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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.

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.

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.

Warmwassersphaere des Nordatlantiks

Die Forschungsarbeiten der Abteilung Regionale Ozeanographie werden sich weiterhin auf die physikalischen Prozesse in den oberen Schichten des offenen Ozeans, der Warmwassersphaere, konzentrieren. Dahinter steht die Notwendigkeit, die Transportprozesse zu verstehen, die den Einfluss des Ozeans auf die atmosphaerischen Klimaaenderungen fuer die Zeitskala des World Climate Research Programme bestimmen. Da diese Zeitskala den Bereich Wochen bis Monate umfasst, ist eine umfangreiche Expeditionstaetigkeit noetig. Neuentwickelte Messmethoden sollen dabei zum Einsatz kommen, so u.a. ein geschlepptes, vertikal undulierendes Geraet zur Erfassung der Dichteschichtung, ein akustisch arbeitendes Geraet zur Bestimmung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung in der ozeanischen Deckschicht sowie satelliten- bzw. funkgeortete Driftbojen. Begleitet wird die Messtaetigkeit durch die Entwicklung von Modellen (empirisch, diagnostisch, prognostisch). Schwerpunkte der Untersuchungen werden sein: - theoretische Untersuchungen zur geophysikalischen Turbulenz und ihre Anwendung auf Transportprozesse in der ozeanischen Warmwassersphaere, - Ursachen und Auswirkungen der Jahresschwankungen von Baroklinitaet und Haloklinitaet, - Entstehung ozeanischer Fronten und ihre Bedeutung fuer turbulente Transportprozesse, - Modellierung der Konvektion in der Deckschicht unter besonderer Beruecksichtigung des Tagesganges, - Struktur und Transporte des Nordatlantischen Stromes, - wissenschaftliche Analyse von Datensaetzen des Welt-Datenzentrums sowie von Expeditionen, insbesondere GATE 1974, JASIN 1978, FGGE 1979. Das Forschungsprogramm ist integraler Bestandteil des SFB 133.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), NAWDEX - North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment

The North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment (NAWDEX) aims to provide the foundation for future improvements in the prediction of high impact weather events over Europe. The concept for the field experiment emerged from the WMO THORPEX program and contributes to the World Weather Research Program WWRP in general and to the High Impact Weather (HIWeather) project in particular. An international consortium from the US, UK, France, Switzerland and Germany has applied for funding of a multi-aircraft campaign supported by enhanced surface observations, over the North Atlantic and European region. The importance of accurate weather predictions to society is increasing due to increasing vulnerability to high impact weather events, and increasing economic impacts of weather, for example in renewable energy. At the same time numerical weather prediction has undergone a revolution in recent years, with the widespread use of ensemble predictions that attempt to represent forecast uncertainty. This represents a new scientific challenge because error growth and uncertainty are largest in regions influenced by latent heat release or other diabatic processes. These regions are characterized by small-scale structures that are poorly represented by the operational observing system, but are accessible to modern airborne remote-sensing instruments. HALO will play a central role in NAWDEX due to the unique capabilities provided by its long range and advanced instrumentation. With coordinated flights over a period of days, it will be possible to sample the moist inflow of subtropical air into a cyclone, the ascent and outflow of the warm conveyor belt, and the dynamic and thermodynamic properties of the downstream ridge. NAWDEX will use the proven instrument payload from the NARVAL campaign which combines water vapor lidar and cloud radar, supplemented by dropsondes, to allow these regions to be measured with unprecedented detail and precision. HALO operations will be supported by the DLR Falcon aircraft that will be instrumented with wind lidar systems, providing synergetic measurements of dynamical structures. These measurements will allow the first closely targeted evaluation of the quality of the operational observing and analysis systems in these crucial regions for forecast error growth. They will provide detailed knowledge of the physical processes acting in these regions and especially of the mechanisms responsible for rapid error growth in mid-latitude weather systems. This will provide the foundation for a better representation of uncertainty in numerical weather predictions systems, and better (probabilistic) forecasts.

