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Hochaufgelöste Messungen von Turbulenz, Wolkenmikrophysik, und Strahlungsabkühlungsraten in der Einmischungszwischenschicht von marinen Stratocumulus-Wolken

Obwohl bisher schon viele Fortschritte im allgemeinen Verständnis von Mischungs- und Strahlungsprozessen in Stratocumulus (Sc) gemacht wurden, verursachen wolkenbedingte Rückkopplungseffekte von Sc Wolken erhebliche Unsicherheiten in Klimaprojektionen. Diese Probleme werden teilweise verursacht durch eine unrealistische Beschreibung der feinskaligen Mischungsprozesse, die hauptsächlich am Oberrand der Wolken stattfinden. Die Strahlungs-Abkühlung am Wolkenoberrand ist eng mit dynamischen und turbulenten Wolkenprozessen verbunden. Abkühlung am Oberrand der Wolken verursacht ein Absinken. Diese Vertikalbewegungen bedingen Turbulenz wodurch trockene und warme Umgebungsluft in die Wolke eingemischt wird, wodurch sich die damit verbundene Verdunstungsabkühlung erhöht. Zur Untersuchung dieser Vorgänge schlagen wir folgende wesentlichen Projektziele vor: (a) die Verbesserung des Verständnisses der feinskaligen Struktur der Einmischungsinversionszwischenschicht (entrainment interface layer, EIL), (b) die Quantifizierung des Einflusses der EIL auf die Einmischung trockener und warmer Umgebungsluft in Sc Wolken, (c) die Bewertung der Rolle von Strahlungserwärmungs- und Abkühlungsraten bei Einmischungsprozessen in Sc Wolken. Um diese Ziele erreichen zu können, werden Beobachtungen vorgeschlagen mit den zwei kombinierten, hubschraubergetragenen Messsystemen ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) und SMART--HELIOS (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem). Die Messungen finden auf den Azoren statt. Beide Messsysteme werden durch einen langsamfliegenden Hubschrauber getragen. Das kombinierte Messsysteme-Paket ermöglicht in-situ Messungen von dynamischen, thermodynamischen, Wolken-mikrophysikalischen, und Strahlungsparametern mit hoher örtlicher Auflösung (überwiegend im cm-Bereich). Kein anderes Messsystem weltweit erreicht diese hohe Auflösung, die allerdings unabdingbar ist für die Erreichung der Projektziele ist. Dies trifft insbesondere auf die Vermessung der Vorgänge in der EIL zu, welche meist eine vertikale Dicke von nur 10 m aufweist.

GIS-gestütze Ermittlung der Veränderung des Lebensraumes gefährdeter Wildtierarten

Die Wildtierarten Birkhuhn, Schneehuhn sowie Gams- und Steinwild haben sich im Laufe ihrer Evolution perfekt an das Leben in alpinen Lagen, hauptsächlich über der Waldgrenze, angepasst und sind somit Teil dieses sehr empfindlichen Ökosystems. Unter Annahme des Ansteigens der Waldgrenze aufgrund Klimaerwärmung verringert sich der Lebensraum dieser Wildtierarten massiv. Als Grundlage für die Ermittlung der Veränderungen wurde die Temperaturentwicklung der vergangenen 50 Jahre genauer betrachtet sowie das Klimamodell MM5 für eine Abschätzung der zukünftigen Erwärmung herangezogen. Die Temperaturentwicklung in den vergangenen 50 Jahren zeigt für die ersten zwei Dekaden sogar eine Abkühlung, seit 1970 aber einen starken Anstieg. Das Klimamodell prognostiziert für die nächsten 50 Jahre eine Erwärmung von ca. 2,2 C für das Untersuchungsgebiet in den Niederen Tauern. Das Baumwachstum ist sehr stark von der Temperatur abhängig und eine hohe Korrelation zwischen der Wachstumsgrenze von Bäumen und der 10 C Juli-Isotherme wurde nachgewiesen. Das Klimamodell MM5 zeigt für die nächsten 50 Jahre einen prognostizierten Anstieg der Isothermen um ca. 450 Höhenmeter. Prognostizierte Temperaturveränderungen hängen jedoch sehr stark vom verwendeten Klimamodell ab. Über die Geschwindigkeit, mit der sich die Waldgrenze zur temperaturbedingten Wachstumsgrenze hin bewegt, kann keine Aussage getroffen werden und wäre Gegenstand zukünftiger Forschungsarbeiten. Weiters übt die Bewirtschaftung durch den Menschen einen sehr großen Einfluss auf den Verlauf der Waldgrenze aus. Daher ist noch nicht absehbar, wie diese sich verändern wird. Die aktuellen Lebensräume wurden nach einem wissensbasierten Habitatmodell mit Hilfe eines Geografischen Informationssystems (GIS) erstellt. Unter der Annahme, dass die zukünftige Waldgrenze die Höhe der berechneten Isotherme für die Dekade 2040-2050 erreicht, führt diese Verschiebung zu einem dramatischen Verlust an Lebensraum.

