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.
Um den Einfluss von Modelländerungen die von den anderen Forschungsbereichen des SFB/TRR erarbeitet wurden auf die Resultate von zwei modernen deutschen Klimamodellen (ICON-A/ICON-O und ECHAM6/FESOM) zu beurteilen, werden Metriken und Fehlerdiagnosen entwickelt. Mit Hilfe des 'Earth System Model Validation Tool' werden diese für die Partner verfügbar gemacht. Es sollen Protokolle für numerische Experimente entwickelt werden um die Modelle, ihre Reaktion auf geänderten Antrieb und Randbedingungen effektiv zu evaluieren sowie die Sensitivität auf die numerische Formulierung und Parametrisierungen zu beschreiben.
Trockengebiete bedecken große Teile der Landoberfläche und obwohl die Böden in Trockengebieten nur geringe Gehalte an organischem Kohlenstoff (OC) aufweisen, speichern sie einen erheblichen Teil der globalen OC-Vorräte im Boden. Derzeit ist es aber nicht möglich, die Auswirkungen der durch den Klimawandel prognostizierten Ausdehnung der Trockengebiete auf die Vorräte an OC im Boden vorherzusagen. Steigende Trockenheit beeinflusst die Prozesse des ober- und unterirdischen Streuabbaus und der Stabilisierung der organischen Bodensubstanz unterschiedlich. Es ist wenig bekannt über die Folgen zunehmender Trockenheit auf abiotische Prozesse des Streuabbaus wie Foto- und thermische Degradation sowie über Stabilisierungsprozesse der SOM, d. h. Aggregierung und Bildung von mineral-assoziierter organischer Substanz (MAOM) aus Blatt- und Wurzelstreu. Im Projekt werden wir einen einzigartigen Niederschlagsgradienten in Israel (gleiches Ausgangssubstrat) nutzen und die Hypothese testen, dass zunehmende Trockenheit zu einer zunehmenden Entkopplung der Mechanismen führt, die für den ober- und unterirdischen Streuabbau sowie für die Stabilisierung von SOM verantwortlich sind. Wir gehen davon aus, dass zunehmende Trockenheit den Abbau der Wurzelstreu stärker beeinflusst als den Abbau der Blattstreu. Des Weiteren nehmen wir an, dass zunehmender Niederschlag die Bildung von MAOM insbesondere aus Wurzelstreu fördert, während zunehmende Trockenheit einen höheren Anteil der Aggregierung an der SOM-Stabilisierung nach sich zieht. Wir werden den Streuabbau und die Stabilisierung von SOM untersuchen, indem wir 13C-markierte Streu (Spross, Wurzeln) einer einjährigen krautigen Pflanze entlang des Trockenheitsgradienten ausbringen. Den Einfluss der räumlichen Heterogenität der Vegetationsbedeckung wird berücksichtigt durch das Einbeziehen von Flächen unter sowie zwischen Sträuchern. Die Verwendung stabiler Isotope ermöglicht es uns, sowohl den Streuabbau als auch die Prozesse der SOM-Stabilisierung unter möglichst natürlichen Bedingungen entlang des Gradienten zu quantifizieren. Gemessene 13CO2-Flüsse im Feld werden mit den Informationen zum Einbau des 13C-Tracers in Fraktionen der SOM (gewonnen durch Dichtefraktionierung), EPS und der Aggregatstabilität kombiniert. Dies wird es ermöglichen, die SOM-Stabilisierungsmechanismen in Abhängigkeit der Trockenheit und der Vegetationsbedeckung zu erfassen. Die Ermittlung des Streuabbaus im Gelände wird mit Laborexperimenten kombiniert, um die Bedeutung abiotischer Prozesse für den Streuabbau zu quantifizieren. Unser komplementärer Ansatz wird ein umfassendes Bild über die Steuerung des Streuabbaus und der SOM-Stabilisierung in (semi)ariden Klimazonen ermöglichen. Dies wird die Grundlagen verschiedene Modellierungsansätze (Boden-C, Erdsystem) in ariden und semiariden Regionen bei zunehmender Trockenheit entscheidend verbessern.
