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Nicht-zonale Strukturen der Zirkulation der Mesosphäre und unteren Thermosphäre mittlerer Breiten (NOSTHEM)

In NOSTHEM sollen zonale Unterschiede des mittleren Windes, Gezeitenparameter, planetarer Wellen und Schwerewellen in der Mesosphäre und unteren Thermosphäre untersucht und erklärt werden. Ihr Einfluss auf die Repräsentativität einzelner Messungen für ein zonales Mittel von mittlerem Wind und Wellen wird bestimmt werden. Dies soll eine quantitative Einschätzung der Unsicherheiten von mittlerer Klimatologie, Langzeittrends und Maßen für die Variabilität auf der Basis einzelner Messungen ermöglichen. Der Beitrag nicht-zonaler Strukturen auf die mittlere Zirkulation und ihre Variabilität wird bestimmt. Hemisphärische Analysen von Wellen und Zirkulation in der unteren und mittleren Atmosphäre werden verwendet, um deren Rolle bei der Bildung longitudinaler Unterschiede zu klären. Dies wird auch die Frage beantworten, ob die schon seit langem beobachteten Unterschiede des mesosphärischen Windes über Mittel- und Osteuropa signifikant sind und wenn ja, welche Prozesse zu deren Auftreten beitragen.In NOSTHEM werden Beobachtungen zweier praktisch identischer VHF-Meteorradare auf ähnlicher geographischer Breite, aber mit 36° Längenunterschied herangezogen. Daher kann daraus der Beitrag nicht-zonaler Strukturen zur lokalen Klimatologie und Variabilität ermittelt werden. Um ein umfassendes hemisphärisches Bild zu erhalten, werden die lokalen Radarmessungen durch Satellitenbeobachtungen und Reanalysedaten ergänzt, sowie numerische Simulationen mit einem Zirkulationsmodell der mittleren Atmosphäre durchgeführt.Die Hauptziele von NOSTHEM sind (1) eine quantitative Darstellung von Ähnlichkeiten und Unterschieden der mesosphärischen/thermosphärischen Zirkulation an zwei Längengraden, (2) eine Erweiterung dieser Analyse durch hemisphärische Daten und (3) eine Quantifizierung der Rolle von Wellen bei der Ausprägung der Zirkulation an einzelnen Orten. Als Endziel werden nicht-zonale Strukturen und ihre Gründe und die zu ihnen führenden Prozesse geklärt, und auch Hinweise für die Interpretation von Klimatologie und Variabilität an einzelnen Orten in Bezug auf die gesamthemisphärische Dynamik gegeben.NOSTHEM wird als Kooperation des Instituts für Meteorologie, Universität Leipzig und des radiophysikalischen Departments, Universität Kasan gemeinsam durchgeführt.

Sonderforschungsbereich Transregio 181 (SFB TRR): Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean, Teilprojekt (10) W01: Schwerewellenparametrisierung für die Atmosphäre

Ein neues Konzept für Schwerewellenparametrisierungen in atmosphärischen Zirkulationsmodellen soll entwickelt werden. Es basiert auf der Beschreibung des Wellenfeldes durch die Wellenenergie im physikalischen und Wellenzahlraum und seiner prognostischen Berechnung durch die Strahlungstransportgleichung. Die vorgeschlagene Parametrisierung soll zum ersten Mal 1) alle relevanten Quellen kontinuierlich in Raum und Zeit beinhalten, und 2) alle Schwerewellenquellen (Orographie, Fronten und Konvektion) mit einer einzelnen Parametrisierung beschreiben. Darüber hinaus wird das neue Konzept in einer exakt energieerhaltenden Form formuliert werden.

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.

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

Sonderforschungsbereich Transregio 181 (SFB TRR): Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean, Teilprojekt (16) L03: Diagnose und Parametrisierung von Wirbeln

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.

