s/prognosemodel/Prognosemodell/gi
El Niño ist die warme Phase der El Niño/Southern Oscillation (ENSO), und beschreibt die dominante Variabilität der Tropen auf Zeitskalen von Monaten bis Jahren. Obwohl ENSO im tropischen Pazifik geschieht, werden starke regionale und globale Einflüsse auf das Klima, auf die Ökosysteme der Meere und auf dem Land, und damit auch auf die Wirtschaft einzelner Länder beobachtet. Klimamodelle sagen vorher, dass El Niño sich unter dem Einfluss der globalen Erwärmung verstärken könnte, und dass sich sogenannte Super El Niños entwickeln könnten, d.h. El Niño Ereignisse, welche stärker und langlebiger sind als die stärksten im 20. und 21. Jahrhundert beobachteten Ereignisse. Es ist allerdings noch unklar, ob sich zum Beispiel die sogenannten Teleconnections, also Fernwirkungen von El Niño, linear mit der Stärke des Ereignisses im tropischen Pazifik entwickeln werden. Es ist zudem noch unzureichend erforscht, ob sich die Teleconnections selbst verändern werden. Es gibt aber Hinweise, dass sich die Teleconnections von El Niño nichtlinear verhalten, und dass daher ein Super El Niño völlig andere globale Auswirkungen haben könnte als ein historischer El Niño. Durch die Vorhersage der Klimamodelle, dass sich solche Super El Niño - Ereignisse in Zukunft häufen könnten, ist ein besseres Verständnis möglicher Nichtlinearitäten von Teleconnections nötig. Dieses Forschungsvorhagen untersucht die Nichtlinearität in der Stärke und im Charakter von El Niño Teleconnections für eine Erde in einem wärmeren Klima. Im Speziellen wird die Fernwirkung von El Niño auf die Troposphäre und Stratospähre der mittleren Breiten in der Nord- und Südhalbkugel untersucht.
Verlegungen von Klimastationen und Änderungen in der Beobachtungstechnik rufen Inhomogenitäten in den Temperaturzeitreihen hervor. Es gibt Hinweise darauf, dass solche Sprünge im Mittel negativ sind und somit einen negativen künstlichen Trend in die Daten einfügen. Darum werden standardmäßig Homogenisierungsverfahren angewendet, die diese künstlichen Anteile des Trends beseitigen sollen. Eine vollständige Korrektur ist allerdings aus prinzipiellen Gründen unmöglich, genau wie bei Regressionsverfahren, durch die auch nur ein bestimmter Anteil der Varianz erklärt werden kann. Vor allem bei niedrigen Signal-Rausch-Verhältnissen (SRV), wenn das Rauschen groß gegenüber der durch die Inhomogenitäten erzeugten Varianz ist, wird die tatsächlich notwendige Trendkorrektur bei weitem nicht erreicht. Niedrige SRV herrschen insbesondere in stationsarmen Gebieten der Welt, wo Vergleichsstationen weit entfernt sind. Bei der Berechnung globaler Mittelwerte erhalten aber gerade solche Stationen ein großes Gewicht, da sie weite Gebiete repräsentieren müssen. Wir nehmen daher an, dass der globale Temperaturtrend, auch wenn er aus homogenisierten Daten berechnet wird, deutlich unterkorrigiert ist. Mithilfe künstlicher Daten werden wir zunächst die beiden hauptsächlich verwendeten Korrekturmethoden untersuchen. Der Zusammenhang zwischen der erreichten und der eigentlich notwendigen Trendkorrektur wird für verschiedene realistische SRV bestimmt. Da auch die vorangegangene Identifizierung der Bruchpositionen eine indirekte Rolle spielen kann, werden insgesamt acht Prototypen gängiger Homogenisierungsverfahren getestet. Diese Information wird schließlich verwendet, um die Temperaturtrends eines realen, weitverbreiteten und bereits homogenisierten Datensatzes zu korrigieren und ihre Genauigkeit abzuschätzen.
