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Transportwege von Feuchte und Wasserdampfisotopologe

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.

Ökosystemantworten auf kontinuierliche Offshore Schallspektren, Vorhaben: Die Auswirkungen anthropogener Unterwassergeräusche auf Verhalten und physiologische Reaktionen von Zooplankton

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.

Wie prägen kohärente Luftströmungen den Einfluss des Golfstroms auf die großskalige atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten?

Über dem Nordatlantik und Europa wird die Variabilität der großräumigen Wetterbedingungen von quasistationären, langandauernden und immer wiederkehrenden Strömungsmustern â€Ì sogenannten Wetterregimen â€Ì geprägt. Diese zeichnen sich durch das Auftreten von Hoch- und Tiefdruckgebieten in bestimmten Regionen aus. Verlässliche Wettervorhersagen auf Zeitskalen von einigen Tagen bis zu einigen Monaten im Voraus hängen von einer korrekten Darstellung der Lebenszyklen dieser Strömungsregime in Computermodellen ab. Um das zu erreichen müssen insbesondere Prozesse, die günstige Bedingungen zur Intensivierung von Tiefdruckgebieten aufrecht erhalten, und Prozesse, die den Aufbau von stationären Hochdruckgebieten (blockierende Hochs) begünstigen, richtig wiedergegeben werden. Aktuelle Forschung deutet stark darauf hin, dass Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen, insbesondere entlang des Golfstroms, latente Wärmefreisetzung in Tiefs, und Kaltluftausbrüche aus der Arktis dabei eine entscheidende Rolle spielen. Dennoch mangelt es an grundlegendem Verständnis wie solche Luftmassentransformationen über dem Ozean die großskalige Höhenströmung beeinflussen. Darüber hinaus ist die Relevanz solcher Prozesse für Lebenszyklen von Wetterregimen unerforscht. In dieser anspruchsvollen drei-jährigen Kollaboration zwischen KIT und ETH Zürich streben wir an ein ganzheitliches Verständnis zu entwickeln, wie Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und diabatische Prozesse in der Golfstromregion die Variabilität der großräumigen Strömung über dem Nordatlantik und Europa prägen. Zu diesem Zweck werden wir ausgefeilte Diagnostiken zur Charakterisierung von Luftmassen mit neuartigen Diagnostiken zur Bestimmung des atmosphärischen Energiehaushaltes verbinden und damit den Ablauf von Wetterregimen und Regimewechseln in aktuellen hochaufgelösten numerischen Modelldatensätzen und mit Hilfe von eigenen Sensitivitätsstudien untersuchen. Dazu werden wir unsere Expertise in größräumiger Dynamik und Wettersystemen, sowie Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen â€Ì insbesondere während arktischen Kaltluftausbrüchen â€Ì und der Lagrangeâ€Ìschen Untersuchung atmosphärischer Prozesse nutzen. Im Detail werden wir (i) ein dynamisches Verständnis entwickeln, wie Luftmassentransformationen entlang des Golfstroms die Höhenströmung über Europa beeinflussen, mit Fokus auf blockierenden Hochdruckgebieten, (ii) die Bedeutung von Luftmassentransformationen und diabatischer Prozesse für den Erhalt von Bedingungen, die die Intensivierung von Tiefdruckgebieten während bestimmter Wetterregimelebenszyklen bestimmen, untersuchen, (iii) diese Erkenntnisse in ein einheitliches und quantitatives Bild vereinen, welches die Prozesse, die den Einfluss des Golfstroms auf die großräumige Wettervariabilität prägen, zusammenfasst und (iv) die Güte dieser Prozesse in aktuellen numerischen Vorhersagesystemen bewerten. Diese Grundlagenforschung wird wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung von Wettervorhersagemodellen liefern.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Glaziale Dynamik des Laurentidischen Eisschildes entlang eines terrestrisch-zu-marinen Transekts in Ost Kanada (labsCAUs)