Die Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL), eine Schicht mit erhöhtem Aerosolgehalt, tritt jedes Jahr von Juni bis September in 14-18 km Höhe in einem Gebiet auf, das sich vom Mittelmeer bis zum westlichen Pazifik erstreckt. Hinsichtlich der Zusammensetzung der Partikel, sowie ihrer Bedeutung für die Strahlungsbilanz in dieser klimasensitiven Höhenregion bestehen große Unsicherheiten. Die bisher einzigen Flugzeugmessungen aus dem Zentrum der ATAL wurden 2017 im Rahmen der StratoClim Kampagne von Kathmandu aus gewonnen. Dabei entdeckten wir mit Hilfe des Infrarotspektrometers GLORIA auf dem Forschungsflugzeug Geophysica, dass feste Ammoniumnitrat (AN) â€Ì Partikel einen beträchtlichen Teil der Aerosolmasse ausmachen. Diese zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Zudem zeigte die gleichzeitige Messung von Ammoniakgas (NH3) durch GLORIA, dass dieses Vorläufergas durch starke Konvektion in die obere Troposphäre verfrachtet wird. Im Rahmen der PHILEAS-Kampagne schlagen wir eine gemeinsamen Betrachtung von atmosphärischen Modellsimulationen und Messungen vor, um die Zusammensetzung, Ursprung, Auswirkungen und Verbleib der ATAL-Partikel zu untersuchen â€Ì insbesondere im Hinblick auf ihre Prozessierung sowie ihren Einfluss auf die obere Troposphäre und die untere Stratosphäre der nördlichen Hemisphäre. Messungen von monsunbeeinflussten Luftmassen über dem östlichen Mittelmeer sowie über dem nördlichen Pazifik werden es uns erlauben, Luft mit gealtertem Aerosol- und Spurengasgehalt zu analysieren und damit die StratoClim-Beobachtungen aus dem Inneren des Monsuns zu komplementieren. Um dabei die wahrscheinlich geringeren Konzentrationen an Aerosol und Spurengasen zu quantifizieren, schlagen wir vor, die GLORIA-Datenerfassung von NH3 und AN u.a. durch die Verwendung neuartiger spektroskopischer Daten zu verbessern. Ferner werden wir die Analyse der GLORIA-Spektren auf Sulfataerosole sowie deren Vorläufergas SO2 auszudehnen. Auf der Modellseite werden wir das globale Wetter- und Klimamodellsystem ICON-ART weiterentwickeln, um die ATAL unter Einbeziehung verschiedener Aerosoltypen (Nitrat, Ammonium, Sulfat, organische Partikel, Staub) zu simulieren â€Ì unter Berücksichtigung der hohen Eiskeimfähigkeit von festem AN. Modellläufe werden durchgeführt, um einerseits einen globalen Überblick über die Entwicklung der ATAL 2023 zu gewinnen und zudem detaillierte, auf die relevanten Kampagnenperioden zugeschnittene, wolkenauflösende Informationen über die Aerosol-Wolken-Strahlungs-Wechselwirkungen zu erhalten. Über die direkte Analyse der PHILEAS-Kampagne hinausgehend wird diese Arbeit die Grundlage für eine verbesserte Analyse von Aerosolparametern aus GLORIA-Beobachtungen früherer und zukünftiger HALO-Kampagnen sowie aus Satellitenbeobachtungen legen. Darüber hinaus wird sie ICON-ART, einem der zentralen Klimamodellsysteme in Deutschland die Simulation von Aerosolprozessen sowie Aerosol/Wolken-Wechselwirkungen im Zusammenhang mit der ATAL ermöglichen.