Wichtige Klimaproxies wie z.B. Baumringe nutzen stabile Isotopenverhältnisse zur Rekonstruktion paläoklimatischer Verhältnisse. Dies wiederum erlaubt Abschätzungen über die zukünftigen Auswirkungen des derzeit stattfinden Klimawandels. Die Insel Korsika im westlichen Mittelmeer liegt in einer besonders stark von Klimaveränderungen betroffen Region. Die Insel war daher in den letzten Jahren das Ziel von Klimarekonstruktionen mittels Dendrochronologie und stabilen Isotopenmessungen. Allerdings ließen sich vorhandene Untersuchungsergebnisse von Sauerstoffisotopenmessungen an korsischen Schwarzkiefern bislang nicht zufriedenstellend interpretieren. Sauerstoffisotopenuntersuchungen von Baumringen hängen entscheidend vom Sauerstoffisotopenwert (delta18O) des lokalen Niederschlages und des daraus resultierenden Bodenwassers ab. Der delta18O-Wert des Niederschlages variiert vor allem in Abhängigkeit von Temperatur, Geländehöhe und dem Ursprungsgebiet der Luftmassen. Diese Parameter lassen sich heute meist gut bestimmen lassen, müssen für die Vergangenheit aber oft abgeschätzt werden. Ein wichtiger Effekt ist der Höheneffekt, welcher die Abhängigkeit des delta18O-Werts von der Geländehöhe beschreibt. Für solche Isotopeneffekte gibt es über die globale Datenbasis der Internationalen Atomenergiebehörde (IAEA) gute regionale Abschätzungen. Sehr viel schwieriger gestalteten sich hingegen lokale Abschätzungen in Regionen mit einem sehr steilen, hohen Gebirgsrelief. Neueste Arbeiten lassen vermuten, dass für solche Regionen die Isotopenwerte in bestimmten Jahreszeiten keinen höhenabhängigen Gradienten mehr zeigen. Ursache hierfür können jahreszeitliche Schwankungen der Höhenlage der atmosphärischen Grenzschicht sein. Der vorliegende isotopenhydrologische Antrag ist Teil des Bündelantrages CorsicArchive, welcher weitere Anträge zum Klima, der Dendroisotopie und der Dendrologie umfasst. An insgesamt neun Stationen entlang eines Ost-West verlaufenden Höhenprofils sollen Regensammler installiert und beprobt werden. Im Teilprojekt Isotopenhydrologie sollen Fragen zur Wechselwirkung zwischen dem Höheneffekt und der atmosphärischen Grenzschicht untersucht werden. Weitere Fragestellungen sind die Herkunft der Luftmassen sowie der Anteil der lokalen Verdunstung am hydrologischen Kreislauf der Insel. Darüber hinaus sollen Oberflächengewässer- und Bodenwasseruntersuchungen durchgeführt werden, um Veränderungen des delta18O-Wertes auf seinem Weg zum Baumring zu entschlüsseln und zu quantifizieren. Die Untersuchungen sollen zu einem besseren Verständnis isotopenhydrologischer Prozesse in Gebieten mit steilen Höhengradienten beitragen. Dies soll schließlich dazu führen, dass auf stabilen Isotopen basierende Klimarekonstruktionen solcher Regionen zuverlässig interpretiert werden können. Im Hinblick auf den derzeitigen Klimawandel ist es entscheidend solche Prozesse in der Vergangenheit zu verstehen, um verlässliche Prognosen über zukünftige Veränderungen abzugeben.
Der vorliegende Antrag ist der HALO Mission WISE zuzuordnen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bildung der Tropopauseninversionsschicht (TIL) und deren Einfluss auf Stratosphären-Troposphären Austausch (STE) auf der Mesoskala. Diesem Projekt dienen idealisierte Studien der TIL in baroklinen Lebenszyklen als Grundlage. Die Hauptziele sind dabei die Überprüfung der Ergebnisse der idealisierten Studien zur TIL Bildung genauso wie ein erweitertes Verständnis der Prozesse, die zum STE auf der Mesoskala beitragen. Dabei soll auf drei wissenschaftliche Fragestellungen genauer eingegangen werden: (1) Wie stark schwankt die TIL in ihrem Auftreten über dem Nordatlantik, vor allem im Bereich barokliner Lebenszyklen und im Bereich von STE? (2) Welche Prozesse liefern den größten Beitrag zur TIL auf der Mesoskala und welchen Einfluss hat dies auf STE? (3) Wie groß ist der Beitrag von klein-skaligen Wellen in der unteren Stratosphäre auf die TIL Bildung und die Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht? Eine Kombination von Methoden wird verwendet werden um diese Fragen zu beantworten. Analysedaten des EZMW werden zusammen mit Lagrangeschen Methoden benutzt, um die TIL und STE über dem Nordatlantik zu untersuchen. Der Nordatlantik ist das Gebiet, das auch während WISE untersucht werden soll. Darüber hinaus sollen für WISE hoch aufgelöste Modellsimulationen mit dem neuen numerischen Wettervorhersagemodell ICON durchgeführt werden. Dabei sollen zum einen die Beiträge diverser Prozesse auf die Bildung der TIL am Beispiel von realen Zyklonen und Antizyklonen untersucht werden. Des Weiteren sollen die Modelldaten zusammen mit Beobachtungsdaten verwendet werden um den Einfluss der TIL und von klein-skaligen Wellen auf die vertikale Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht zu bestimmen.
