Die zentrale Zielsetzung dieses Teilprojekts ist es die Stärke und Variabilität von Wasserdampfrückkopplungsmechanismen zu bestimmen. Deren Beitrag zur arktischen Verstärkung durch Strahlungseffekte, Wolken und Temperatur, sowie deren Veränderlichkeit über die letzten Jahrzehnte und inwiefern sie zukünftig veränderlich sind wird untersucht. Neue Datensätze von satellitengetragenen Fernerkundungsmethoden, Reanalysen (Arctic System Reanalysis; ASR), und regionale Klimamodellsimulationen (RCM) werden erstellt.
Dieses Teilprojekt schlägt neuartige Beobachtungsstrategien für arktische Wolken vor durch Kombination von flugzeuggetragenen Fernerkundungsmethoden mit in-situ mikrophysikalischen Messungen von Wolken- und Aerosoleigenschaften. Unter der Verwendung von zwei nebeneinanderfliegenden Flugzeugen (Polar 5 & 6) wird es möglich sein die mikrophysikalischen Partikeleigenschaften innerhalb von Wolken gleichzeitig durch in-situ Sensoren zu messen. Ebenfalls wird die vertikale Säule und deren Strahlungseinfluss mittels Fernerkundungsmessungen oberhalb von Wolken gemessen. Beide Kampagnen werden im Sommer 2017 (ACLOUD, Svalbard) und Frühling 2019 (AFLUX, Svalbard und Grönland) durchgeführt um typische arktische Grenzschichtwolken als Teil der hauptsächlichen experimentellen Aktivitäten innerhalb des TR 172 zu untersuchen.
Die umfassende Zielstellung dieses Teilprojektes ist es die thermodynamische Struktur, Wolken, Aerosole, Spurengase und Strahlungseffekte in der atmosphärischen Säule basierend auf einer Langzeitreihe auf der deutsch/französischen Forschungsstelle in Ny-Alesund/Svalbard zu charakterisieren und damit das Zusammenspiel verschiedenster Fernerkundungsinstrumente zu nutzen. Die Daten werden für Modelauswertungen und Verbesserungen verwendet, sowie dienen sie als Referenz für satelliten- und flugzeuggetragene Ableitungsalgorithmen und ergänzen so die in-situ Beobachtungen. Basierend auf hoch-qualitativen Beobachtungsdaten werden Vertikalprofile des thermodynamischen Zustandes, Wolken, Aerosole und Spurengaskonzentrationen unter der Verwendung von integrierten Profilansätzen abgeleitet, welche es erlauben eine Analyse des Strahlungseinflusses von Wolken, Aerosolen und Spurengasen (inklusive Wasserdampf und Ozon) durchzuführen.
Die innerhalb des TR 172 durchgeführten Messungen und Modellstudien werden eine enorme Datenmenge produzieren, welche kombiniert und vergleichbar gemacht werden muss. Dies wird über einen statistischen Ansatz realisiert, welcher die bestehenden Gültigkeiten verschiedenen Techniken berücksichtigt. Weiterhin müssen die Daten in einer Datenbank mit einem hohen internationalen Ansehen gespeichert werden. Diese Datenbank sollte darauf spezialisiert sein, die Daten herunterzuladen und entsprechend zitieren zu können. Wir haben uns dafür entschieden die 'Publishing Network for Geoscientific & Environmental Data' (PANGAEA) Datenbank zu verwenden.
Für die Arktis ist ein diskontinuierlicher Albedo Unterschied zwischen hoch reflektierenden Schnee/Eisoberfächen und meist stark absorbierenden Meeresoberflächen typisch. In diesem Teilprojekt wird quantifiziert inwiefern diese Heterogenität der Reflektionseigenschaften der Erdoberfläche (i) den Strahlungsantrieb von Wolken (Erwärmung/Abkühlung), und (ii) die Fernerkundungsprodukte von Wolken und Aerosolpartikeln beeinflussen. Aus diesem Grund werden flugzeuggetragene Messungen und Strahlungstransfermodellierungen vorgeschlagen.