Kopplungsprozesse zwischen der Ionosphäre und der neutralen Atmosphäre spielen eine wichtige Rolle für die dynamischen Prozesse in der oberen Atmosphäre. Neue Fortschritte im Verständnis dieser Prozesse wurden erreicht seitdem Satelliten im erdnahen Orbit kontinuierlich hochgenaue Daten der thermosphärischen und ionosphärischen Parameter (z.B. Massendichten, zonale Winde und Elektronendichteprofile) bereitstellen. Mit diesem Projekt planen wir die Beobachtung der Auftretenshäufigkeit und Eigenschaften sporadischer E Schichten auf globaler Skala. Die Untersuchungen basieren auf GPS Radiookkultationen der Satelliten CHAMP, GRACE, TerraSAR-X, TanDEM-X und FORMOSAT-3/COSMIC. Seit dem Start des Satelliten CHAMP im Jahre 2001 wurden mehr als 5 Millionen der Radiookkultationsprofile aufgezeichnet, was ermöglicht, dass das Auftreten und die Eigenschaften der sporadischen E Schichten in hoher räumlicher Auflösung analysiert werden können. Weiterhin ermöglicht die Zeitreihe erste statistische Trendanalysen der genannten Parameter. Während der Durchführung des Projektes soll der momentan genutzt numerischer Algorithmus zur Detektion von sporadischen E Schichten um ein Modul erweitert werden, der ermöglichen wird auch Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Schichten zu ziehen. Globale Beobachtungen der Intensitäten sporadischer E Schichten existieren aktuell nicht und werden von uns zum erstmalig bereitgestellt werden. Diese Datenbasis kann genutzt werden, um statistische Änderungen im Verhalten der sporadischen E Schichten zu Untersuchen. Ebenfalls werden wir untersuchen, ob Abhängigkeit der sporadische Eigenschaften von anderen geophysikalischen Parametern, wie beispielsweise die Abnahme des Erdmagnetfeldes, der Solarzyklus, atmosphärische Gezeiten, Meteoreinfall oder Plamadichteabnahmen in der Ionosphäre zu finden sind.
Das ionosphärische/thermosphärische (I/T) System unterliegt zum einen solaren und magnetosphärischen Einflüssen und wird ebenfalls von zwar kleinskaligen, aber persistenten und darum bedeutenden Prozessen aus der mittleren Atmosphäre angetrieben. Gerade der zuletzt genannte Einfluss wird seit Jahren vermutet, es konnte jedoch bis jetzt kein klarer Beleg für die Kopplung gefunden werden. Alle Anregungen aus der mittleren Atmosphäre müssen sich durch die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) ausbreiten. Dabei wechselwirken die Wellen untereinander und koppeln an die I/T. Diese Kopplung kann (a) durch die direkte Ausbreitung von primären (oder sekundären) Wellen, und /oder (b) indirekt durch den E-Region-Dynamo erfolgen. Deshalb ist die MLT generell von Bedeutung für die dynamische Anregung der I/T, in mittleren und hohen Breiten tritt sie aber besonders hervor: (1) auf diesen Breiten wurden bislang wenige Untersuchungen des I/T Systems (z.B. der Gezeiten) durchgeführt, was auf die unzureichende Auflösung der meisten Satelliten zurückzuführen ist, und (2) aktuelle Studien mit globalen gekoppelten Atmosphären/Ionosphären Simulationen zeigen, dass gerade bei diesen Breiten die solaren und lunaren Gezeiten, die für viele elektrodynamische Effekte in niedrigen Breiten verantwortlich sind, besonders große Amplituden während stratosphärischer Erwärmungen (SSW) erreichen. Wir beantragen, die einzigartigen Radars und Lidars des IAP in mittleren und hohen Breiten zu nutzen, um den Grundstrom, die Wellen und deren Wechselwirkungen in der MLT zu charakterisieren. Die lokalen Radarwindbeobachtungen erfolgen kontinuierlich in einem Höhenbereich von 70 -100 km und können durch Lidarmessungen zu niedrigeren Höhen