Turbulenz in arktischen Regionen - Daten-Modell-Fusion für optimale Parametrisierung, Teilprojekt 2: Verbesserte Turbulenzparametrisierungen im WarmWorld-ICON-Modell: Parameterschätzung und Unsicherheitsquantifizierung

COMPoSE: Charakterisierung der Verteilung der Eis- und Flüssigphase in Mischphasenwolken

Mischphasenwolken, in denen unterkühltes Flüssigwasser und Eiskristalle gleichzeitig auftreten, sind bisher nur unzureichend beschrieben, denn die akkurate Messung von Mischphasenwolken stellt eine Herausforderung dar. Besonders das Fehlen der vollständigen vertikalen Charakterisierung der Flüssigwasserkomponente ist ein Problem der derzeitig angewendeten Beobachtungsmethoden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts soll diese Beobachtungslücke durch Entwicklung neuer Methoden und den Einsatz neuer Modelle geschlossen werden. Mischphasenwolken werden mit modernsten Fernerkundungsinstrumenten wie Doppler-Wolkenradar sowie Doppler- und Polarisationslidar beobachtet werden. Die derzeitig zur Erfassung von unterkühlten Flüssigwasserschichten angewendete synergistische Beobachtung mit Wolkenradar und Lidar ist normalerweise bis zur Höhe limitiert, in der das Signal des Lidars vollständig ausgelöscht ist, was bei einer durchquerten optischen Dicke von etwa 3 geschieht. Das erlaubt meist die Detektion von nur einer Flüssigwasserschicht. Im Gegensatz dazu können Wolkenradare die gesamte Mischphasenwolke auch beim Auftreten mehrerer Flüssigwasserschichten durchdringen. Sie können daher genutzt werden, um die Verteilung der Wolkenphase in der gesamten vertikalen Säule zu bestimmen, wenn geeignete Algorithmen zur Identifikation von Flüssigwasser aus Radarmessungen entwickelt werden. Dafür soll das komplette Radardopplerspektrum analysiert werden, dessen Struktur durch die Mikrophysik und die Dynamik der Wolke bestimmt ist. Zudem soll das Radardopplerspektrum genutzt werden, um Vertikalwinde abzuleiten. Der Fokus des Projekts wird auf der vollständigen Charakterisierung von Fallstudien liegen. Dabei wird insbesondere untersucht werden, wie Vertikalwinde und Lufttemperatur die zeitliche Entwicklung der Partitionierung der Wolkenphasen beeinflussen, um so Einblick in den Lebenszyklus von Mischphasenwolken zu erhalten. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluss von Aerosolpartikeln auf die Wolkenphasenpartitionierung bestimmt werden. Die beobachteten Wolken werden dabei durch Rückwärtstrajektorien in Luftmassenherkunftsklassen unterteilt und es werden Modellvorhersagen sowie eine lidarbasierte Charakterisierung der Aerosoleigenschaften durchgeführt. Das vorgeschlagene Projekt geht über die Entwicklung von Fernerkundungstechniken in Mischphasenwolken hinaus. Ergebnisse eines auf den Messungen basierenden 1D-Mikrophysikmodells sollen als Eingabewerte für einen Vorwärtssimulator für Radardopplerspektren genutzt werden. Dessen Ausgabewerte wiederrum werden mit den beobachteten Dopplerspektren verglichen werden. Dadurch ergibt sich ein geschlossener Kreislauf aus Beobachtung und Modellierung, der es uns möglich machen wird, bestimmte mikrophysikalische Prozesse in Mischphasenwolken, wie z.B. Reif- und Graupelbildung, genauer zu verstehen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Mischungsprozesse in der Stratosphäre von kleinen zu globalen Skalen mit einem schnellen hochpräzisen QCL Spektrometer für N2O und CO auf HALO

