Der weit nach Süden vordringende Keil Südamerikas ist weltweit die einzige nennenswerte Landmasse zwischen ca. 45° und 60°Süd. Das senkrecht zur Hauptwindrichtung verlaufende Andengebirge stellt eine wirksame Barriere für die Westwinddrift dar und hat einen bestimmenden Einfluss auf die hemisphärische Zirkulation sowie das lokale Wettergeschehen. Das Gebirge zwingt die maritimen Luftmassen zum Aufsteigen, was häufig mit intensiven Steigungsregen auf der Luvseite der Anden einhergeht. Durch die Überströmung des Gebirges kommt es zur Ausbildung von speziellen Prozessgefügen in der atmosphärischen Strömung sowohl auf der Meso- als auch regionaler Skala. Der damit einhergehende Transport und Austausch von Energie und Masse beeinflusst maßgeblich die Entstehung und den Ausfall von Hydrometeoren. Trotz der starken Wechselwirkung zwischen Strömung, Topographie und Niederschlag wurde in Patagonien darüber bisher nur wenig geforscht. Das vorgeschlagene Forschungsvorhaben leistet daher einen Beitrag zum Verständnis der Wechselwirkung zwischen dynamischen Prozessen und der räumlichen und zeitlichen Variabilität von Niederschlag in dieser Region. Ziel des Projektes ist die Quantifizierung wichtiger Prozesse die neue Aufschlüsse über die relevanten Mechanismen liefern soll. Anhand von hochauflösenden numerischen Simulationen werden an Einzelfallstudien die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften der atmosphärischen Strömung im Detail analysiert. Begleitende Sensitivitätsstudien mit vereinfachten analytischen Modelle werden zudem Aussagen zu den Auswirkungen der atmosphärischen Variabilität auf die Niederschlagsverteilung liefern. Das aus der Studie gewonnene Prozessverständnis ist eine wichtige Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten im Bereich der Hydrologie, Glaziologie und Ökologie.
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.
Der Klimawandel ist eine der Hauptherausforderungen für die Menschheit im 21. Jahrhundert. Seine Auswirkungen sind vielschichtig wobei der anwachsende Massenverlust von Gletschern außerhalb der großen Eisschilde sowie deren bedeutender Beitrag zum Meeresspiegelanstieg zu den am stärksten hervorstechenden zählt. Diesbezüglich sind die Gletscher und Eiskappen der Arktis aufgrund ihres großen Volumens und ihrer großen Oberfläche, die als Kontaktfläche zum Klima- und Ozeanantrieb und damit zum Klimawandel selber fungiert, von besonderer Bedeutung. Da die Arktis darüber hinaus diejenige Region der Erde mit dem höchsten, prognostizierten, zukünftigen Temperaturanstieg ist, wird erwartet, daß sich die Bedeutung der arktischen Eismassen für den Meeresspiegelanstieg auch in Zukunft fortsetzt oder sogar noch steigern wird.Die großen Gletscher der Nordpolarregion umgeben den arktischen Ozean in ähnlichen Breitenlagen, weisen aber in jüngster Zeit ein inhomogenes Verhalten auf. Diese Tatsache legt eine räumliche Variabilität der klimatischen und ozeanischen Antriebsmechanismen der Gletschermassenbilanz innerhalb der zirkumarktischen Regionen nahe und offenbart damit die Diversität der Einflüsse des Klimawandels. Bezüglich der Variabilität der Antriebsmechanismen weist Svalbard in der Arktis eine einzigartige Lage auf. Es liegt an der Grenze zwischen kalten, polaren Luftmassen und Ozeanwassern und den Einflüssen des Westspitzbergenstroms, welcher der hauptsächliche Warmwasserlieferant für das arktische Umweltsystem ist. Darum verspricht das Erforschen der Reaktionen der Gletscher auf Svalbard auf die Veränderlichkeit des Klima- und Ozeanantriebs bedeutende Einblicke in die komplexe Kausalkette zwischen Klimawandel, der Variabilität der Klima- und Ozeanbedingungen in der Arktis und der Reaktion der arktischen Landeismassen. Das Ziel des Projektes ist es eine zuverlässige Abschätzung der räumlichen und zeitlichen Variabilität der klimatischen Massenbilanz aller Gletscher und Eiskappen auf Svalbard zu erreichen und diese mit dem Klima- und Ozeanantrieb in Verbindung zu setzen. Dazu wird ein räumlich verteiltes, von statistisch downgescalten Klimadaten angetriebenes Model zur Berechnung der klimatischen Massenbilanz aufgesetzt. Die Massenbilanz aller Gletscherflächen auf Svalbard wird für den Zeitraum 1948-2013 modelliert und die zeitlich variablen Felder von Ablation, Akkumulation, wiedergefrorenem Schmelzwasser und klimatischer Massenbilanz für anschließende geostatistische Studien genutzt. Diese Studien werden potentielle Einflüsse der raumzeitlichen Variabilität von großräumigen Mustern des Luftdrucks, der Meereisbedeckung und der Meeresoberflächentemperatur auf die Variabilität der Gletschermassenbilanz auf Svalbard identifizieren und analysieren. Auch Telekonnektionen zu fernen Modi der atmosphärischen Zirkulation werden durch Studien bezüglich der potentiellen Einflüsse verschiedener atmosphärischer Zirkulationsindizes in die Betrachtungen einbezogen.