Das Zusammenspiel von atmosphärischem Wasser und Zirkulation über Beeinflussung des Strahlungshaushalts, den Transport latenter Wärme und Rückkopplungsmechanismen von Wolken ist eines der bedeutendsten Hindernisse für das Verständnis des Klimasystems. Ein Vergleich zwischen Modellen verschiedener Auflösungen und Parameterisierungen kann wertvolle Einblicke in die Problematik geben. Jedoch werden für aussagekräftige Modelltests Messdaten benötigt. In diesem Zusammenhang können Isotopologen des troposphärischen Wasserdampfs eine wichtige Rolle spielen. Das Isotopologenverhältnis reflektiert die Bedingungen am Ort des Feuchteeintrags sowie verschiedene Umwandlungsprozesse (z.B. in Wolken). Während der letzten Jahre gab es großen Fortschritt beim Modellieren und Messen der Isotopologenverhältnisse, so dass kombinierte Untersuchungen nun global zeitlich und räumlich hochaufgelöst durchführbar sind. Das Ziel dieses Projektes ist es, Wasserdampfisotopologe als neue Methode zu etablieren, um modellierte atmosphärische Feuchteprozesse zu testen und damit einige der größten Herausforderungen der aktuellen Klimaforschung anzugehen. Um statistisch robuste Untersuchungen zu ermöglichen, werden wir eine große Anzahl von (H2O, deltaD)-Paaren messen (deltaD ist das standardisierte Verhältnis zwischen den Isotopologen HD16O und H216O). Zum ersten Mal wird dann ein validierter Beobachtungsdatensatz zur Verfügung stehen, der große Gebiete, lange Zeiträume und verschiedene Tageszeiten abdeckt. Gleichzeitig wird ein hochauflösendes meteorologisches Modell, welches die Isotopologe simuliert, benutzt, um zu untersuchen inwiefern sich Eintrag und Transport von Feuchte in den Isotopologen wiederspiegeln. Diese Kombination von Messung und Modell ist einzigartig zum Testen der Modellierung von Feuchteprozessen. Das Potential der Isotopologen wird anhand von drei klimatisch interessanten Regionen aufgezeigt. Für Europa wird unser Ansatz einen wertvollen Einblick in den Zusammenhang zwischen Feuchteeintrag und den Isotopologen im Falle hochvariablen Wettergeschehens geben. Über dem subtropischen Nordatlantik werden wir Mischprozessen zwischen der marinen Grenzschicht und der freien Troposphäre untersuchen. Die verschiedenartige Einbindung dieser Prozesse in Modelle ist sehr wahrscheinlich ein Grund für die große Unsicherheit bei Rückkopplungsmechanismen von Wolken. Über Westafrika wird die Modellierung des Monsuns getestet (horizontaler Feuchtetransport, Feuchterückfluss von Land in die Troposphäre, und Tagesgänge in Zusammenhang mit vertikalen Mischprozessen). Die Frage, wie organisierte Konvektion die Monsunzirkulation und die Feuchtetransportwege beeinflusst, wird dabei von besonderem Interesse sein. In Kombination werden die Ergebnisse helfen, Defizite in aktuellen Wetter- und Klimamodellen aufzuspüren und besser zu verstehen, und dadurch einen wichtigen Beitrag für zukünftige Modellverbesserungen liefern.
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.
Confronting Climate Change is one of the paramount societal challenges of our time. The main cause for global warming is the increase of anthropogenic greenhouse gases in the Earth's atmosphere. Together, carbon dioxide and methane, being the two most important greenhouse gases, globally contribute to about 81% of the anthropogenic radiative forcing. However, there are still significant deficits in the knowledge about the budgets of these two major greenhouse gases such that the ability to accurately predict our future climate remains substantially compromised. Different feedback mechanisms which are insufficiently understood have significant impact on the quality of climate projections. In order to accurately predict future climate of our planet and support observing emission targets in the framework of international agreements, the investigation of sources and sinks of the greenhouse gases and their feedback mechanisms is indispensable. In the past years, inverse modelling has emerged as a key method for obtaining quantitative information on the sources and sinks of the greenhouse gases. However, this technique requires the availability of sufficient amounts of precise and independent data on various spatial scales. Therefore, observing the atmospheric concentrations of the greenhouse gases is of significant importance for this purpose. In contrast to point measurements, airborne instruments are able to provide regional-scale data of greenhouse gases which are urgently required, though currently lacking. Providing such data from remote sensing instruments supported by the best currently available in-situ sensors, and additionally comparing the results of the greenhouse gas columns retrieved from aircraft to the network of ground-based stations is the mission goal of the HALO CoMet campaign. The overarching objective of HALO CoMet is to improve our understanding and to better quantify the carbon dioxide and methane cycles. Through analysing the CoMet data, scientists will accumulate new knowledge on the global distribution and temporal variation of the greenhouse gases. These findings will help to better understand the global carbon cycle and its influence on climate. These new findings will be utilized for predicting future climate change and assessing its impact. Within the frame of CoMet and due to the operational possibilities we will concentrate on small to sub-continental scales. This does not only allow to identify local emission sources of greenhouse gases, but also opens up the opportunity to use important remote sensing and in-situ data information for the inverse modelling approach for regional budgeting. The project also aims at developing new methodologies for greenhouse gas measurements, and promotes technological developments necessary for future Earth-observing satellites.
Dieses Teilprojekt wird die räumliche Feinstruktur von wichtigen atmosphärischen Komponenten entlang des Breitengrades von Nordeuropa via Svalbard bis in den arktischen Ozean untersuchen. Dabei werden schiffs- und flugzeuggebundene Messungen mit denen auf der deutsch/französischen Arktisforschungsstation in Ny-Ålesund auf Svalbard verknüpft. Insbesondere werden wir die breitenabhängige Variabilität des wichtigen klimarelevanten Wasserdampfs, Aerosolen und Wolken auf den Strahlungshaushalt abschätzen.
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