Entwicklung der Fehlerschätzungsmethode für Datenassimilation für allgemeine Ozean-Zirkulationsmodelle

Die 4D-Var Datenassimilation (4D-var DA) ist eine spezielle Methode, die zur Initialisierung von Klima- und Wettervorsagen durch die Schätzung von Klimamodellparametern benutzt wird, in dem Modelle an beobachtende Daten angepasst werden. Aus verschiedenen Gründen führen DA unvermeidliche methodische Fehler ein, die sich auf die Genauigkeit der Modellvorhersagen auswirken. Aktuelle Methoden zur Fehlerkorrektur brauchen erhebliche Computerressourcen. Dies ist ein Grund, warum die Verwendung dieser Methoden in der Klimamodellierung begrenzt ist und sie nur in vereinfachten Versionen angewandt werden. Die Entwicklung einer konzeptuell neuartigen, robusten und effizienten, nichtlinear-variationellen Fehlerschätzungsmethode (NOVFEM) ist Ziel dieses Projekts. Diese Methode wird Fehler von DA Methoden schätzen und die notwendigen Korrekturen bestimmen. Im Besonderen ist es geplant, VOVFEM im Rahmen einer Anwendung in Klimavorhersagesystemen zu entwickeln. Der Vorteil der vorgeschlagenen Methode ist, dass der Algorithmus auf einer abstrakten mathematischen Formulierung basiert und deshalb in vielen geophysikalischen Bereichen angewandt werden kann. Eine weitere Innovation dieses Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur schnellen und einfachen Berechnung von inversen Kovarianzmatrizen, die z. B. Anwendung in DA finden. Die vorgeschlagenen Methode ist im Vergleich mit existieren Methoden effizienter. Es wird erwartet, dass die theoretischen Ergebnisse dieses Projekt national und international veröffentlicht werden und ein freier Zugang zur NOVFEM Software wird bereitgestellt werden.

Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause

Wasserdampf ist das wichtigste natürliche Treibhausgas. Änderungen in der stratosphärischen Wasserdampfkonzentration und dessen Verteilung können den Strahlungshaushalt und die Oberflächentemperaturen der Erde beeinflussen und sich auf die Chemie der Stratosphäre auswirken. Wasser ist außerdem ein zentraler Bestandteil polarer Stratosphärenwolken (PSCs), die eine Schlüsselrolle beim Ozonabbau über den Polarregionen spielen. In der untersten Stratosphäre (LMS) können Zirrus Wolken wichtige Effekte in Bezug auf Chemie und Strahlung hervorrufen und dennoch sind deren Bildungsmechanismen noch weitgehend unbekannt. Dabei reagiert gerade die Region um die Tropopause besonders empfindlich auf kleinste Veränderungen in der Wasserdampfkonzentration und ein detailliertes Verständnis mikrophysikalischer Wolkenprozesse ist daher eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Klimaprognosen. Im Rahmen des Projektes 'Stratosphärische Wasserdampf Simulationen: Von den Polarregionen zur Tropischen Tropopause' werden vor dem Hintergrund einer verbesserten Repräsentation in globalen Simulationen (i) Ausfrierprozesse im tropischen Tropopausenbereich (TTL), (ii) Zirren in der LMS über den mittleren Breiten sowie (iii) PSCs und deren Auswirkungen auf den polaren Ozonverlust untersucht. Eine Vielzahl neuer Messungen und Studien zu PSCs hat das konventionelle Verständnis einzelner Bildungsmechanismen hinterfragt. Die verschiedenen Wege der Nukleation sollen im Hinblick auf ihr Potential zur Chloraktivierung quantifiziert werden, um so verfeinerte Vorhersagen zur Erholung der Ozonschicht zu erreichen. Ein Hauptziel des vorliegenden Projektes soll außerdem die Erforschung stratosphärischer Zirren, sowohl in den mittleren Breiten, als auch in der TTL bilden. Der Beitrag von Zirrus Wolken zum Strahlungshaushalt hängt stark von der Größenverteilung und damit von der Nukleationsrate der Eispartikel ab und bleibt weiterhin ein hoher Unsicherheitsfaktor in Klimavorhersagen. Darüber hinaus gilt es die Dehydrierung aufsteigender Luftmassen durch die TTL besser zu verstehen. Das Chemisch Langrangesche Modell der Stratosphäre (CLaMS), das am Forschungszentrum Jülich entwickelt wurde, ermöglicht eine präzise Modellierung von Dehydrierung und Denitrifizierung, Prozesse die sowohl die Ozonzerstörung beeinflussen als auch die Zusammensetzung der Stratosphäre kontrollieren. In Kombination mit hochaufgelösten in-situ Messungen und globalen Satellitendaten soll die Mikrophysik stratosphärischer Eiswolken in einzigartiger Weise untersucht werden. Eine Kopplung des Lagrangeschen Transportschemas in CLaMS mit dem Klimamodell EMAC ermöglicht es, die Auswirkungen von Veränderungen im stratosphärischen Wasserdampf auf Temperaturen an der Erdoberfläche zu untersuchen. Damit trägt dieses Projekt entscheidend zu einem verbesserten Verständnis der Schlüsselprozesse bei, die Schwankungen und Trends im stratosphärischen Wasserdampf und die dekadische Variabilität im Klimaantrieb bestimmen.

