, unser Verständnis der oben angesprochenen multi-skalaren dynamischen Schwerewellenprozesse zu verbessern, um letztendlich eine einheitliche Parametrisierung der in Atmosphärenmodellen nicht auflösbaren Schwerewellen (und ihrer Effekte) von der Entstehung bis zur Dissipation zu entwickeln. Um hierzu beizutragen, ist das zentrale Ziel von GWING die Entwicklung und Anwendung des atmosphärischen Zirkulationsmodells UA-ICON. Mit diesem Modell integriert GWING das in der Forschergruppe MS-GWaves entwickelte Wissen. In der zweiten Phase von GWING stehen zwei übergeordnete wissenschaftliche Fragen im Fokus: a) Welche Bedeutung haben Eigenschaften von Schwerewellen, die in klassischen Parametrisierungen nicht berücksichtigt werden, also insbesondere horizontale und nicht-inständige Propagation sowie die Wechselwirkung transienter Wellen mit dem Grundstrom? b) Welche Rolle spielen Schwerewellen für die globale Zirkulation und ihre Variabilität? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir UA-ICON global sowohl mit einer Maschenweite von etwa 20 km (d.h. mit Auflösung von SW bis etwa 100 km Wellenlänge) als auch mit grober Auflösung, dafür aber mit der State-of-the-art Parametrisierung MS-GWaM nutzen. Weiterhin werden spezielle Beobachtungsepisoden mit sehr hoch (ca. 1,5 km) aufgelösten Nestern simuliert. Zur Evaluation und Analyse werden diese Modellsimulationen mit Beobachtungen der Partnerprojekte zusammengeführt. Die wesentlichen Entwicklungsziele für UA-ICON in Phase 2 des Projekts sind dementsprechend die Implementierung von MS-GWaM (entwickelt im Partnerprojekt 3DMSD), die Einführung physik-basierter Schwerewellenquellen (zusammen mit 3DMSD und SV) und eine verbesserte Behandlung von SW bei sehr hoher Modellauflösung. Die Nutzung der verschiedenen UA-ICON-Konfigurationen wird schließlich erlauben, die Bedeutung bisher vernachlässigter Eigenschaften von SW zu untersuchen, d.h. die erste der oben genannten Fragestellungen zu beantworten. Ein spezielles Ziel im Rahmen von GWING ist diese Untersuchung für Episoden plötzlicher Stratosphärenerwärmungen, die durch sich schnell ändernde und zonal nicht symmetrische Bedingungen des Grundstroms gekennzeichnet sind. Im Hinblick auf die zweite übergeordnete Fragestellung, wird sich GWING auf a) die Rolle der SW und einer hohen Modellausdehnung für die Simulation von Zirkulationsänderungen bei globaler Erwärmung und b) die Rolle für die Güte von Wettervorhersagen konzentrieren.
Schwerewellen (GW) stellen nicht nur den zentralen Kopplungsmechanismus zwischen der unteren Atmosphäre und dem Thermosphäre/Ionosphäre (TI) System dar, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf das Erdklima. Ein Großteil der Schwerewellen hat ihren Ursprung in der Troposphäre. Durch ihre vertikale Ausbreitung übertragen sie Energie und Impuls zwischen den verschiedenen atmosphärischen Schichten. Ionenreibung und molekulare Viskosität sind die wichtigsten Dissipationsmechanismen der Schwerewellen in der TI. Magnetfeldschwankungen verändern die Brechungseigenschaften der Atmosphäre (großräumige Temperatur und Windfelder) und modulieren damit die Ionenreibung. Das Primärziel dieses Projektes ist die Erforschung und Quantifizierung der Einwirkungen der Magnetfeldvariationen auf die Ausbreitung und Wirkungsmechanismen der Schwerewellen, die aus der unteren Atmosphäre stammen, und die daraus resultierende dynamische Rückkopplung. Vor allem soll untersucht werden, ob Schwerewellen eine Verbindung zwischen dem Trend der Magnetfeldschwächung und der beobachteten starken Abkühlung der Thermosphäre herstellen können. Die Studie soll mit dem Coupled Middle Atmosphere Thermosphere-2 (CMAT2) genannten allgemeinen Zirkulationsmodell durchgeführt werden. Ein wichtiger Teil von CMAT2 ist die von uns entwickelte und implementierte state-of-the-art spektrale, nichtlineare GW Parametrisierung. Die Ergebnisse neuer numerischer Simulationen mit CMAT2 sollen mit schon vorhandenen und zukünftigen Beobachtungen, z.B. der SWARM Satelliten verglichen werden. Wir erwarten neben Fortschritten im fundamentalen Verständnis der Schwerewellenkopplung auch zu Verbesserungen von Weltraumwettervorhersagen beitragen zu können.