Es wird angenommen, dass Süßwasser Einträge während Entgletscherungsereignissen einen wichtigen Einfluss auf die globale geostrophische Zirkulation haben, da die Tiefenwasserbildung und Strömungszirkulation durch plötzliche Temperatur- und Salinitätsabfällen beeinträchtigt oder unterbrochen werden können. Dieser Vorgang kann zu globalen Veränderungen des Klimas führen. Der Ostkanadische Schild und der Kontinentalhang vor Labrador sind Schlüsselregionen für paläoklimatische, sowie paläozeanographische Untersuchungen. Große vergangene und rezente Eisschilde beeinflussten das gesamte Gebiet und entwässerten in die Regionen des Labrador Schelfs entweder direkt durch den Laurentidischen Eisschild oder indirekt durch die Hudson Bucht / Davis Strait durch den Inuitischen- und Grönländischen Eisschild. Bis jetzt wurden Information über die Dynamik des Laurentidischen Eisschilds hauptsächlich aus Sedimentkernen aus den Eis-distalen Bereichen wie der Labradorsee und dem Nord Atlantik abgeleitet. Auf dem Labradorschelf wurden hauptsächlich Untersuchungen an Holozänen Sequenzen durchgeführt und Informationen über glaziale Ablagerungen sind eher selten. Informationen aus dem Bereich des Festlands beziehen sich meistens auf die Datierung und die Beschreibung von geomorphologischen Merkmalen, jedoch fehlen kontinuierliche Archive oder Informationen zu Strukturen, die älter als die aufgeschlossenen glazialen Ablagerungen sind. Während der letzten fünf Jahre haben wir verschiedene seismische-, bathymetrische und Echolot Datensätze auf dem Labradorschelf, im Melville See und im Manicouagan See aufgezeichnet. Die Daten zeigen das Vorkommen von erhaltenen oder teilweise überlagerten glazialen Strukturen wie Moränen, Drumlins, groß-skaligen glazialen Lineationen und Eisbergschrammen. Diese vorgeschlagenen Studie fokussiert sich auf die Untersuchung des marinen Endmembers auf dem Labradorschelf, der brackischen Übergangszone in der Hudson Bucht / Straße und dem terrestrischen Endmember im Manicouagan See. Seismische und hydroakustischen Daten werden untersucht um den Verlauf des Laurentidischen Eisschilds während vergangenen (prä-Wisconsian) Vereisungen zu rekonstruieren und Orte, die möglicherweise lange paläoklimatische- und paläozeanographische Archive aufweisen, identifiziert. Das Ziel dieser Studie ist die Identifikation von potentiellen Bohrlokationen, die lange, ungestörte geologische Archive mit prä-Holozäner Ablagerungen aufweisen. Diese Erkenntnisse werden eine solide Basis für einen zukünftigen MagellanPlus Workshop darstellen um eine Bohrgemeinschaft zu bilden, die ein zukünftiges amphibisches IODP-ICDP Bohrproject initiieren wird.

Bulk stable isotope analysis (SIA) of historical and contemporary squid beaks

Raw data obtained from stable isotope analysis of δ13C and δ15N in beaks of the squids Gonatus fabricii (Lichtenstein, 1818) and Todarodes sagittatus (Lamarck, 1798) (Cephalopoda: Oegopsida), and primary analyses of these data. Squids sampled in the Baffin Bay, Davis Strait and Nordic Seas (1882-2010) and Iceland, Faroe Islands and Ireland (1844-2023), respectively. The beaks either come from the squids caught as bycatch, or from natural history museums, from stomach contents of predators.

Der arktische Ozean 2020 - Ventilationszeitskalen, anthropogener Kohlenstoff und Variabilität in einer sich verändernden Umgebung

In der Arktis tritt der der Klimawandel am offensichtlichsten zu Tage. Dies zeigt sich zum Beispiel im starken Rückgang der Meereisbedeckung des arktischen Ozeans, mit Auswirkungen auf die Wärmebilanz der Region und indirekt die Zirkulation in Ozean und Atmosphäre. Die Bildung von Tiefenwasser geht einher mit dem Transport von gelösten Gasen von der Oberfläche in das Innere der Ozeane, auch Ventilation genannt. Die entsprechende Aufnahme von Kohlendioxid, die im arktischen Ozean überproportional ausgeprägt ist, stellt einen wichtigen Puffer für Treibhausgasemissionen dar. Ihre Kenntnis ist entscheidend für aussagekräftige Klimaszenarien.Die Ventilationszeitskalen können über die Messung gewisser Spurenstoffe (Tracer) bestimmt werden, die einem zeitlich variablen Eintrag oder dem radioaktiven Zerfall unterliegen. Allerdings sind klassische Tracer wie Freon-12 und Schwefelhexafluorid (SF6) sowie eine Reihe moderner so genannter „Medusa Tracer“ in den tiefsten Bereichen des arktischen Ozeans nicht nachweisbar. Mit der neuen Atom Trap Trace Analysis (ATTA) Methode ist es nun möglich, das Radioisotop 39Ar in Meerwasser zu messen und damit genau die Zeitskala abzudecken, welche bisher nicht präzise bestimmt werden konnte. Im Zusammenspiel mit den genannten Tracern sowie dem Radiokohlenstoff 14C können somit Altersverteilungsfunktionen und letztlich die Ventilationszeitskalen der gesamten Wassersäule bestimmt werden. Dieser Ansatz wird ergänzt durch Messungen von Edelgasen zur Bestimmung von Sättigungsanomalien an der Oberfläche sowie der langlebigen anthropogenen Radioisotope 236U und 129I, die als Markierung von Atlantikwasser das Studium des Austausches zwischen Nordatlantik und Arktischem Ozean ermöglichen. In diesem Projekt sollen Proben für alle genannten Tracer während einer Expedition auf dem Eisbrecher ODEN im Jahr 2021 in der Zentralarktis genommen und gemessen werden. Die Daten dienen zur Bestimmung von Modellparametern von Aufenthaltszeitverteilungen, die wiederum die Grundlage zur Berechnung des Wassersäuleninventars des anthropogenen Kohlenstoffes bilden. Die Resultate werden mit biogeochemischen Ansätzen verglichen und zur Abschätzung der Ozeanversauerungsrate verwendet. Die weiteren Tracerdaten geben Aufschluss über die Zirkulation im nordatlantischen Raum sowie die Prozesse an der Ozeanoberfläche. Um die aufgrund der klimatischen Effekte zu erwartenden Veränderungen der letzten Jahrzehnte zu bestimmen, werden wir zusätzlich historische Tracermessungen aus der Arktis analysieren.Aus der Kombination unterschiedlicher innovativer Methoden versprechen wir uns darüber hinaus wichtige methodische Erkenntnisse sowie datenbasierte Randbedingungen für Ozeanmodelle. Die Ergebnisse dieses Projekts werden somit umfangreiche Beiträge liefern zum besseren Verständnis der Zirkulation und Ventilation des arktischen Ozeans, der Kohlenstoffaufnahmekapazität der Ozeane und der Konsequenzen des sich ändernden arktischen und globalen Klimas.