Wolkenbeobachtungen werden mit Aerosolmessungen auf dem Forschungsschiff (FS) Polarstern und einer Eisstation synchronisiert um den direkten und indirekten Aerosoleffekt zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese werden mit dem Zustand der Atmosphäre in Zusammenhang mit deren Strahlungsflüssen am Boden in Verbindung gebracht. Strahlungsschließungsstudien werden durchgeführt um die fernerkundeten Aerosol- und Wolkeneigenschaften mit den in-situ Messungen der Bodenstrahlungsflüsse zu verbinden
Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von Aerosolpartikeln im arktischen Klima und deren Änderung in den vergangenen aber auch in zukünftigen Jahrzehnten. Unter Verwendung eines allgemeinen Zirkulationsmodells der neuen Generation wird der Aerosoltransport und der Einfluss auf Strahlung und Wolken untersucht. Basierend auf Modellsimulationen wird der direkte Strahlungsantrieb und damit verbundene dynamische Rückkopplungsmechanismen für die arktische Region quantifiziert. Dies beinhaltet den Einfluss von Alterungs- und Mischungsprozessen auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften als auch auf den Schnee/Eis-Albedoantrieb. Ein besonderer Fokus wird dabei auf Rußpartikel resultierend aus vermehrten Schiffs- und Waldbrandemissionen gelegt. Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und der Aerosol indirekte Strahlungsantrieb werden untersucht.
Im Rahmen des Projektes werden flugzeuggetragene Untersuchungen von Ferntransport und Austauschprozessen an der sogenannten Tropopause durchgeführt, die die Grenzfläche zwischen der turbulenten Troposphäre und der stabil geschichteten Stratosphäre bildet. Die Region spielt eine zentrale Rolle für die Strahlungsbilanz der Atmosphäre, sodass Änderungen der chemischen Zusammensetzung sich direkt auf die Oberflächentemperatur auswirken können. Die flugzeuggetragenen Messungen in der arktischen Tropopause im Winter haben zum Ziel, speziell die Rolle von gebirgsinduzierten Schwerewellen für einen Spurenstoffaustausch zu untersuchen und die Zeitskalen und Effizienz dieser Prozesse zu bestimmen. Hierzu werden mit hoher zeitlicher Auflösung geeignete Marker für den Transport (CO, N2O) gemessen. Insbesondere N2O eignet sich hervorragend zur Untersuchung dieser dynamischen Vorgänge, da es in der Troposphäre chemisch inert und fast homogen verteilt ist. Auf Grund dieser Tatsache und des stratosphärischen Vertikalgradientes eignet es sich damit hervorragend, die dynamische Prozesse und Wellenausbreitung innerhalb der Stratosphäre zu untersuchen. Jedoch ist der N2O Gradient an der Tropopause nur schwach ausgeprägt, was eine hohe Messpräzision erfordert. Das Institut für Atmosphärenphysik der Universität Mainz verfügt seit Sommer 2013 über eine flugfähige Messinstrumentierung, die die notwendige Präzision des N2O Nachweises erreicht. Mit dieser Technik sollen im Rahmen einer Messkampagne des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Messflugzeug Falcon im Januar 2016 in Kiruna / Nordschweden Untersuchungen im Bereich sogenannter Schwerewellen durchgeführt werden, um:1) den Effekt der Wellen auf die Spurengasverteilungen nachzuweisen und turbulente Transportprozesse mit nie dagewesener zeitlicher und räumlicher Auflösung zu vermessen 2) die relevanten Zeitskalen und Wellenlängen für Transport und