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Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt D01: Großräumiger dynamischer Einfluss auf regionale arktische Klimaänderungen

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.

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.

Nutzung von ATTO-Daten zum Testen von Erdsystemmodellen auf der km-Skala (ICON), ATTOsynthesis - Treibhausgasbilanz, Prozessverständnis und skalenübergreifende Modellierung

Führen elektrochemische Prozesse in der Eisphase in hochreichender Konvektion zur Bildung von Partikeln in der oberen Troposphäre?

Der Klimawandel stellt eines der größten Probleme unserer Gesellschaft der nächsten Jahrzehnte dar. Verlässliche Klimaprognosen sind in diesem Zusammenhang von enormer politischer und sozioökonomischer Relevanz. Genaue Vorhersagen sind jedoch derzeit durch ein noch begrenztes Verständnis wichtiger atmosphärischer Parameter, wie zum Beispiel der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre, der Aerosolbelastung, den Zirruswolken und Zirkulationsrückkopplungen in der oberen Troposphäre/unteren Stratosphäre (OTUS) nur sehr eingeschränkt möglich. Insbesondere unser Wissen über die wichtigsten klimarelevanten atmosphärischen Bestandteile wie z.B. der Wasserdampf, Eis- und Aerosolpartikel ist unvollständig.Kürzlich wurden in der OTUS starke Partikelneubildungsereignisse beobachtet, in einer Region, in der Eisbildung und tiefe Konvektion vorherrschen. Es scheint, dass die Region überhalb troposphärischen Wolken ein günstiger Ort für die Bildung neuer Teilchen ist. Der zugrunde liegende Bildungsmechanismus ist jedoch nur sehr qualitativ verstanden. Diese Partikelneubildungsereignisse sind möglicherweise mit der Bildung von kondensierbaren Dämpfen in großer Höhe verbunden und nicht nur mit dem Aufsteigen verschmutzter Luftmassen, die diese enthalten. Partikelneubildung erfordert somit eine Quelle von atmosphärischen Oxidationsmitteln, die die Flüchtigkeit von Vorläufergasen reduzieren, um Partikel im unteren Nanometerbereich durch Gas-zu-Partikel-Umwandlung zu bilden. Diese Oxidationsmittelquelle muss stark genug sein, um mit den durch die bereits vorhandenen Partikel induzierten Kondensationssenken zu konkurrieren.Wir vermuten, dass die Bildung von Eispartikeln durch das Gefrieren von unterkühltem flüssigem Wasser, gefolgt von Wasserkondensation, Quellen von H2O2 oder HOx-Radikalen in der OTUS sind, die zur Partikelneubildung führen Es ist bekannt, dass das Gefrieren wässriger Lösungen elektrische Felder erzeugt (sogenannter Workman-Reynolds-Effekt). In ähnlicher Weise wurde kürzlich gezeigt, dass die bevorzugte Orientierung der Wassermoleküle an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser ein elektrisches Grenzflächenpotential induziert. Solche lokalisierten elektrischen Felder können elektrochemische Prozesse in oder auf den Eispartikeln induzieren, die H2O2 oder HOx produzieren und erheblich zur Oxidationskapazität der Atmosphäre beitragen, wodurch die Bildung neuer Partikel und Wolken und schließlich der Strahlungshaushalt und das Klima der Erde beeinflusst werden. Diese Hypothese wird durch einige sehr aktuelle aktuelle Messungen gestützt.Dieses Projekt hat zum Ziel, diese Oxidationsprozesse zu charakterisieren und quantifizieren.

Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Spontanes Ungleichgewicht (SI)

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.

Speläotheme aus der Sibirischen Arktis: Einzigartige Archive vergangener Temperatur- und Feuchtebedingungen während des späten Miozäns.

Der Beginn der nordhemisphärischen Vereisung und die Entwicklung kontinuierlichen Permafrostes in Eurasien zwischen dem Ende des Miozäns und dem frühen Pleistozän zählt zu den bedeutendsten klimatischen Ereignissen des Känozoikums. Der Zeitpunkt extensiver Vereisung auf den Kontinenten und des Arktischen Ozeans und damit verbundene Veränderungen der klimatischen Bedingungen bleibt bislang ungenau bestimmt.Speläotheme (sekundäre Höhlenkarbonate) stellen ein wichtiges Archiv kontinentaler Umweltbedingungen dar, welches durch besonders genaue radiometrische Altersmodelle für eine grosse Bandbreite an Paläoklimaproxies charakterisiert ist.Wir konnten erfolgreich diagenetisch unveränderte und datierbare Proben aus Zentral- und Nordsibirien identifizieren und schlagen eine Multi-proxy-Studie an U/Pb-datierten Stalagmiten vor. Diese Studie wird Einblicke in die thermalen und hydrologischen Bedingungen zwischen 10.3 Ma und 8 Ma liefern. Wasser aus in den Speläothemen eingeschlossenen Fluidinklusionen wird auf seine Isotopenzusammensetzung hin untersucht. Zudem wird die in den Speläothemen beobachtete Lamination genutzt, um die Saisonalität während des Torton und Messiniums zu rekonstruieren. Wir suchen finanzielle Unterstützung für die parallele Analyse der Isotopie des Fluidinklusionswassers, der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie des Karbonates, und der Elementkonzentration in den Speläothemen. Diese Kombination geochemischer Methoden wird Einblicke in regionale Umweltbedingungen, die Niederschlagshistorie und Temperaturen während des Miozäns und vor der Entwicklung kontinuierlichen Permafrostes geben. Zusätzliche Proben werden genutzt, um den Wechsel vom eisfreien zu einem durch Permafrost charakterisierten Sibirien zeitlich genauer einzugrenzen.Das vorgeschlagene Projekt wird unser Wissen zur atmosphärischen Zirkulation, und daran geknüpfter Veränderungen des Feuchte- und Temperaturregimes während eines saisonal eisfreien Arktischen Ozeans erweitern.

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.

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). Furthermore, 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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