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.
Gleichzeitige Beobachtungen von atmosphärischem Ruß, und Rußpartikeln in Schnee- und Bodeneigenschaften sind selten. Daher wird dieses Teilprojekt Flugzeug- und bodengebundene Beobachtungen von Aerosolen und Rußkonzentrationen kombinieren, sowie optische Schneeeigenschaften und deren Rückkopplungsmechanismen in der arktischen Region untersuchen. In-situ Messungen von atmosphärischen Rußpartikeln (boden- und flugzeuggetragen) in Verbindung mit Rußpartikeln in Schneeproben und Fernerkundungsbeobachtungen von Schneeeigenschaften werden zusammengefügt.
Um Rückkopplungsstärken zu ermitteln wird die PRP-Methode (aus dem Englischen 'partial radiative perturbation') angewendet auf Simulationsergebnisse des verfügbaren Multi-Klimamodellensambles (CMIP5, und sobald diese verfügbar sind, CMIP6). Die geographische Verteilung der Rückkopplungsstärken in der Arktis wird abgeschätzt. Weiterhin werden Unsicherheiten aus der Modellspannbreite und der methodologischen Unsicherheit quantifiziert. Ein besonderer Fokus liegt auf der Wolkenrückkopplung. Wir werden die Wolkenparametrisierung im ICON Klimamodell gründlich abschätzen. Wolkenprozesse und Verteilungen im GCM werden in einer prozessorientierten Art und Weise mit aktiven Satellitenmessungen (Wolkenradar und -lidar) als Referenz beurteilt.
Die zentralen Zielstellungen dieses Teilprojekts sind (i) die Verbesserung im Verständnis von Rückkopplungsmechanismen zwischen der Atmosphäre und Meereis-Ozean in der Arktis, und (ii) eine Quantifizierung der einzelnen Beiträge der atmosphärischen Zirkulation, der atmosphärischen Grenzschicht (ABL) und Wolkenprozesse, sowie die Meereisveränderung in der der zeitlich beobachteten arktischen Klimaveränderung. Die Unterschiede zwischen dem beobachteten Meereisrückgang und Simulationsergebnissen von aktuellen regional gekoppelten Klimamodellen wird beurteilt. Ensemble-Simulationen mit einem gekoppelten regionalen Atmosphäre-Meereis-Ozean Modells des arktischen Klimasystems HIRHAM-NAOSIM werden mit neuen satellitenabgeleiteten Daten von Meereiskonzentrationen, Meereisdicken und Schneetiefe verglichen.
Vertikalprofile von Strahlungsenergie- und Turbulenzenergieflüssen sowie Impulserhaltung werden untersucht durch (i) Verwendung vorheriger Schiffs- und Flugzeugkampagnen, und (ii) durch die Analyse neuer Messungen von zwei geplanten Flugzeugkampagnen über dem Arktischen Ozean. Die beiden neuen Kampagnen beziehen die AWI Forschungsflugzeuge Polar 5 & 6 ein um die vertikalen Flussprofile als Funktion von Wolken- und Meereisbedeckung unter verschiedenen synoptischen Bedingungen zu messen. Die Flugzeugbeobachtungen sind für Mai/Juni 2017 und März 2019 geplant und decken somit Zeiträume starker (Spätwinter) und schwacher (Frühsommer) arktischer Verstärkung ab.
In diesem Teilprojekt werden wir den Formalismus der covarianten Lyapunov-Vektoren nutzen um die Dynamik von vereinfachten, multiskaligen, geophysikalischen Strömungssystemen zu untersuchen. Dies soll uns ein fundamental neues Verständnis über deren Stabilität und statistischer Mechanik liefern. Dadurch wird es uns möglich das Verständnis der Interaktion zwischen mikro/mesoskopischen und makroskopischen Eigenschaften der turbulenten geophysikalischen Strömungen zu verbessern.
Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von aerosol-optischen Eigenschaften und spektralen Bodenreflektanzen und deren Veränderungen während der derzeitigen arktischen Verstärkung. In diesem Zusammenhang profitiert und verwendet es satellitengetragene Beobachtungen von Spektrometern der letzten 3 Jahrzehnte, welche die aufwärtsgerichtete Radianz am Oberrand der Atmosphäre sowie die extraterrestrische solare Irradianz aus dem Weltall messen. Der anfängliche Fokus wird auf den Daten von MERIS und SeaWiFS liegen. Der Algorithmus ist allerdings allgemein und kann daher auch auf MODIS Daten und andere relevante Quellen angewendet werden. Die Erzeugung eines gemeinsamen und konsistenten Datensatzes wird eines der Zielstellungen dieses Projekts sein.