Im Rahmen dieses Antrags werden neuartige hochaufgelöste Spurengasmessungen genutzt, um Mischungsprozesse auf verschiedenen Skalen zu untersuchen um:1)den Effekt der Tropopauseninversionsschicht auf Mischung und Austausch zu untersuchen 2) um den Zerfall von Filamenten zu untersuchen, die aus dem Monsumsystem stammen 3) um den Anteil von Luftmassen aus verschiedenen Quellregion zu quantifizieren, die die extratropische obere Troposphäre/ untere Stratosphäre (ExUTLS) beeinflussen. Zu diesem Zweck schlagen wir vor, der HALO Nutzlast ein neues Messinstrument hinzuzufügen. Dabei handelt es sich um ein Quantenkaskadenlaserabsorptionsspektrometer, das in der Lage ist, simultan CO und N2O mit einer Genauigkeit von 0.1 ppbv/Hz zu messen bei einer Messfrequenz von 3 Hz. Die hohe Präzision der Messungen erlaubt es, Mischungsprozesse mit beispielloser Genauigkeit zu vermessen und Mischung zwischen Luftmassen innerhalb der Stratosphäre zu identifizieren. Damit sollen die Mischungsprozesse, die beim Zerfall von monsunbeeinflussten Filamenten zu einem Spurenstoffaustauch innerhalb der Stratosphäre führen, untersucht werden. Neben den kleinskaligen Prozessen werden auch die großräumigen Verteilungen der Spurenstoffe untersucht. Hierzu sollen CLaMS Trajektorien und ein CO-basierter Budgetansatz kombiniert werden, um Luftmassenanteile aus verschiedenen Ursprungsregionen, die die Zusammensetzung der ExUTLS zur Monsunzeit bestimmen, zu quantifizieren. Dieser Ansatz soll auf die HALO Messungen bei POLSTRCC angewendet werden, um ein komplementäres Bild zur Winterjahreszeit zu erhalten und die Daten in einen jahreszeitlichen Kontext zu setzen.

Homogene atmosphärische Beobachtungen und Haushalte der letzten 75 Jahre

Das beantragte Projekt soll erstens zu verbesserter Qualität globaler Reanalysen durch Lieferung von Korrekturen von Wetterballonbeobachtungen zurück bis 1930 beitragen. Zweitens soll es bei der Berechnung von globalen Energie- und Wasserhaushaltsgrößen Nutzen aus der höheren Qualität der Reanalysen ziehen. Beide Vorhaben sind zentrale Ziele der Phase II des vom World Climate Research Programme (WCRP) initiierten Global Energy and Water cycle Experiments (GEWEX). Die Ergebnisse sollen auch zu den Zielen des Global Monitoring for Environment and Security (GMES) Programms beitragen, einer größeren Initiative zur Bildung europäischer Kompetenz im Bereich der Erdbeobachtung. Die homogenisierten Radiosondentemperaturdatensätze, die in zwei vorangegangenen FWF-Projekten entwickelt wurden, werden von allen größeren laufenden Reanalysen zur Korrektur systematischer Radiosondentemperaturbeobachtungsfehler verwendet, insbesondere von ERA-Interim, der Modern Era Retrospective Re-Analysis (MERRA) der NASA und der neuen japanischen Reanalyse (JRA-55). Die Temperaturdatensätze müssen allerdings weiter in die Vergangenheit bis vor 1958 und auf Wind und Feuchte ausgedehnt werden, damit sie ihre führende Position behalten können. Innerhalb eines noch laufenden FWF-Projektes wurden die technischen Grundlagen für die Homogenisierung dieser Daten gelegt, aber es konnte nur die Machbarkeit der Ausdehnung nachgewiesen werden. Für die in naher Zukunft geplanten Reanalysevorhaben, insbesondere im Rahmen des EU-7FP Projekts ERA-CLIM, wird eine ausgereifte Implementierung benötigt, die für die meisten der frühen Radiosondendatensätze funktioniert. Diese Implementierung ist eine Hauptaufgabe im beantragten Projekt. Die verbesserten Beobachtungen sollten zu verbesserten Reanalysen beitragen, die wiederum zuverlässigere atmosphärische Energie- und Wasserhaushalte liefern sollten. Es ist wichtig, dass man mehrjährige Schwankungen nicht nur der wichtigsten Klimavariablen wie Temperatur untersucht, sondern auch die von Energie- und Feuchteflüssen. Kürzlich wurden im Rahmen eines laufenden FWF-Projekts charakteristische Energieflussmuster während starker Auslenkungen des Southern Oscillation Index in der Satelliten-Era (1979-) festgestellt. Homogenere Eingangsdaten und verbesserte Datenassimilationsmethoden sollten zuverlässigere diagnostische Aussagen zurück bis zu den frühen 1940er Jahren ermöglichen, als ein starkes El Nino Ereignis sehr wahrscheinlich mit den extremen nordosteuropäischen Wintern während des zweiten Weltkrieges in Zusammenhang stand. Die Unsicherheiten in den diagnostizierten Flüssen und in deren Variabilität müssen sorgfältig abgeschätzt und reduziert werden, um für die Validierung von Klimamodellen geeignet zu sein.

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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