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Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Prozesse und Klimatologie von Schwerewellen

PACOG ist ein Projekt im Rahmen der Forschergruppe 'MS-GWaves', bei der es um die Erforschung von Schwerewellen geht. PACOG konzentriert sich dabei auf atmosphärenphysikalische Beobachtungen und Vergleich mit Modellrechnungen. Schwerewellen spielen für unser Verständnis der mittleren Atmosphäre eine entscheidende Rolle, da sie die Atmosphäre um mehr als 100 K vom strahlungsbedingten Zustand treiben können und drastische Veränderungen der Zirkulation und der Zusammensetzung bewirken können. Schwerewellen stellen den wichtigsten Kopplungsprozess zwischen unteren und oberen Schichten der Atmosphäre dar. Leider sind viele Einzelheiten bezüglich Schwerewellen unzureichend verstanden. Dies betrifft z. B. die Erzeugung, Ausbreitung, Filterung, Dissipation und die zeitliche und räumliche Variabilität. Wir möchten die Klimatologie von Schwerewellen auf regionalen und globalen Skalen untersuchen. Dabei wird eine Kombination von hochmodernen Instrumenten eingesetzt, z. B. Lidars und Radars. Die Interpretation der Ergebnisse wird mit Hilfe von Simulationen, die auf Reanalysen aufbauen, unterstützt. Das Ziel von MS-GWaves besteht letzten Endes darin, die Parametrisierung von Schwerewellen in globalen Modellen zu verbessern. Die in PACOG durchgeführten Beobachtungen sollen in allen Teilprojekten von MS-GWaves verwendet werden, z. B. beim Vergleich von lokalen und regionalen Messungen mit globalen Beobachtungen von Satelliten (Projekt SV) oder zur Validierung von Modellrechnungen in den Projekten 3DMSD und GWING.

Human influences on forests in southern Ethiopia: the case of Shashemane-Munessa-forest

Especially during the last decades, the natural forests of Ethiopia have been heavily disturbed by human activities. Some forests have been totally cleared and converted into fields for agricultural use, other suffered from different influences, such as heavy grazing and selective logging. The ongoing research in the Shashemane-Munessa-study area (Gu 406/8-1,2) showed clearly that, in spite of interdiction and control, forests continue to be cleared and degraded. However, it is not yet sufficiently known, how and why these processes are still going on. Growing population pressure and economic constraints for the people living in and around the forests contribute to the actual situation but allow no final answers to the complex situation. Concerning a sustainable management of the forests there is to no solid basis for recommendations from the socioeconomic and socio-cultural view. Therefore, a comprehensive analysis of the traditional needs and forms of forest use, including all forest products, is necessary. The objective of this project is, to achieve this basis by carrying out intensive field observations, the consultation of aerial photographs, satellite imagery and above all semi-structured interviews with the population in the study area in order to contribute to the recommendations for a sustainable use of the Munessa Shasemane forests.