Mischung zu bestimmen3) Flüsse durch die Tropopause nachzuweisen und zu bestimmen4) die atmosphärischen Prozesse, die zur welleninduzierten Entstehung von Turbulenz und Mischung führen, zu bestimmen Ein in-situ Nachweis von Mischung und Turbulenz war in dieser Form mit N2O und CO Korrelationen bisher nicht möglich und ist mit der erreichten Zeitauflösung und Präzision momentan weltweit einzigartig. Die Kombination mit den Wind- und Turbulenzmessugen der Falcon erlauben es, Austauschflüsse zu quantifizieren und die relevanten Wellenlängen des Spurenstofftransports zu identifizieren. Vergleiche mit dem EULAG Modell erlauben es, die für die Entstehung von welleninduzierter Turbulenz und Mischung relevanten atmosphärischen Bedingungen zu identifizieren.
Dieses Teilprojekt untersucht die Prozesse, die zur Entwicklung, Lebensdauer und Zerfall von arktischen tiefen Wolken führen. Dabei liegt der Fokus auf deren makro-, mikropysikalischen und dynamischen Eigenschaften als auch deren Wechselwirkung mit heterogenen Oberflächeneigenschaften. Unsere Forschungsstrategie besteht aus einem integrierten Ansatz von Large-Eddy aufgelösten Simulationen (LES) in Verbindung mit neuartigen bodengebundenen Fernerkundungsmethoden. Die Konfiguration des LES wird aus Eulerschen aber auch Lagrangschen Beschreibungen bestehen, wobei die Eulersche Darstellung Langzeit Perioden an einer bestimmten Stelle abdeckt, wohingegen die Lagrangsche Darstellung dafür entwickelt wird die Schiffsrouten mit den Flugzeugmessungen zusammenzuführen.
Die zentralen Zielstellungen dieses Teilprojekts sind (i) die Verbesserung im Verständnis von Rückkopplungsmechanismen zwischen der Atmosphäre und Meereis-Ozean in der Arktis, und (ii) eine Quantifizierung der einzelnen Beiträge der atmosphärischen Zirkulation, der atmosphärischen Grenzschicht (ABL) und Wolkenprozesse, sowie die Meereisveränderung in der der zeitlich beobachteten arktischen Klimaveränderung. Die Unterschiede zwischen dem beobachteten Meereisrückgang und Simulationsergebnissen von aktuellen regional gekoppelten Klimamodellen wird beurteilt. Ensemble-Simulationen mit einem gekoppelten regionalen Atmosphäre-Meereis-Ozean Modells des arktischen Klimasystems HIRHAM-NAOSIM werden mit neuen satellitenabgeleiteten Daten von Meereiskonzentrationen, Meereisdicken und Schneetiefe verglichen.
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.
Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Energie-Rückstreuung aus subgridskaligen Prozessen, in theoretischer Hinsicht sowie in modernen, wirbel-zulassenden oder -auflösenden Ozeanmodellen. Wir untersuchen systematisch Lösungen durch Quantifizierung des Energiebudgets nahe der Gitterskala in Situationen ähnlich zur geostrophischen Turbulenz, durch Evaluation existierender Schließungsansätze, durch Berücksichtigung neuer Ansätze zur minimal dissipativer Subgridskalen-Schließung, und durch den Transfer der besten Ansätze zu Ozean- und Erdsystemmodellen basierend auf den vollen primitiven Gleichungen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 215 |
| Europa | 13 |
| Kommune | 1 |
| Land | 4 |
| Weitere | 1 |
| Wissenschaft | 175 |
| 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 | 175 |
| Lebewesen und Lebensräume | 209 |
| Luft | 226 |
| Mensch und Umwelt | 226 |
| Wasser | 181 |
| Weitere | 226 |