Klimawandel und sein Einfluss auf Schädlinge in Museen in Deutschland

Zielsetzung: Der Klimawandel beeinflusst nicht nur natürliche Ökosysteme auf der Erde, sondern wirkt sich ebenso auf das Klima in Städten und das Innenklima in Gebäuden aus. Dadurch werden auch kulturelle Einrichtungen wie Museen, deren Depots, Bibliotheken, Archive und historische Gebäude beeinflusst. Langanhaltenden Hitzeperioden führen im Sommer zu einem Anstieg der Innenraumtemperatur in Museen. Klimaanlagen, sofern vorhanden, sind für diese hohen Temperaturbereiche oft nicht konzipiert und kommen hier an ihre Grenzen. Insekten sind von ihrer Umgebungstemperatur abhängig und es ist zu erwarten, dass sie durch die prognostizierten Klimaveränderungen beeinflusst werden. Eine steigende Durchschnittstemperatur und höhere Temperaturmaxima werden vermutlich die Aktivität und auch die Anzahl der Nachkommen erhöhen. Auch neu eingeschleppte Arten in Gebäuden profitieren besonders von diesen Umständen. Schädlinge werden in vielen Museen in Deutschland bereits im Rahmen eines integrierten Schädlingsmanagement durch ein Monitoring überwacht. Es gibt aber keine Auswertung über deren Verbreitung, Häufigkeit und die erhöhten Risiken durch den Klimawandel. Dieses Projekt untersucht den Einfluss des Klimawandels (höher Durchschnittstemperatur, Temperaturmaxima, extreme Wetterereignisse) auf Museumschädlinge in Museen in Deutschland. Dazu werden in allen Bundesländern und klimatisch unterschiedlichen Regionen in Deutschland möglichst viele Museen, Depots und historische Gebäude ausgewählt und kontaktiert, um Klimadaten und Daten zu vorkommenden Schadinsekten zu sammeln. Für das Innenraumklima in den Gebäuden (Temperatur und Raumfeuchte) soll zur Zeit- und Kostenersparnis auf bereits vorhandene Daten der Museen zurückgegriffen werden. Zusammen mit Klimaprognosen werden die gefundenen Zusammenhänge dazu verwendet, Projektionen von einzelnen Schädlingsarten und unterschiedlichen geographischen Regionen in Deutschland im Hinblick auf den Klimawandel zu erstellen. Damit soll ein Verfahren etabliert werden, dass das Ableiten von Prognosen einer Befallswahrscheinlichkeit und des Schädigungspotentials ermöglicht, unerwartete Schadensereignisse zu minimieren, die andernfalls massive Gegenmaßnahmen ggf. unter Einsatz chemischer Bekämpfungsmittel erforderlich machen würden. Ziel des IPM in Museen ist es immer einen Schaden an Objekten durch Schädlinge zu vermeiden und als zweiter wichtiger Punkt den Einsatz von chemischen Bekämpfungsmitteln zu vermeiden. -> Beitrag zur Umweltentlastung. Fazit: Das Projekt hat erst 2024 begonnen und wir sind zuversichtlich, interessante Ergebnisse zu finden.

Gemeinsame nationale Initiative zur Validierung von EarthCARE, Teilvorhaben Freie Universität Berlin

Mit welchen Auflösungen lassen sich probabilistische Vorhersagen und Warnungen effektiv kommunizieren?