Untersuchung des Anregungsmechanismus der Natrium-D Nightglow-Emission

Die Natrium D-Linien stellen eine der wichtigsten Emissionen des terrestrischen Nightglow-Spektrums dar. Die Na-Emission wurde 1929 durch Vesto Slipher erstmals beschrieben. Sydney Chapman schlug im Jahre 1939 einen Anregungsmechanismus für die Na-D Emission vor, der durch die Reaktion von Na und Ozon initiiert wird. Obwohl die Na-D Nightglow-Emission seit über 80 Jahren Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist, ist das Verständnis ihres Anregungsmechanismus noch immer unvollständig. Neuere Studien identifizierten zeitliche Variationen des D2/D1-Linienverhältnisses, das nicht mit dem ursprünglichen Chapman-Mechanismus vereinbar ist. Ein modifizierter Chapman-Mechanismus wurde 2005 durch Slanger et al. vorgeschlagen, der explizit zwischen den verschiedenen elektronischen Anregungszuständen des beteiligen NaO-Moleküls differenziert. Dieser Mechanismus wurde mit Boden-gestützten Messungen des D2/D1-Linienverhältnisses getestet, aber die vertikale Variation des Linienverhältnisses - ein kritischer Test des modifizierten Chapman-Mechanismus - wurde bisher nicht durchgeführt.Das Hauptziel der hier vorgeschlagenen Untersuchungen besteht darin, das wissenschaftliche Verständnis des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus mit Hilfe Satelliten-gestützter Messungen zu testen und eine Methode zur Ableitung von Na Profilen in der Mesopausenregion aus Messungen der Na-D Nightglow-Emission zu konsolidieren. Hierzu sollen Messungen der Instrumente OSIRIS auf dem Odin Satelliten, sowie SCIAMACHY auf Envisat verwendet werden. Die Synergie der beiden Datensätze ermöglicht auf einzigartige Weise die Untersuchung des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus. Konkret sollen die Satellitenmessungen für folgende Zwecke verwendet werden: 1) Die OSIRIS Messungen, die ein sehr hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis besitzen, sollen verwendet werden um das Verzweigungsverhältnis f für die Produktion von Na(2P) über die Reaktion von NaO und O - entsprechend dem ursprünglichen oder effektiven Chapman-Mechanismus - empirisch zu bestimmen. Hierzu werden unabhängige Na-Profilmessungen mit Boden-gestützten LIDARs und anderen verfügbaren Na Datensätzen eingesetzt. 2) Die SCIAMACHY Nightglow Limb-Messungen erlauben die spektrale Trennung der beiden Na D-Linien und sollen eingesetzt werden, um die vertikale Variation des D2/D1-Verhältnisses in der realen Atmosphäre abzuleiten. Die SCIAMACHY Messungen sind hierfür auf einzigartige Weise geeignet. Die hier vorgeschlagenen Ansätze ermöglichen wichtige und neue Beiträge, um das wissenschaftliche Verständnis des Na-D Nightglow-Anregungsmechanismus zu verbessern. Darüber hinaus tragen die erwarteten Ergebnisse dazu bei, die Methode zur Ableitung von Na-Profilen in der Mesopausenregion aus Messungen der Na-D Nightglow-Emission zu konsolidieren. Letzteres wird erreicht durch die Bereitstellung eines optimalen Verzweigungsverhältnisses f (sowie dessen Unsicherheit) des ursprünglichen Chapman-Anregungsmechanismus.

Global assessment of vegetation photosynthesis and carbon assimilation through space measurements of chlorophyll fluorescence

The gross carbon uptake of terrestrial vegetation through photosynthesis is a crucial parameter in climate change research. A global, observation-based characterization of ecosystem gross primary production can only be performed with satellite measurements. However, the traditional description of vegetation from space is based on the so-called spectral vegetation indices, which are not able to provide a reliable indication of photosynthetic efficiency driving carbon assimilation by vegetation. This results in an inherent limitation of existing satellite products to provide an accurate description of ecosystem functioning. By contrast, ongoing developments in instrument design and modelling approaches have very recently made possible the retrieval of vegetation chlorophyll fluorescence from space measurements. A vast number of laboratory and field experiments have demonstrated that fluorescence is a direct proxy to vegetation light use efficiency which can therefore enable a much more accurate description of gross primary production. This project proposes the implementation of a research group with focus on the global monitoring and interpretation of chlorophyll fluorescence from existing and upcoming Earth Observation missions. This task will imply the development of a variety of atmospheric-surface radiative transfer modelling approaches, data processing, retrieval techniques and ecosystem modelling tools, with the ultimate objective of developing a new approach to the observation of carbon assimilation by vegetation from space.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions, Die Bedeutung der Dynamik der MLT in mittleren und hohen Breiten auf das ionosphärische/thermosphärische Wetter (DYNAMITE)

