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Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Einfluss von Schwerewellen auf Eiswolken in der Tropopausenregion (GW-ICE)

Schwerewellen stellen eine wichtige Komponente im Atmosphärensystem dar. Sie beeinflussen den vertikalen Impuls- und Energietransport und tragen damit entscheidend für verschiedene Zirkulationsmuster bei. Schwerewellen entstehen hauptsächlich in der Troposphäre und propagieren dann durch die Tropopausen Region in die höhere Atmosphäre. Dabei werden ihre Eigenschaften zum Teil verändert. Außerdem können sie durch die induzierten Vertikalgeschwindigkeiten einen großen Einfluss auf die Bildung und Entwicklung von Eiswolken in der Tropopausen Region haben. In diesem Projekt soll die Interaktion von Schwerewellen und Eiswolken in der Tropopausen Region untersucht werden. Dabei soll das in der ersten Phase von MS-GWaves entwickelte WKB-Modell durch Wolkenphysik erweitert werden und dann zur Untersuchung der Wechselwirkung Wellen-Eiswolken benutzt werden. Zusätzlich werden schwerewelleninduzierte Eiswolken mit Hilfe eines Large Eddy Simulation (LES) Modells untersucht. Mögliche Rückkopplungen der Eiswolken auf die Tropopausen Dynamik durch diabatische Effekte werden ebenfalls untersucht. Die Strahlungseffekt der simulierten Eiswolken (WKB Modell oder LES) wird mit Hilfe eines Strahlungstransportmodells abgeschätzt. Damit wird es möglich sein, den Einfluss der Schwerewellen auf Eiswolken und deren Strahlungsbilanz zu untersuchen, mögliche Wechselwirkungen mit der Tropopause abzuschätzen, und genauere Abschätzungen für die Energiebilanz der schwerewelleninduzierten Eiswolken anzugeben.

Erhaltungssätze und Ensemble Kalman Filter Algorithmen

Die Einbeziehung von physikalischen Erhaltungsgesetzen ist bereits seit längerem als wichtiger Punkt bei der Entwicklung von numerischen Wettervorhersagemodellen bekannt. In Datenassimilation im weiteren Sinne ist die Berücksichtigung von Erhaltungsgesetzen und die Analyse deren Bedeutung erst seit kurzem ein zentraler Gegenstand der Forschung. Numerische Atmosphärenmodelle sind heute in der Lage, kleinräumige und deshalb hochgradig nichtlineare Dynamik und Physik aufzulösen. Vorhersagen hängen dabei sehr sensible von den Anfangs- und Randbedingungen ab. Die Datenassimilation für Modelle, die viele Skalen darstellen und in die sowohl zeitlich als auch räumlich hochaufgelöste Beobachtungen eingehen verlangt nach einer Überprüfung und der Weiterentwicklung der zur Zeit in numerischen Wettervorhersagemodelle genutzten, auf weniger nicht lineare Anwendungen ausgelegte Methoden. Das primäre Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung von Ensemble-basierten Datenassimilations-Algorithmen welche Eigenschaften von nichtlinearen dynamischen Systemen, zum Beispiel die Erhaltung von Masse, Drehimpuls, Energie und Enstrophie berücksichtigen. Insbesondere werden die folgenden zwei Problemstellungen bearbeitet. Gemeinsam mit Kollegen haben wir kürzlich zeigen können, dass Erhaltung von Masse und Positivität wichtige Nebenbedingungen für Datenassimilations-Algorithmen sind. Beide Bedingungen sind in einem neuen Algorithmus, dem quadratic programming ensemble Kalman filter, umgesetzt worden. Tests an linearer Dynamik wurden ebenfalls bereits durchgeführt. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll dieser Algorithmus in einer idealisierten Konfiguration für die Assimilation von Radarreflektivität mit dem nichthydrostatischen, konvektionsauflösenden COSMO-DE-Modell erweitert, implementiert und evaluiert werden. Zweitens, wird untersucht wie sich Datenassimilations-Algorithmen wie der Ensemble Kalman Filter und der quadratic programming ensemble Kalman filter auf die zu erhaltenden Größen im Fall von Experimenten mit einem idealisierten, nichtlinearen zweidimensionalen Flachwassermodell auswirken, sowie ob und wie diese Ensemble-basierten Algorithmen modifiziert werden können um Lösungen mit den vorgeschriebenen Eigenschaften zu erhalten. Es ist zu erwarten, dass Erhalt von Masse und Entropie die nicht lineare Energie Kaskade im System verbessert. Der mögliche Einfluss auf die Exaktheit von Vorhersagen wird auch untersucht.

Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Wechselwirkungen von Schwerewellen in der globalen Atmosphäre (GWING)

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions, Auswirkungen des geomagnetischen Feldes auf die vertikale Kopplung durch Schwerewellen in der Thermosphäre/Ionosphäre

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Quantifizierung der Meereisproduktion im südlichen Weddellmeer durch Synergie von numerischen Simulationen und Fernerkundungsdaten

Im südlichen Weddellmeer hat der Energietransfer aus Küstenpolynjen in die Atmosphäre einen großen Effekt auf die atmosphärische Grenzschicht, auf die Meereisproduktion und die damit verbundene Bildung von High-Salinity Shelf Water (HSSW). Die Kenntnis der Fläche der Polynjen, ihrer Bedeckung mit dünnem Eis, der atmosphärischen Antriebsprozesse und der ozeanischen Prozesse sind von großer Bedeutung für die Quantifizierung der Meereisproduktion und der HSSW-Bildung, die einen bedeutenden Antrieb für die globale thermohaline Zirkulation des Ozeans darstellt und die Schmelzraten an der Basis des Filchner-Ronne-Schelfeises entscheidend mitbestimmt. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist die Quantifizierung der Meereisproduktion und HSSW-Bildung im südlichen Weddellmeer für die letzte Dekade (2002-2012). Als neuartigen Ansatz werden wir eine Synergie von Atmosphären- /Meereis- /Ozeanmodellierung und Fernerkundung von Dünneisdicken verwenden. Das Community Climate Model COSMO-CLM wird als Atmosphärenmodell und das FESOM-Modell des AWI wird als Meereis- /Ozeanmodell verwendet. Dünneisdicken abgeleitet aus MODIS-Daten dienen zur unabhängigen Bestimmung von Meereisproduktion und zur Assimilation in FESOM. Die Projektergebnisse sind eine verbesserte Bestimmungen der HSSW- und Meereisproduktion sowie eine Fehlerbestimmung der unterschiedlichen Methoden. Diese Quantifizierung der Meereisproduktion über dem kontinentalen Schelf im südlichen Weddellmeer ist nicht nur für Fragestellungen der Ozeanographie und Meteorologie wichtig, sondern betrifft auch die Robustheit von Klimaprojektionen zur Zukunft der antarktischen Schelfeise und des antarktischen Eisschilds.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt A03: Einfluss von tiefen Wolken auf die arktische atmosphärische Grenzschichtturbulenz und -Strahlung

Vertikalprofile von Strahlungsenergie- und Turbulenzenergieflüssen sowie Impulserhaltung werden untersucht durch (i) Verwendung vorheriger Schiffs- und Flugzeugkampagnen, und (ii) durch die Analyse neuer Messungen von zwei geplanten Flugzeugkampagnen über dem Arktischen Ozean. Die beiden neuen Kampagnen beziehen die AWI Forschungsflugzeuge Polar 5 & 6 ein um die vertikalen Flussprofile als Funktion von Wolken- und Meereisbedeckung unter verschiedenen synoptischen Bedingungen zu messen. Die Flugzeugbeobachtungen sind für Mai/Juni 2017 und März 2019 geplant und decken somit Zeiträume starker (Spätwinter) und schwacher (Frühsommer) arktischer Verstärkung ab.

Sonderforschungsbereich Transregio 165 (SFB TRR): Wellen, Wolken, Wetter; Waves to Weather - A Transregional Collaborative Research Center, Teilprojekt C03: Multiskalige Dynamik und Vorhersagbarkeit von Medicanes und atlantischen subtropischen Zyklonen

Eine ensemblebasierte Multiskalenanalyse der Dynamik und Vorhersagbarkeit von Medicanes wird durchgeführt und mit Fällen tropischer Umwandlung von subtropischen Zyklonen im Nordatlantik verglichen. Die Analyse reicht von vorhergehende Rossbywellen bis zu Antriebsmechanismen für Konvektion auf der Mesoskala. Visualisierungsmethoden helfen dabei, die komplexen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Prozessen und das damit verbundene Anwachsen der Vorhersageunsicherheit zu beleuchten. Die Auswertung von Ensembledaten erlaubt die Untersuchung von konsistenten Entwicklungen der relativ seltenen Medicanes.

Die Rolle eines hoch-aufgelösten Ozeans und dessen Initialisierung sowie die Bestimmung von atmosphärischen Cold Pools für Wetter- und Klimavorhersagen und deren Implementierung in das gekoppelte Erdsystemmodell ICON

oWLK-GCM objective weather types derived from General Circulation Models (Reanalysis data and Global Climate Model Simulations)

Objective weather types of Deutscher Wetterdienst derived from different Reanalysis and Global Climate Model simulations for the control run (1951-2000) and the projection period (2000-2100). On the one hand, the dataset is useful for evaluation of representative circulation statistics in Central Europe, on the other hand, for the analysis of future weather types due to climate change. Added temperature and precipitation data allow to study the weather type effectiveness for these important climate parameters.

oWLK-GCM objective weather types derived from General Circulation Models (Reanalysis data and Global Climate Model Simulations)

Objective weather types of Deutscher Wetterdienst derived from different Reanalysis and Global Climate Model simulations for the control run (1951-2000) and the projection period (2000-2100). Forthermore, the NAO-index is also provided. On the one hand, the dataset is useful for evaluation of representative circulation statistics in Central Europe, on the other hand, for the analysis of future weather types due to climate change. Added temperature and precipitation data allow to study the weather type effectiveness for these important climate parameters.

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