LURCH - KIMoDIs: KI-basiertes Monitoring-, Datenmanagement- und Informationssystem zur gekoppelten Vorhersage und Frühwarnung vor Grundwasserniedrigständen und -versalzung

Forschergruppe (FOR) 1095: Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP), Forschergruppe (FOR) 1095: Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP)

Future global climate change resulting from anthropogenic activity is now inevitable. The consequences for the stratosphere are poorly understood. A better understanding of the interactions between atmospheric chemistry and climate change is urgently required. This is a prerequisite for impact assessment and the definition of mitigation strategies. The DFG Research Unit Stratospheric Change and its Role for Climate Prediction (SHARP) addresses this issue and aims to improve our understanding and ability to predict global climate change and its interplay with the stratosphere. SHARP follows the recommendations for research, formulated by the Stratospheric Processes and their Role in Climate (SPARC) Programme of the World Climate Research Programme (WCRP). SHARP will focus on the quantitative detection, attribution and prediction of changes in stratospheric dynamics and composition linked to climate change and their implications for the troposphere. The evolution of the stratosphere over the next decades in response to climate change is of crucial significance for the atmosphere as a whole. A unique window of opportunity exists to exploit the investment in the development of remote sensing and atmospheric modelling for scientific objectives of societal relevance, which provide the evidence base needed by international policymakers. To address these issues SHARP brings together excellent national expertise in state-of-the-art climate models and observations, in particular those derived from satellite instruments. SHARP will provide an important contribution by German scientists to the upcoming international WMO/UNEP and IPCC assessments.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1266: Integrated Analysis of Interglacial Climate Dynamics (INTERDYNAMIC), Schwerpunktprogramm SPP 1266: Integrierte Analyse zwischeneiszeitlicher Klimadynamik (Interdynamik)

Das Schwerpunktprogramm setzt sich zum Ziel, das Verständnis der Klimadynamik anhand quantitativer Untersuchungen des Paläoklimas im Hinblick auf zukünftige Klimaprognosen zu verbessern. INTERDYNAMIK verfolgt einen integrativen Ansatz der Paläoklimaforschung, in dem alle verfügbaren Paläoklimaarchive (terrestrische und marine sowie Eisbohrkerne) miteinander verknüpft werden sollen, um zu einer möglichst umfassenden, quantitativen Analyse globaler Umweltvariationen zu gelangen. Darüber hinaus wird eine enge Verzahnung von Paläoklimarekonstruktionen mit Ergebnissen aus der Erdsystemmodellierung weitreichende Einblicke in die Dynamik von Klimavariationen liefern, die von großer Relevanz für eine Abschätzung zukünftiger Klimaveränderungen sind. Die Untersuchungen sollen auf spätpleistozäne Warmzeiten (inklusive deren Beginn und Ende) im vorindustriellen Zeitraum bis circa eine Million Jahre vor heute beschränkt sein. Im Hinblick auf die globalen Aspekte des Klimawandels wird der Schwerpunkt der Untersuchungen in INTERDYNAMIK auf globalen und überregionalen (z. B. kontinent- und beckenweiten) Skalen liegen. Die folgenden Schlüsselfragen werden im Zentrum der Untersuchungen stehen: (1) Welche Amplitude haben natürliche Klimavariationen auf Zeitskalen von einigen Jahren bis Jahrtausenden? (2) Wie verändern sich Klimavariabilitätsmuster in Zeit und Raum? (3) Treten abrupte Änderungen der großskaligen Ozeanzirkulation im Atlantik in Interglazialen auf? (4) Welche biogeochemischen Rückkopplungsmechanismen bestimmen die natürlichen Grenzen der atmosphärischen Treibhausgas- und Aerosolkonzentration? (5) Welche Wechselwirkungen existieren zwischen Klima und vorindustriellen Kulturen?. Grundlage für die Bearbeitung dieser Fragestellungen bildet die Kombination zeitlich hochauflösender Klimainformationen aus Eisbohrkernen, marinen und terrestrischen Archiven mit einer modernen Erdsystemmodellierung. INTERDYNAMIK sieht ausschließlich sogenannte Dual+-Verbundprojekte vor, in denen mindestens zwei der Forschungsfelder Eisbohrkerne, marine Archive, terrestrische Archive und Erdsystemmodellierung vertreten sein müssen. Über die Dual+-Projekte wird eine enge disziplinen- und ortsübergreifende Zusammenarbeit von universitären und außeruniversitären Arbeitsgruppen angestrebt.

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