Die Ziele dieses Teilprojektes sind das bessere Verständnis der Ursachen extremere Hochwasserereignisse, die Einschätzung möglicher zukünftiger Hochwasserextremereignisse und die Untersuchung der Vorhersagbarkeit dieser Ereignisse. Dies soll aus der Perspektive der Vielzahl beteiligter atmosphärischer Prozesse und ihrer Skalenvielfalt durchgeführt werden. Daher wird dieses Teilprojekt wichtige Beiträge in der Forschergruppe SPATE liefern. Unter diesen generellen Zielen wollen wir folgende Forschungsfragen adressieren: 1. Was sind die großskaligen atmosphärischen Vorbedingungen für extreme Hochwasserereignisse? 2. Welche Prozesse verstärken den Niederschlag und die Niederschlagswirkung regional/lokal und verursachen dadurch extreme Hochwasserereignisse? 3. Was sind die raumzeitliche Variabilität und die Klimazukunft dieser atmosphärischen Faktoren und was sind ihre Antriebsfaktoren im Klimasystem? Die beiden ersten Fragen sollen in der ersten Phase (PH1, Monate 1 bis 36) der Forschergruppe SPATE bearbeitet werden. Die dritte Frage soll in Phase 2 bearbeitet werden. Zusätzlich sollen atmosphärische Felder, wie beispielsweise Niederschlag, und abgeleitete Indikatorzeitserien für andere Teilprojekte auf Basis einer über 100jährigen Reanalyse, meteorologischer Beobachtungen und Klimasimulation bereitgestellt werden. Der Forschungsplan der ersten Phase besteht aus drei Arbeitspaketen. Bevor die meteorologischen Ursachen extremer Hochwasserereignisse systematisch untersucht werden können, ist die Erstellung einer langzeitlichen (hier über 100-jährigen) vier-dimensionalen meteorologischen Referenz notwendig (Arbeitspaket 0). Die Referenz basiert auf aufbereiteten Niederschlagsdaten, raumzeitlich (mit dem Modell COSMO-CLM) verfeinerten (auf 12 km Gitterdistanz) Reanalysen (ERA-20C ab 1901, NOAA/NCEP 20 CR für den Zeitraum 1851 bis 1900). Diese Referenz erlaubt eine robuste Statistik der Hochwasser-Wetterlagen-Beziehungen und des Verfolgens der Feuchte im atmosphärischen System (Arbeitspaket 1). Regionale und lokale den Niederschlag verstärkende Faktoren (wie Bodenfeuchte-Niederschlagswechselwirkung, frontale/orographische Hebung mit/ohne konvektive Aktivität) werden in Arbeitspaket 2 mit konvektionserlaubenden Simulationen (Gitterdistanzen kleiner als 2 km) mit COSMO-CLM untersucht. In der zweiten Projektphase planen wir zwei Arbeitspakete. Ein Paket wird die klimatologischen Antriebsfaktoren und die multi-skalige Vorhersagbarkeit bearbeiten. In einem weiteren Arbeitspaket wird die Entwicklung von Hochwasserereignissen aus meteorologischer Perspektive bis in das Jahr 2100 betrachtet. Dieses Teilprojekt wird extreme Hochwasserereignisse und deren Eigenschaften den multiskaligen atmosphärischen Prozessen zuordnen und wird außerdem die Zuordnung hydrologischer Prozesse in der Forschergruppe SPATE unterstützen.