erweitert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung der vertikalen Ausbreitung von Wellen im Wind und der Temperatur. Diese Studien werden zusätzlich durch Satellitendaten und Re-Analyse komplementiert, um sowohl regional als auch global den Antrieb durch die mittlere Atmosphäre zu erfassen. Die direkte Kopplung wird durch Vergleiche der saisonalen und jährlichen Gezeiten über den Radaren mit den thermosphärischen Daten der Satelliten aus den Überflügen mit polaren Orbits untersucht. Der Einfluss des E-Region-Dynamos wird mit Hilfe von Simulationen gekoppelter Atmosphären/Ionosphären-Modellen analysiert und beinhaltet die Anregung der lunaren Gezeit in Zeiträumen mit und ohne SSW. Die Modelle werden mit bodengebunden Beobachtungen und satellitengestützten ionosphärischen Daten verglichen und validiert. Neben vielen offenen Fragen zur Kopplung der MLT mit dem I/T-System, erwarten wir insbesondere Ergebnisse zu folgenden Fragen: (a) Wie wirkt sich die beobachtete Kurzzeitvariabilität der MLT auf Wellen und dem Grundstrom in Bezug zum I/T Wetter aus?, (b) Was sind die Charakteristiken der solaren und lunaren Gezeiten für verschiedene Strukturen des polaren Wirbels während SSW und welche Auswirkungen entsprechen diesen im I/T-System?
Die Wärmeaufnahme und der meridionale Wärmetransport der globalen Ozeanzirkulation ist ein zentraler Bestandteil des Klimasystems der Erde. Die damit einhergehenden Massentransporte finden auf Zeitskalen von Tagen bis Jahrtausenden statt. Die SWARM mission ermöglicht mit ihrer angestrebten Präzession von 0.1 nT erstmals einen direkten Blick auf diese Prozesse. Das beantragte Projekt verbessert, quantifiziert und charakterisiert die auf die Ozeanzirkulation zurückgehenden Signale im Magnetfeld der Erde. Ein Ensembleansatz wird mit einem globalen Ozeanzirkulationsmodell kombiniert um Charakteristika der strömungsinduzierten Signale zu abzuleiten. Diese Charakteristika beinhalten Wertebereich, Pattern, Frequenzen, Fehler und Korrelationen der ozeanischen Magnetfelder. Weiterhin werden die Sensitivitäten der ozeanischen Magnetfeldberechnung bezüglich der Annahmen: Salzgehalts und Temperaturabhängige Leitfähigkeit und konstante Leitfähigkeit, 2D- und 3D-Strömungsverteilung, Gleichgewichtslösung und zeitliche Variabilität der Lösung, untersucht. Die identifizierten Signale, ihre Fehler und entsprechende Korrelationen können benutzt werden, die SWARM-Messungen vom ozeanischen Signalanteil zu befreien. Dies ist insbesondere für die nicht-ozeanischen Projekte innerhalb des SPP wichtig, da die integralen SWARM-Messungen nur Informationen über einzelne Erdsubsysteme liefern können, wenn alle anderen Signalbeiträge und ihre Fehler entweder genau bekannt oder zumindest gut charakterisiert sind. Im Hinblick auf ein zukünftige Datenassimilation der Magnetfeldmessungen mit Ozeanmodellen, wird das beantragte Projekt untersuchen, welche ozeanischen Signale und Frequenzen aus aktuellen oder zukünftigen satellitenbasierten Magnetfeldmissionen separiert werden können. Mithilfe des Ozeanmodell-Ensembles werden robuste ozeanische Magnetfeldsignale ermittelt. Dies sind Signale, die von unsicheren Annahmen bei der Magnetfeldberrechung (z.B., durch Unsicherheiten in der Hintergrundleitfähigkeit) und dem Ozeanmodell (z.B. durch Unsicherheiten im Anfangszustand und dem Modellantrieb) wenig beeinflusst werden. Im Anschluss an die Identifizierung werden die robusten Signale mit den Signalen der nichtozeanischen Erdsubsysteme und den SWARM-Messunsicherheiten abgeglichen. Dieser Abgleich wird den gesamten Informationsgewinn des DynamicEarth Schwerpunktprogramms nutzen.