Schwerpunktprogramm (SPP) 527: Bereich Infrastruktur - International Ocean Discovery Program, Teilprojekt: Transport, Abtragung und Akkumulation von Sedimenten numerisch simuliert für Paleo-Ozeane und rekonstruiert von Bohrkernen der Eirik Drift (TRANSPORTED)

Der Western Boundary Undercurrent (WBUC) ist eine kritische Komponente der globalen Umwälzzirkulation und wird durch Tiefenwasserbildung in der Grönland-, Labrador-, Island- und Norwegischen See angetrieben. Seismische Profile der Eirik Drift weisen auf eine hohe Variabilität der Geschwindigkeiten und Strömungspfade des WBUC seit dem frühen Miozän hin und geben Hinweise auf das Gebiet der Tiefenwasserbildung vom Miozän bis heute. Wir beabsichtigen die Mechanismen, welche in der Verschiebung der Gebiete der Tiefenwasserbildung und der Verschiebung der Strömungspfade des WBUC involviert sind, zu identifizieren. Korngrößen sind für ODP Leg 105 und die IODP Expedition 303 Sites U2305-2307 in der Eirik Drift verfügbar (iodp.tamu.edu). Die Unterscheidung in Ton (kleiner als 0.004 mm), Schlamm (0.004-0.063 mm) und Sand (mehr als 0.063 mm) ist ausreichend um Geschwindigkeiten des WBUC für verschiedene Zeitscheiben abzuleiten. Dreidimensionale Geschwindigkeiten und Sedimenttransporte werden mit dem Regional Ocean Modelling System (ROMS) simuliert. ROMS wird auf den Nordatlantik regionalisiert werden und dabei detaillierte Informationen über Gebiete der Tiefenwasserbildung und Ozeanzirkulation liefern. Seismische Profile aus der Eirik Drift (Uenzelmann-Neben (2013)) stellen Horizonttiefen, Schichtdicken und Position und Orientierung von Depozentren zur Verfügung. Diese sind in Kombination mit Korngrößen eine Validierungsmöglichkeit für den in ROMS modellierten Sedimenttransport. Durch den numerischen Ansatz ist es möglich, Prozesse hervorzuheben oder zu vernachlässigen. Hierdurch können Sensitivitätsstudien bezüglich des Einflusses sich verändernden Klimas und tektonischer Zustände auf die tiefe Ozeanzirkulation und den Sedimenttransport durchgeführt werden. Müller-Michaelis und Uenzelmann-Neben (2014) führten Variabilität im Sedimenttransport in der Eirik Drift auf Veränderungen in der Stärke und des Strömungspfades des WBUC zurück, welche durch unterschiedliche Gebiete der Tiefenwasserbildung hervorgerufen wurden. Diese Hypothese kann mit dem regionalen Model getestet werden und die klimatologischen Ursachen für die Veränderung der Gebiete der Tiefenwasserbildung können identifiziert werden. Der Strömungspfad des WBUC ist zusätzlich durch tektonische Veränderungen beeinflusst, z.B. die Subsidenz des Grönland-Schottland-Rückens oder der Schließung des Zentralamerikanischen Durchflusses. Der Einfluss tektonischer Veränderungen auf die Stärke und Strömungspfade des WBUC als auch auf Sedimentationsraten und Korngrößen wird in diesem Projekt betrachtet. Wir werden daher eine Verbindung zwischen Sedimentationsraten und Korngrößen, wie sie in den Bohrkernen von Sites 646 und U1305-1307 gemessen wurden, und klimatologisch und tektonisch hervorgerufener Änderungen der Geschwindigkeiten und Strömungspfade des WBUC herstellen.

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.

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.

Meeresmilben (Acari, Halacaridae) im tropischen Westaustralien - Vergleich mit der Fauna anderer Regionen Australiens

Die Halacaridae (Meeresmilben) gehören, mit ihrer Körpergröße von 200-500 mym, zum Meiobenthos. Unter den Milben sind sie die einzigen, die vollständig an ein Leben im Meer angepasst sind; sie besiedeln den Bereich von der oberen Gezeitenlinie bis in die Tiefseegräben. Zur Zeit sind etwa 900 Arten bekannt. Im Vergleich zu den Küsten im Osten und Westen des Nordatlantiks zeichnen sich die Australiens durch eine äußerst artenreiche Halacaridenfauna aus: jede geographische Region entlang der Küste scheint in erster Linie eigene Arten zu beherbergen. Die geplanten Probennahmen bei Dampier an der tropischen Nordwestküste Australiens sollen Daten liefern für einen Vergleich mit den bereits bearbeiteten Faunen von Rottnest Island (Südwestaustralien) und dem Great Barrier Reef (Ostaustralien).

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.

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