Die Fähigkeit, das Wetter bis über eine Woche hinaus vorhersagen zu können, erspart unserer Gesellschaft jährlich Kosten in Milliardenhöhe und trägt entscheidend zum Schutz von Leben und Eigentum bei. Die zunehmende Leistungsfähigkeit unserer Computersysteme und neuartige Beobachtungen haben über die Jahre hinweg zu einer kontinuierlichen Verbesserung der Wettervorhersagequalität geführt. Dennoch kommt es immer noch gelegentlich zu erheblichen Fehlvorhersagen. Dies ist nicht allein auf Defizite in den Vorhersagemethoden zurückzuführen - in einem chaotischen System wie der Atmosphäre gibt es Wettersituationen, die per se schwer vorherzusagen sind. Die gegenwärtige Herausforderung ist daher die Vorhersagbarkeit und insbesondere deren Grenzen, abhängig von der jeweiligen Wettersituation, zu identifizieren um eine bestmögliche Vorhersage bereitstellen zu können. Der TRR 165 wird sich dieser Herausforderung stellen und hat sich zum Ziel gesetzt, durch die Beantwortung der zugrunde liegenden wissenschaftlichen Fragestellungen einer neuen Generation von Wettervorhersagesystemen den Weg zu ebnen. Die wichtigsten Ursachen für verbleibende Unsicherheiten in der derzeitigen numerischen Wettervorhersage sind: A das schnelle Wachstum von Fehlern, die durch nicht oder unzureichend dargestellte physikalische Prozesse wie Konvektion oder Mischung in der Grenzschicht entstehen und letztlich zu Veränderungen der Wellen auf synoptischer Skala führen können, B unser begrenztes Verständnis der physikalischen Prozesse in Wolken und C der relative Einfluss lokaler Faktoren und synoptisch-skaliger Wellen auf das Wetter und dessen Vorhersagbarkeit. Im Rahmen von 'Wellen, Wolken, Wetter' werden diese drei Fragestellungen gemeinsam von Experten der Disziplinen Atmosphärendynamik, Wolkenphysik, Statistik, Inverse Methoden und Visualisierung bearbeitet. Dabei wird TRR 165 eine Vielzahl von Methoden anwenden und neu entwickeln, wie etwa numerische Modelle mit detaillierter Darstellung von Wolkenprozessen und Aerosolen, aber auch Ensemblevorhersagen mit hochentwickelten statistischen Nachbearbeitungsverfahren zur mathematischen Beschreibung der Unsicherheit nutzen. Die zusätzliche Entwicklung neuer, interaktiver Visualisierungsmethoden erlaubt eine rasche und intuitive Erfassung komplexer Informationen, die in Ensemblevorhersagen sowohl zu den Ursachen als auch zur Entwicklung der Unsicherheit meteorologischer Strukturen enthalten sind. Die Gesamtziele von 'Wellen, Wolken, Wetter' sind nur durch die Zusammenführung der Expertise von drei renommierten Forschungsstandorten zu erreichen: München mit der LMU, der TUM, dem DLR; Mainz mit der JGU; und Karlsruhe mit dem KIT. Zudem wird im Rahmen dieses Konsortiums ein innovatives Programm geschaffen, das die Entwicklung von Nachwuchswissenschaftlern im Rahmen eines etablierten Netzwerks erfahrener Wissenschaftler fördern und die Chancengleichheit auf allen Karriereniveaus in den beteiligten Disziplinen verbessern soll.
Aufbauend auf Vorarbeiten des Autors und der Gastinstitution sollen Modelle zur Vorhersage von Offshore Rammschall beim Bau von Offshore-Windenergieanlagen und anderen impulshaltigen Unterwasserschallsignalen in beliebigen Umgebungen ermöglicht werden. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung eines Ausbreitungsmodells für komplexe Umgebungen, welches die gleichzeitige Berücksichtigung von starken Bathymetrieänderungen (sowohl in zwei wie auch in drei Dimensionen) und Böden mit hohen Scheer Geschwindigkeiten ermöglicht. Hauptanwendungsgebiet soll zunächst die Akustik von Offshore Pfahlrammungen sein, bei der vor allem die Entwicklung von geeigneten Modellen zur Verwendung von Schallschutzsystemen im Vordergrund steht. Aufgrund der in weiten Teilen nur sehr ungefähr bekannten Eingangsparameter für die entsprechenden Modelle, vor allem in Bezug auf die Bodenparameter, soll außerdem die Abschätzung der Vorhersagegenauigkeit unter Berücksichtigung weiterer Parameter vertieft werden. Für alle Teilpakete existieren bereits Messdaten, die für eine entsprechende Validierung genutzt werden sollen.
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