Numerische Simulation und Vorhersage meteorologisch bedingter Anteile der Stroemungen und Wasserstaende in der Nordsee

In physikalisch-numerischen Modellen der Nordsee sollen die Anteile der Wassertransporte und Pegelstandsaenderungen simuliert werden, die neben den astronomisch bedingten durch Tangentialschub des Windes und Luftdruckgradienten erzeugt werden. Es sollen Methoden fuer ihre Vorhersage per Computer im Anschluss an die numerische Wetterprognose entwickelt werden. Einem hierbei noch voellig ungeloesten Problem, der Simulation der Entstehung von meteorologischen Flutwellen (external surges) auf dem Nordatlantik und ihrer Ausbreitung bis in die Deutsche Bucht, wird zuerst nachgegangen.

Vertikale Verteilung von Wolkenkondensationskernen in marinen und kontinentalen Luftmassen in Europa und ihre Verbindung zur Wolkentropfenanzahlkonzentration in warmen Wolken

Die Anzahl der verfügbaren Wolkenkondensationskerne (CCN) beeinflusst maßgeblich die mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften, wie z.B. die Wolkentropfenanzahlkonzentration (CDNC) und deren Größenverteilung. CDNC und die Tropfengröße steuern sowohl die Strahlungseigenschaften als auch die Lebensdauer von Wolken. Dies wirkt sich komplex auf die Energiebilanz der Erde aus. Aktuelle Klimamodelle basieren häufig auf Annahmen über CCN Anzahlkonzentrationen und andere CCN bezogene Eigenschaften (z.B. Hygroskopizität), da für viele Regionen auf der Erde repräsentative Daten fehlen. Wenn vorhanden, handelt es sich bei diesen CCN Daten um bodengebundene Messungen, welche somit nicht - mit Ausnahme von Bergstationen - in der für Wolkenbildungsprozesse relevanten Höhe durchgeführt wurden. Für die Karibikregion wurde gezeigt, dass die bodengebundenen CCN Messungen für die gesamte marine Grenzschicht repräsentativ zu sein scheinen also auch für die Wolkenbildungsregionen. Im hier vorgeschlagenen Projekt wollen wir überprüfen, ob bodengebundene CCN Messungen auch in anderen Erdregionen repräsentativ sind für die CCN Anzahl in der Wolkenbildungsregion, und wenn ja, unter welchen Bedingungen. Dies würde die Anwendung von CCN Daten in Modellen stark vereinfachen. Dazu wird die Gültigkeit der Beobachtungen in der Karibik, in zwei gegensätzlichen Umgebungen getestet werden, einmal in einer marinen und einmal in einer kontinentalen Umgebung. Die Messkampagne zu marinen CCN soll auf den Azoren (Portugal) durchgeführt werden. Wir werden kontinuierlich verfügbare CCN Daten von der Azoren Eastern Nordatlantik (ENA) Station auf der Insel La Graciosa (auf Meereshöhe) mit Daten von der Bergstation Pico (Pico Island, 2225 m ü.d.M.) kombinieren. Ergänzend werden CCN und CDNC Messungen auf der Helikopter-Messplattform (ACTOS) durchgeführt, um die vertikale Lücke zwischen den Meeresspiegel- und Bergmessungen zu schließen. Die kontinentalen bodengebundenen CCN Messungen werden kontinuierlich an der ACTRIS Station Melpitz durchgeführt. Die vertikale CCN und CDNC Verteilung wird in Melpitz mit Hilfe eines Ballons in mehreren einwöchigen Kampagnen einmal pro Jahreszeit gemessen werden. Darüber hinaus werden wir mit Hilfe der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsmetrik (ACI) die in der Wolke in-situ gemessen CCN Eigenschaften (das heißt Anzahl und Hygroskopizität) mit den CDNC quantitativ verbinden. Es wird außerdem eine Sensitivitätsstudie mit einem Cloud-Parcel Model durchgeführt, welches durch die realen Messungen in der Atmosphäre angetrieben werden wird. Dies wird einen Einblick in das Übersättigungsregime von frisch gebildeten Wolken gewähren.Die CCN Daten selbst, die Erkenntnisse zu CCN Eigenschaften und ihrer vertikalen Verteilung sowie die quantitative Verbindung zwischen CCN und CDNC werden im Hinblick auf das Verständnis und die Modellierung der Wolkentropfenaktivierung sowie der mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften von außerordentlichem Wert sein.

