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.
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.
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.
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.
Ein verbessertes IDEMIX-Modell für den Ozean wird erweitert um ein neues hochfrequentes, 'high-mode' Energiekompartment, Antrieb durch Dissipation mesoskaliger Wirbel, anisotropen Gezeitenantrieb sowie der Interaktion der Wellen mit der mittleren Strömung. Es wird validiert mit Hilfe von Beobachtungen und Modellergebnissen der Forschungs-Bereiche T, W und L und in ICON und FESOM implementiert in Zusammenarbeit mit dem Synthese-Bereich S.
Basierend auf den aktuellen Daten hochauflösender Wettermodelle von verschiedenen internationalen Modellierungszentren sollen die atmosphärischen Anregungsmechanismen der Rotationsvariationen der Erde auf der täglichen Zeitskala untersucht werden. In Ergänzung zu den operationellen atmosphärischen Vorhersagedaten wird auch auf entsprechende Reanalyse-Zeitreihen mit mindestens dreistündiger zeitlicher Auflösung zurückgegriffen. Genutzt werden in erster Linie Daten des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF), zu Vergleichszwecken werden die U.S.-amerikanischen Wettermodelle des National Center for Environmental Prediction (NCEP) und der National Aeronautics and Space Administration (NASA) herangezogen. Zur Berücksichtigung der dynamischen Reaktion der Ozeane auf die in diesen Daten enthaltenen sub-täglichen atmosphärischen Variationen sind zusätzlich Simulationen mit dem globalen numerischen Ozeanmodell für Zirkulation und Gezeiten (OMCT) vorgesehen, um so alle für tägliche Variationen der Erdrotation relevanten geophysikalischen Fluide im globalen Maßstab zu berücksichtigen. Neben einer Aufstellung von individuellen Drehimpulsänderungen für die betrachteten Subsysteme ist insbesondere die Analyse von Drehmomenten an den horizontalen und lateralen Grenzflächen zwischen Atmosphäre, Ozean und fester Erde vorgesehen. Damit soll ein besseres Verständnis der dominierenden physikalischen Transferprozesse für den Drehimpuls in den betrachteten Modellen erreicht, und gleichzeitig eine durchgreifende numerische Validation der analytisch demonstrierbaren Äquivalenz zwischen Drehimpuls- und Drehmomentenansatz angestrebt werden. Auch wenn ein Hauptteil der Arbeiten in ASPIRE den atmosphärischen Drehimpulsen und -momenten gewidmet sein wird, so erlauben die geplanten Experimente mit dem OMCT zusätzlich eine Abschätzung der ozeanischen Beträge zum Drehimpuls-Budget, und ermöglichen so schlussendlich die Vergleichbarkeit der Modellresultate mit beobachteten nichtstationären Erdrotationsvariationen auf täglichen und halbtägigen Perioden.
Neben der thermischen Schichtung bestimmt wesentlich der Turbulenzzustand eine Vielzahl der in der bodennahen Windgrenzschicht ablaufenden Strömungs- und Transportprozesse. Das vom Menschen wahrnehmbare Mikroklima, Windlasten oder z.B. die Windenergiegewinnung werden substanziell von Turbulenzphänomenen im bodennahen Wind beeinflusst. In der durch Orographie, Bebauung und Bewuchs unmittelbar beeinflussten bodennahen Windgrenzschicht ist die Dynamik des Windes hochkomplex und deshalb auch heute noch Gegenstand der Forschung. Turbulenzphänomene im bodennahen Wind können prinzipiell mit Hilfe von Naturmessungen oder mit Hilfe numerischer oder physikalischer Modelle untersucht werden. Die Repräsentativität und Verallgemeinerbarkeit von Naturversuchen zur Turbulenzcharakterisierung wird allerdings durch die begrenzte 'räumliche Auflösung' bzw. Datendichte und die ständig wechselnden, in der Regel nicht vollständig dokumentierbaren Strömungsrandbedingungen limitiert. Die an einem Standort erhobenen Naturdaten können nicht ohne vereinfachende Annahmen verallgemeinert und nur bedingt auf andere orographische Verhältnisse übertragen werden. Auch bei der mathematisch numerischen Modellierung kleinskaliger turbulenter Strömungs- und Transportprozesse wird auf eine Reihe vereinfachender Annahmen zurückgegriffen. Dennoch kann mit Hilfe partiell wirbelauflösender LES-Modelle ein deutlich besserer Einblick in die Dynamik des bodennahen Windes sowie die Wirkung der Turbulenz auf den bodennahen Stoff- und Impulstransport gewonnen werden. Voraussetzung ist, dass die für die entsprechende Modellanwendung ausreichende Güte der Simulationsergebnisse durch eine anwendungsbezogene, systematische und vollständige Modellvalidierung nachgewiesen wird. Im Projekt wird der Einfluss orographischer Strukturen auf die Turbulenzcharakteristik und Dynamik des bodennahen Windes erstmals systematisch mit Hilfe von Laborversuchen im Grenzschichtwindkanal untersucht und analysiert. Die bodennahe Windturbulenz in Raum und Zeit hinreichend auflösende Simulationen werden mit zeitgemäßer Messtechnik untersucht, um systematische Informationen zu turbulenten Impulsflüssen, Druck-Strömungs-Korrelationen und zum turbulenten Stofftransport in Abhängigkeit von der überströmten Orographie zu gewinnen und entsprechende Kausalzusammenhänge abzuleiten. Gleichzeitig werden für die systematische Validierung wirbelauflösender numerischer Modelle geeignete Referenzdatensätze mit bekannter und dokumentierter Datenqualität erzeugt. Das Projekt legt den Grundstein für einen systematischen Datenfundus, der bisher nicht existiert. Die experimentellen Daten werden noch während der Projektumsetzung in aufbereiteter, qualitätsgesicherter und dokumentierter Form potenziellen Nutzern in einer Referenzdatenbank im Internet zur Verfügung gestellt.
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.
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.
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.
| 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 | 200 |
| Luft | 226 |
| Mensch und Umwelt | 226 |
| Wasser | 181 |
| Weitere | 226 |