Dieser Antrag stellt die Weiterführung unserer Arbeiten aus EarthShape Phase 1 dar. In den vorangegangenen Arbeiten wurde der Einfluss von Klima- und Vegetationsveränderungen seit dem letzten glazialen Maximum bis heute auf die Topographie und Erosionsraten in den EarthShape Untersuchungsgebieten untersucht. Unsere Ergebnisse zeigen signifikante Änderungen von Vegetation und Erosionsraten während der letzten 21000 Jahre, sowie nicht-lineare Effekte und, von Vegetationsveränderungen abhängige, Schwellenwerte von Erosionsraten. Diese Ergebnisse, sowie die großskaligen Veränderungen von Umweltbedingungen und Tektonik des Känozoikums, motivieren uns in Phase 2, über die größeren Zeitskalen (Millionen Jahre) des Känozoikums zu integrieren um so die Einflüsse der ausgeprägten Klimaänderungen auf die Vegetation und davon bedingten Verwitterungs- und Erosionsraten in der Küstenkordillere Chiles zu untersuchen. Unsere übergreifende Hypothese ist: Ein starkes Abnehmen der CO2-Konzentration der Atmosphäre und ein Klimaentwicklung hin zu kälteren und trockeneren Bedingungen seit dem Übergang vom Eozän zum Oligozän haben (1) zu einer substantiellen Verringerung der Planzenproduktivität und Vegetationsbedeckung geführt. Diese Vegetationsveränderungen haben wiederum (2) zu deutlich veränderten Erosions- und Pflanzen-bedingten Verwitterungsraten geführt. Infolgedessen könnte die rezente Topographie substantiell durch die Vegetationsdynamik der Vergangenheit bedingt sein. Unsere Untersuchung und Bewertung dieser Hypothese baut auf unseren eigenen Arbeiten und den technischen Fortschritten von Partnern aus Phase 1 auf. Wir werden ein gekoppeltes Modellsystem, bestehend aus dem dynamisches Vegetationsmodell LPJ-GUESS und dem Oberflächenprozessmodell LandLab, einsetzen, und es mit Simulationen von Paläo-Klimaänderungen (ECHAM5) der vergangenen 34 Millionen Jahre antreiben. Integraler Bestandteil und neu in unserem Ansatz ist die Verknüpfung des Vegetations- und Oberflächenprozessmodells, um Änderungen der biotischen (pflanzen-bedingten) und abiotischen Verwitterung zu schätzen. Hierzu werden wir: a) quantifizieren, wie dynamische Vegetationsveränderungen die Denudationsraten, Topographie und Tiefenverwitterung beeinflussen; b) bewerten inwiefern von Pflanzen beeinflusste Erosion und Verwitterung von den herrschenden Niederschlagsbedingungen, der Temperatur, und von CO2 Konzentrationen abhängen, und c) pedogene, geochemische, geologische und ökologische Daten aus Phase 1, sowie neue Ergebnisse aus Phase 2 aus anderen Projekten in unser Modellierungskonzept integrieren.
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.
Dieses Teilprojekt befasst sich mit der Rolle von Aerosolpartikeln im arktischen Klima und deren Änderung in den vergangenen aber auch in zukünftigen Jahrzehnten. Unter Verwendung eines allgemeinen Zirkulationsmodells der neuen Generation wird der Aerosoltransport und der Einfluss auf Strahlung und Wolken untersucht. Basierend auf Modellsimulationen wird der direkte Strahlungsantrieb und damit verbundene dynamische Rückkopplungsmechanismen für die arktische Region quantifiziert. Dies beinhaltet den Einfluss von Alterungs- und Mischungsprozessen auf mikrophysikalische und optische Eigenschaften als auch auf den Schnee/Eis-Albedoantrieb. Ein besonderer Fokus wird dabei auf Rußpartikel resultierend aus vermehrten Schiffs- und Waldbrandemissionen gelegt. Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und der Aerosol indirekte Strahlungsantrieb werden untersucht.
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| Förderprogramm | 38 |
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