Ermittlung des Potenzials von Speläothemen zur Rekonstruktion von (kurzfristigen) Phasen extremen Klimas

Ziel dieses Antrags ist es, das Potenzial von Speläothemen für die Rekonstruktion von (kurzlebigen) Phasen und Ereignissen extremen Klimas, wie besonders niedrigen Temperaturen, extreme, Niederschlagsmengen oder hohen Windgeschwindigkeiten, zu ermitteln. Solche Extremereignisse treten selten auf, verursachen aber oft große Schäden mit schwerwiegenden Folgen für Bevölkerung und Ökosysteme der betroffenen Region. Ein besseres Verständnis der Ursachen und Randbedingungen von Extremereignissen ermöglicht eine bessere Prognose ihres Auftretens in der Zukunft, was wesentlich ist für das Treffen entsprechender Vorkehrungen.Speläotheme bieten präzise datierte Multi-Proxy-Zeitreihen mit nahezu jährlicher Auflösung und haben somit ein großes Potenzial als Archiv von Extremereignissen. Allerdings werden die in Speläothemen gespeicherten Proxy-Signale im Aquifer über der Höhle in einem gewissen Umfang geglättet, weshalb die Sensitivität der jeweiligen Höhlensysteme und Proxys für die Rekonstruktion vergangener Extremereignisse bestimmt werden muss. Der Schwerpunkt dieses Antrags liegt auf dem 8.2 ka Event und den letzten 2000 Jahren. Das 8.2 ka Event war die extremste Klimaanomalie des Holozäns und spiegelt die Auswirkungen eines enormen Süßwassereintrags in den Nordatlantik während eines Interglazials wider. In den letzten 2000 Jahren wurden mehrere hundertjährige Klimaschwankungen identifiziert (z.B. die Mittelalterliche Warmzeit und die Kleine Eiszeit). Zusätzlich konnten andere, kurzlebige Klimaanomalien festgestellt werden, wie z.B. das historische Magdalenenhochwasser im Juli 1342 AD oder Hitze und Trockenheit in Europa von 1540 AD. Manche Ereignisse wurden durch Vulkanausbrüche ausgelöst (z.B. das Jahr ohne Sommer 1816 AD durch die Tambora Eruption 1815 AD).Mehrere Speläotheme, die während des 8.2 ka Event und der letzten 2000 Jahre wuchsen, aus drei Höhlen in Deutschland stehen zur Verfügung. Für alle drei Höhlen wurden langfristige Monitoring-Programme eingerichtet, was eine Voraussetzung ist, um die Prozesse in den Höhlen zu verstehen und die Proxy-Signale der Speläotheme zu interpretieren. Wir werden stabile Isotope und Spurenelemente in den entsprechenden Abschnitten der Stalagmiten mit sehr hoher Auflösung (jährlich) analysieren, und die Proben mittels MC-ICPMS 230Th/U-Datierung präzise datieren. Die Identifizierung der am besten geeigneten Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse wird unter Verwendung eines quantitativen Modells basierend auf meteorologischen und Monitoring-Daten durchgeführt. Die Kombination aus präzise datierten, hochaufgelösten Multi-Proxy-Records und einem quantitativen Modell stellt eine solide Basis dar, um (i) geeignete Proxys für die Rekonstruktion der Extremereignisse zu identifizieren und (ii) bestimmte Ereignisse in verschiedenen Speläothemen zu vergleichen. Dies ermöglicht die Bestimmung von Zeitpunkt, Dauer und Struktur der Ereignisse.

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