Innerhalb des TR 172 Antrages werden Mittel für die zentrale Koordinierung beantragt. Dieses Teilprojekt dient dazu die Kooperationen und Kommunikation im Verbund unter den einzelnen wissenschaftlichen Projekten und Clustern zu fördern. Aus diesem Grund werden monatliche Videokonferenzen, halbjährliche Meetings, jährliche wissenschaftliche Konferenzen, als auch spezielle Workshops organisiert und durchgeführt. Die Mittel für Gleichstellungsmaßnahmen werden dazu verwendet um junge Wissenschaftler/innen in Zusammenarbeit mit lokalen Graduiertenschulen zu trainieren. Die internationale Präsenz des TR 172 wird etabliert. Eine Internetseite wird erstellt und implementiert. Die logistische Organisation und wissenschaftliche Planung von intensiven Messkampagnen innerhalb des TR 172 werden durch das Projekt Z01 unterstützt. Öffentlichkeitsarbeit zwischen den verschiedenen Partnern wird organisiert und koordiniert.
Der vorliegende Antrag ist der HALO Mission WISE zuzuordnen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bildung der Tropopauseninversionsschicht (TIL) und deren Einfluss auf Stratosphären-Troposphären Austausch (STE) auf der Mesoskala. Diesem Projekt dienen idealisierte Studien der TIL in baroklinen Lebenszyklen als Grundlage. Die Hauptziele sind dabei die Überprüfung der Ergebnisse der idealisierten Studien zur TIL Bildung genauso wie ein erweitertes Verständnis der Prozesse, die zum STE auf der Mesoskala beitragen. Dabei soll auf drei wissenschaftliche Fragestellungen genauer eingegangen werden: (1) Wie stark schwankt die TIL in ihrem Auftreten über dem Nordatlantik, vor allem im Bereich barokliner Lebenszyklen und im Bereich von STE? (2) Welche Prozesse liefern den größten Beitrag zur TIL auf der Mesoskala und welchen Einfluss hat dies auf STE? (3) Wie groß ist der Beitrag von klein-skaligen Wellen in der unteren Stratosphäre auf die TIL Bildung und die Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht? Eine Kombination von Methoden wird verwendet werden um diese Fragen zu beantworten. Analysedaten des EZMW werden zusammen mit Lagrangeschen Methoden benutzt, um die TIL und STE über dem Nordatlantik zu untersuchen. Der Nordatlantik ist das Gebiet, das auch während WISE untersucht werden soll. Darüber hinaus sollen für WISE hoch aufgelöste Modellsimulationen mit dem neuen numerischen Wettervorhersagemodell ICON durchgeführt werden. Dabei sollen zum einen die Beiträge diverser Prozesse auf die Bildung der TIL am Beispiel von realen Zyklonen und Antizyklonen untersucht werden. Des Weiteren sollen die Modelldaten zusammen mit Beobachtungsdaten verwendet werden um den Einfluss der TIL und von klein-skaligen Wellen auf die vertikale Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht zu bestimmen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 288 |
| Europa | 3 |
| Land | 2 |
| Weitere | 1 |
| Wissenschaft | 195 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 3 |
| Förderprogramm | 276 |
| Text | 9 |
| unbekannt | 2 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 11 |
| Offen | 279 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 195 |
| Englisch | 171 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Bild | 2 |
| Datei | 3 |
| Dokument | 5 |
| Keine | 164 |
| Unbekannt | 1 |
| Webseite | 122 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 290 |
| Lebewesen und Lebensräume | 250 |
| Luft | 290 |
| Mensch und Umwelt | 289 |
| Wasser | 290 |
| Weitere | 287 |