Mithilfe von klimatologischen Daten werden Hitzewellen über Europa definiert und charakterisiert. Die Verbindung zwischen Rossbywellenpaketen in der oberen Troposphäre, dem extratropischen Wellenleiter und Hitzewellen wird mit Hilfe einer Wavelet-Analyse sowie mit einer Diagnostik, die auf linearer Wellentheorie beruht, untersucht. Komplementär dazu wird die Rolle von lokalen Prozessen (zum Beispiel in der Grenzschicht) für das Auftreten und die Stärke von Hitzewellen quantifiziert. Zusammengenommen sollen die Untersuchungen die Frage klären, welche Prozesse und welche Skalen die Vorhersagbarkeit von Hitzewellen am stärksten beeinflussen.
Schwerewellen (GWs) sind zu kleinskalig, um in den heutigen Wetter- und Klimamodellen aufgelöst zu werden. Sie müssen daher parametrisiert werden, da sie einen starken Einfluss auf die Dynamik der großen Skalen haben. Parametrisierungen existieren für orographisch und konvektiv erzeugte GWs, während für die GW-Quellen entlang großskaliger Jets noch keine etablierte Parametrisierung vorliegt. Die Quellen resultieren aus einer spontanen Imbalance (SI) der großskaligen quasi-geostrophischen Strömung. Die Untersuchung von Schwerewellenabstrahlung durch SI ist schwierig, da die GWs in ein sehr komplexes zeitabhängiges Strömungsfeld eingebettet sind, mit einer großen Zahl von interagierenden Prozessen. Auch die Validierung von Parametrisierungen wird dadurch erschwert. Daher kombinieren wir Theorie und numerische Modellierung mit ergänzenden Laborexperimenten. Laborexperimente garantieren eine Reproduzierbarkeit der betrachteten großskaligen Strömungssituation. Die direkte Korrespondenz zwischen den experimentellen Daten und den Modelldaten und die erwähnte Reproduzierbarkeit machen das Laborexperiment zu einem idealen Prüfstand für Parametrisierungen und für die Untersuchung klimarelevante Prozesse. Das differenziell beheizte rotierende Zylinderspalt-Experiment, welches an der BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) aufgebaut und betrieben wird, stellt die Referenzdaten für Benchmark-Simulationen an der GU-F (Goethe Universität Frankfurt) und dem IAP (Leibniz Institut für Atmosphärische Physik, Kühlungsborn) bereit. Dabei stehen Experimente im Vordergrund, die zeigen sollen, welche baroklinen Strömungen eine besonders ausgeprägte GW-Abstrahlung aufweisen. Ergänzend dazu werden idealisierte numerische Simulationen an der GU-F und dem IAP durchgeführt, um die Variabilität der GWs und den Abstrahlungsprozess zu untersuchen. Wichtig ist dabei, einen Zusammenhang zwischen verschiedenen großskaligen Strömungen und der mesoskaligen GW-Quelle herzustellen und diesen Zusammenhang mittels grob aufgelöster Wellenstrahlenmodelle zu validieren. Ziel ist es, eine skalenabhängige SI-Parametrisierung zu konstruieren. Diese Parametrisierung soll mit Hilfe der Labor-Referenzdaten validiert werden. Begleitet wird dies von einer Analyse grob- und feinaufgelöster Daten aus UA-ICON Simulationen. Schließlich soll die Parametrisierung an das Wellenstrahlenmodell MS-GWaM angekoppelt werden, welches in UA-ICON implementiert ist.
Wir quantifizieren die Diffusivität von Wirbeln und untersuchen die Interaktion von Wirbeln mit der mittleren Strömung sowie submesoskaligen Prozessen in Schlüsselregionen des Ozeans mit Hilfe von Lagrange-Partikelstatistik in Ozeanmodellen und Beobachtungen. Die Datengrundlage liefert ein Drifterexperiment und in-situ Beobachtungen an der Benguela-Auftriebsfront. Zusätzlich entwickeln wir eine energetisch konsistente Parametrisierung von meso- und submesoskaligen Prozessen welche wir für den globalen Ozean testen werden, wobei der Fokus auf Skalen von 100 km - 1 km liegt.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 215 |
| Europa | 5 |
| Kommune | 1 |
| Land | 4 |
| Wissenschaft | 157 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 9 |
| Förderprogramm | 212 |
| unbekannt | 5 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 222 |
| Unbekannt | 4 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 158 |
| Englisch | 144 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 6 |
| Datei | 3 |
| Dokument | 1 |
| Keine | 133 |
| Webseite | 84 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 173 |
| Lebewesen und Lebensräume | 199 |
| Luft | 226 |
| Mensch und Umwelt | 226 |
| Wasser | 181 |
| Weitere | 226 |