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.
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.
Die Oberflächen- und Grenzschichtschemata des nichthydrostatischen, konvektionserlaubenden COSMO-DE Modells werden abgeschätzt. Ziel ist die Reduktion der Unsicherheit in der Darstellung der Oberflächenflüsse, und damit auch derjenigen von konvektiven Wolken im Vorhersagemodell. Dazu werden verschiedene neu entwickelte Ensemblealgorithmen zur Parameterschätzung an einem gemeinsamen idealisierten Testfall erprobt. Das neuartige Vorgehen schätzt objektiv die Parameter zur Schließung des Turbulenzansatzes, die nicht direkt gemessenen werden können, und ermöglicht Einsichten auf deren Auswirkung zur modellhaften Darstellung von Wolken.
Die paläoklimatische und paläozeanographische Entwicklung des nordwestlichen Pazifik (ODP Leg 185) soll auf unterschiedlichen Zeitskalen untersucht und mit Daten aus dem Atlantik versehen werden. Anhand von sedimentologischen, mikropaläontologischen, geochemischen und stabilen Isotopen-Daten sollen Veränderungen der Akkumulationsraten klimatisch und ozeanographisch sensitiver Komponenten dokumentiert werden. Diese sollen mit biostratigraphischen und chemostratigraphischen Methoden sowohl im Hinblick auf die langfristigen zeitlich-räumlichen Trends, als auch mit frequenzanalytischen Methoden hochauflösend analysiert werden. Von besonderem Interesse sind die Intensitäten der atmosphärischen Zirkulation und die marine Produktivität sowie deren räumliche und zeitliche Variabilität. Diese Umwelt-Parameter sind vor allem in der Zusammensetzung der Feinfraktion und in den Akkumulationsraten von äolischem Staub, biogenem Opal und organischem Material überliefert. Der Vergleich mit ausgewählten DSDP/ODP-Sites im Atlantik soll Hinweise auf Zirkulationsregime und Wasseraustausch beider Ozeane geben.
Die Erforschung der Land-Atmosphären-Rückkopplung für heterogene Landoberflächen benötigt die Erfassung biophysikalisch bedeutsamer Wärme- und Impulsbilanzen nahe der Unterlage, die das Projekt motivieren. Dieser Energie- und Massenaustausch ist eine essenzielle Komponente in der Prozesskette der Rückkopplungen. Trotz beachtlicher Fortschritte im Verständnis und Quantifizierung der Auswirkungen einfacher Heterogenitätssprünge bei orthogonaler und paralleler Anströmung besteht eine Wissenslücke für die am häufigsten auftretenden Queranströmungen. Weder der Prozess selbst, noch die Auswirkungen der Queranströmung auf den turbulenten Transport sind momentan verstanden oder quantifiziert. Das Zentralziel ist, diese Queranströmungen zu detektieren und ein konzeptionelles Verständnis durch Messungen über den landwirtschaftlichen LAFO-Flächen zu erlangen. Die Zentralhypothese ist, dass Queranströmung zu einer Zone systematisch erhöhten turbulenten Austausches innerhalb einer Übergangsgrenzschicht führt, in der die Land-Oberflächen-Rückkopplung verstärkt ist. Die Forschung wird durch 4 Unterhypothesen und -ziele geleitet. Mithilfe der hochauflösenden (Sekunden und Dezimeter) Fiber-Optic Distributed Sensing (FODS) Technik erfolgen räumlich kontinuierliche Messungen der Lufttemperatur in der Bodenschicht und im Pflanzenbestand, sowie der turbulenten Windgeschwindigkeit und Turbulenter Kinetischer Energie über Hunderte Meter hinweg. FODS misst ebenfalls (10er-Sekunden, Dezimeter) Bodentemperaturen und -feuchtigkeit nahe der Oberfläche, sowie die solare Lichtverteilung kombiniert mit Netzwerken klassischer Punktsensoren über der Winterweizen- und Maisparzelle von LAFO. Unter der Leitung von P5 baut das LAFI-Team die FODS-Glasfaserharfen auf und P1 betreibt sie. Das wissenschaftliche Programm besteht aus 4 eng verzahnten Arbeitspaketen (WP): WP1 führt eine Post-field Kalibration mithilfe unserer eigens entwickelten Kalibriersoftware durch. WP2 erforscht die in den Raum-Zeit-Daten enthaltenen Strukturen und Flüsse abhängig vom Anströmwinkel. Ergänzt durch die verbesserte Energiebilanz (P6), die fernerkundlichen Daten zur Landoberfläche (P2) und Verdunstung (P4) wird die Zentralhypothese überprüft. Die Lidarmessungen aus P1 schaffen einzigartige Beobachtungssynergien. In WP3 werden die Erkenntnisse u.a. mit der Hilfe von Deep Learning zu einem konzeptionellem Gesamtrahmen zusammengefügt. Für die zweite Phase sehen wir Erweiterungen hin zu anderen Landoberflächenheterogenitäten, der Kohlenstoffbilanz und messtechnische Weiterentwicklungen des FODS vor. Dieses Projekt befasst sich mit den zentralen LAFI-Zielen O1 bis O3, OS und OE im Falle eines klimatischen Extremums. Zusätzlich zu den oben genannten projektübergreifenden Kooperationen stehen wir im engen Austausch mit P11 wegen der Licht- und Temperaturvertikalprofile.
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.
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.
In der Arktis tritt der der Klimawandel am offensichtlichsten zu Tage. Dies zeigt sich zum Beispiel im starken Rückgang der Meereisbedeckung des arktischen Ozeans, mit Auswirkungen auf die Wärmebilanz der Region und indirekt die Zirkulation in Ozean und Atmosphäre. Die Bildung von Tiefenwasser geht einher mit dem Transport von gelösten Gasen von der Oberfläche in das Innere der Ozeane, auch Ventilation genannt. Die entsprechende Aufnahme von Kohlendioxid, die im arktischen Ozean überproportional ausgeprägt ist, stellt einen wichtigen Puffer für Treibhausgasemissionen dar. Ihre Kenntnis ist entscheidend für aussagekräftige Klimaszenarien.Die Ventilationszeitskalen können über die Messung gewisser Spurenstoffe (Tracer) bestimmt werden, die einem zeitlich variablen Eintrag oder dem radioaktiven Zerfall unterliegen. Allerdings sind klassische Tracer wie Freon-12 und Schwefelhexafluorid (SF6) sowie eine Reihe moderner so genannter „Medusa Tracer“ in den tiefsten Bereichen des arktischen Ozeans nicht nachweisbar. Mit der neuen Atom Trap Trace Analysis (ATTA) Methode ist es nun möglich, das Radioisotop 39Ar in Meerwasser zu messen und damit genau die Zeitskala abzudecken, welche bisher nicht präzise bestimmt werden konnte. Im Zusammenspiel mit den genannten Tracern sowie dem Radiokohlenstoff 14C können somit Altersverteilungsfunktionen und letztlich die Ventilationszeitskalen der gesamten Wassersäule bestimmt werden. Dieser Ansatz wird ergänzt durch Messungen von Edelgasen zur Bestimmung von Sättigungsanomalien an der Oberfläche sowie der langlebigen anthropogenen Radioisotope 236U und 129I, die als Markierung von Atlantikwasser das Studium des Austausches zwischen Nordatlantik und Arktischem Ozean ermöglichen. In diesem Projekt sollen Proben für alle genannten Tracer während einer Expedition auf dem Eisbrecher ODEN im Jahr 2021 in der Zentralarktis genommen und gemessen werden. Die Daten dienen zur Bestimmung von Modellparametern von Aufenthaltszeitverteilungen, die wiederum die Grundlage zur Berechnung des Wassersäuleninventars des anthropogenen Kohlenstoffes bilden. Die Resultate werden mit biogeochemischen Ansätzen verglichen und zur Abschätzung der Ozeanversauerungsrate verwendet. Die weiteren Tracerdaten geben Aufschluss über die Zirkulation im nordatlantischen Raum sowie die Prozesse an der Ozeanoberfläche. Um die aufgrund der klimatischen Effekte zu erwartenden Veränderungen der letzten Jahrzehnte zu bestimmen, werden wir zusätzlich historische Tracermessungen aus der Arktis analysieren.Aus der Kombination unterschiedlicher innovativer Methoden versprechen wir uns darüber hinaus wichtige methodische Erkenntnisse sowie datenbasierte Randbedingungen für Ozeanmodelle. Die Ergebnisse dieses Projekts werden somit umfangreiche Beiträge liefern zum besseren Verständnis der Zirkulation und Ventilation des arktischen Ozeans, der Kohlenstoffaufnahmekapazität der Ozeane und der Konsequenzen des sich ändernden arktischen und globalen Klimas.
Nebel als meteorologisches Phänomen kann große Auswirkungen für die Wirtschaft, aber auch auf die persönliche Sicherheit haben, indem er die Sichtweite in der atmosphärischen Grenzschicht reduziert. Wirtschaftliche Verluste für den Luft-, See-, und Landvekehr als Folge von Nebel sind dabei vergleichbar zu Verlusten durch Winterstürme. Trotz der Fülle an Literatur über Nebel bleibt unser Verständnis der physikalischen Prozesse die zu Nebelbildung und seiner Mikrophysik beitragen unvollständig. Dies ist dadurch begründet, dass mehrere komplexe Prozesse, wie z.B. Strahlungsabkühlung, turbulentes Durchmischen und die mikrophysikalischen Prozesse nichtlinear miteinander interagieren. Zusätzlich verkomplizieren Bodenheterogenitäten bezüglich Vegetation und Bodeneigenschaften die Vorhersagbarkeit von Nebel. Die Fähigkeit von numerischen Wettervorhersagemodellen Nebel vorherzusagen ist in Folge dessen noch dürftig. In diesem Projekt werden hochaufgelöste Grobstruktursimulationen (Large-Eddy Simulationen, LES) verwendet um den Effekt von Turbulenz auf nächtliche Strahlungsnebel zu untersuchen. Das LES Modell PALM wird dazu mit einer sehr hohen Auflösung von etwa 1 m verwendet. Dabei werden in den LES sowohl ein Euler'sches Bulk Wolkenphysikschema, als auch ein Lagrange'sches Partikelmodell, welches die explizite Behandlung von Aerosolen und Nebeltropfen erlaubt, verwendet. Dieser innovative Ansatz erlaubt die Nebeltropfen-Turbulenz-Interaktion zum ersten Mal mit LES zu untersuchen. Das Ziel dieser Studie ist es, einen umfassenden Überblick über die Schlüsselparameter zu erhalten, welche den Lebenszyklus sowie die dreidimensionale Makro- und Mikrostruktur von Strahlungsnebel bestimmen. Weiterhin wird der Effekt von nächtlichem Strahlungsnebel auf die morgendliche Übergangszeit und die Grenzschicht am Tag untersucht. Der Effekt von Bodenheterogenitäten auf nächtlichen Strahlungsnebel wird mit Hilfe von aufgeprägten regelmäßigen idealisierten und unregelmäßigen beobachteten Bodenheterogenitäten in den LES untersucht. Die LES Daten werden anhand von Messdaten der meteorologischen Messstandorte in Cabauw (Niederlande) und Lindenberg (Deutschland) validiert und mit Simulationsdaten des eindimensionalen Grenzschicht- und Nebelvorhersagemodells PAFOG (Universität Bonn) verglichen.
Das Zusammenspiel von atmosphärischem Wasser und Zirkulation über Beeinflussung des Strahlungshaushalts, den Transport latenter Wärme und Rückkopplungsmechanismen von Wolken ist eines der bedeutendsten Hindernisse für das Verständnis des Klimasystems. Ein Vergleich zwischen Modellen verschiedener Auflösungen und Parameterisierungen kann wertvolle Einblicke in die Problematik geben. Jedoch werden für aussagekräftige Modelltests Messdaten benötigt. In diesem Zusammenhang können Isotopologen des troposphärischen Wasserdampfs eine wichtige Rolle spielen. Das Isotopologenverhältnis reflektiert die Bedingungen am Ort des Feuchteeintrags sowie verschiedene Umwandlungsprozesse (z.B. in Wolken). Während der letzten Jahre gab es großen Fortschritt beim Modellieren und Messen der Isotopologenverhältnisse, so dass kombinierte Untersuchungen nun global zeitlich und räumlich hochaufgelöst durchführbar sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, Wasserdampfisotopologe als neue Methode zu etablieren, um modellierte atmosphärische Feuchteprozesse zu testen und damit einige der größten Herausforderungen der aktuellen Klimaforschung anzugehen. Um statistisch robuste Untersuchungen zu ermöglichen, werden wir eine große Anzahl von (H2O, deltaD)-Paaren messen (deltaD ist das standardisierte Verhältnis zwischen den Isotopologen HD16O und H216O). Zum ersten Mal wird dann ein validierter Beobachtungsdatensatz zur Verfügung stehen, der große Gebiete, lange Zeiträume und verschiedene Tageszeiten abdeckt. Gleichzeitig wird ein hochauflösendes meteorologisches Modell, welches die Isotopologe simuliert, benutzt, um zu untersuchen inwiefern sich Eintrag und Transport von Feuchte in den Isotopologen wiederspiegeln. Diese Kombination von Messung und Modell ist einzigartig zum Testen der Modellierung von Feuchteprozessen. Das Potential der Isotopologen wird anhand von drei klimatisch interessanten Regionen aufgezeigt. Für Europa wird unser Ansatz einen wertvollen Einblick in den Zusammenhang zwischen Feuchteeintrag und den Isotopologen im Falle hochvariablen Wettergeschehens geben. Über dem subtropischen Nordatlantik werden wir Mischprozessen zwischen der marinen Grenzschicht und der freien Troposphäre untersuchen. Die verschiedenartige Einbindung dieser Prozesse in Modelle ist sehr wahrscheinlich ein Grund für die große Unsicherheit bei Rückkopplungsmechanismen von Wolken. Über Westafrika wird die Modellierung des Monsuns getestet (horizontaler Feuchtetransport, Feuchterückfluss von Land in die Troposphäre, und Tagesgänge in Zusammenhang mit vertikalen Mischprozessen). Die Frage, wie organisierte Konvektion die Monsunzirkulation und die Feuchtetransportwege beeinflusst, wird dabei von besonderem Interesse sein. In Kombination werden die Ergebnisse helfen, Defizite in aktuellen Wetter- und Klimamodellen aufzuspüren und besser zu verstehen, und dadurch einen wichtigen Beitrag für zukünftige Modellverbesserungen liefern.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 215 |
| Land | 3 |
| Wissenschaft | 11 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 9 |
| Förderprogramm | 212 |
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| License | Count |
|---|---|
| offen | 222 |
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| Resource type | Count |
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| Archiv | 6 |
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| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 172 |
| Lebewesen und Lebensräume | 159 |
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| Weitere | 224 |