Das ionosphärische/thermosphärische (I/T) System unterliegt zum einen solaren und magnetosphärischen Einflüssen und wird ebenfalls von zwar kleinskaligen, aber persistenten und darum bedeutenden Prozessen aus der mittleren Atmosphäre angetrieben. Gerade der zuletzt genannte Einfluss wird seit Jahren vermutet, es konnte jedoch bis jetzt kein klarer Beleg für die Kopplung gefunden werden. Alle Anregungen aus der mittleren Atmosphäre müssen sich durch die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) ausbreiten. Dabei wechselwirken die Wellen untereinander und koppeln an die I/T. Diese Kopplung kann (a) durch die direkte Ausbreitung von primären (oder sekundären) Wellen, und /oder (b) indirekt durch den E-Region-Dynamo erfolgen. Deshalb ist die MLT generell von Bedeutung für die dynamische Anregung der I/T, in mittleren und hohen Breiten tritt sie aber besonders hervor: (1) auf diesen Breiten wurden bislang wenige Untersuchungen des I/T Systems (z.B. der Gezeiten) durchgeführt, was auf die unzureichende Auflösung der meisten Satelliten zurückzuführen ist, und (2) aktuelle Studien mit globalen gekoppelten Atmosphären/Ionosphären Simulationen zeigen, dass gerade bei diesen Breiten die solaren und lunaren Gezeiten, die für viele elektrodynamische Effekte in niedrigen Breiten verantwortlich sind, besonders große Amplituden während stratosphärischer Erwärmungen (SSW) erreichen. Wir beantragen, die einzigartigen Radars und Lidars des IAP in mittleren und hohen Breiten zu nutzen, um den Grundstrom, die Wellen und deren Wechselwirkungen in der MLT zu charakterisieren. Die lokalen Radarwindbeobachtungen erfolgen kontinuierlich in einem Höhenbereich von 70 -100 km und können durch Lidarmessungen zu niedrigeren Höhen erweitert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung der vertikalen Ausbreitung von Wellen im Wind und der Temperatur. Diese Studien werden zusätzlich durch Satellitendaten und Re-Analyse komplementiert, um sowohl regional als auch global den Antrieb durch die mittlere Atmosphäre zu erfassen. Die direkte Kopplung wird durch Vergleiche der saisonalen und jährlichen Gezeiten über den Radaren mit den thermosphärischen Daten der Satelliten aus den Überflügen mit polaren Orbits untersucht. Der Einfluss des E-Region-Dynamos wird mit Hilfe von Simulationen gekoppelter Atmosphären/Ionosphären-Modellen analysiert und beinhaltet die Anregung der lunaren Gezeit in Zeiträumen mit und ohne SSW. Die Modelle werden mit bodengebunden Beobachtungen und satellitengestützten ionosphärischen Daten verglichen und validiert. Neben vielen offenen Fragen zur Kopplung der MLT mit dem I/T-System, erwarten wir insbesondere Ergebnisse zu folgenden Fragen: (a) Wie wirkt sich die beobachtete Kurzzeitvariabilität der MLT auf Wellen und dem Grundstrom in Bezug zum I/T Wetter aus?, (b) Was sind die Charakteristiken der solaren und lunaren Gezeiten für verschiedene Strukturen des polaren Wirbels während SSW und welche Auswirkungen entsprechen diesen im I/T-System?

Die Sanasilva-Inventur

*Der Gesundheitszustand der Bäume im Schweizer Wald wird seit 1985 mit der Sanasilva-Inventur repräsentativ erfasst. Die wichtigsten Merkmale sind die Kronenverlichtung und die Sterberate. Das systematische Probeflächen-Netz der Inventur ist im Laufe der Zeit ausgedünnt worden. In der Periode von 1985 bis 1992 wurden rund 8000 Bäume auf 700 Flächen im 4x4 km-Netz aufgenommen, 1993, 1994 und 1997 rund 4000 Bäume im 8x8 km-Netz und in den Jahren 1995, 1996 und 1998 bis 2002 rund 1100 Bäume im 16x16 km-Netz . Aufnahmemethode Alle drei Jahre (1997, 2000) wird die Sanasilva-Inventur auf dem 8x8-km Netz (ca. 170 Probeflächen ) durchgeführt. In den Jahren dazwischen findet die Inventur auf einem reduzierten 16x16-km Netz (49 Probeflächen) statt. Jede Fläche besteht aus zwei konzentrischen Kreisen. Der äussere Kreis hat ein Radius von 12.62 m (500 m2) und der innere ein Radius von 7.98 m (200 m2). Auf dem inneren Kreis werden alle Bäume mit einem Mindestdurchmesser in Brusthöhe von 12 cm und auf dem äusseren Kreis mit einem Mindestdurchmesser in Brusthöhe von 36 cm aufgenommen. In Nordrichtung wird zusätzlich in 30 m Entfernung eine identische Satellitenprobenfläche eingerichtet. Die Aufnahme findet in Juli und August statt. Eine Aufnahmegruppe besteht aus zwei Personen, von denen eine die Daten erhebt, und die andere die Daten eintippt. Die Daten werden mit dem Feldkomputer Paravant und der Software Tally erfasst. Die Aufgabenteilung wechselt zwischen Probeflächen. Auf dem 8x8-km Netz werden zusätzlich 10 Prozent der Flächen von einer unabhängigen zweiten Aufnahmegruppe zu Kontrollzwecken aufgenommen. Hauptmerkmale der Sanasilva-Inventur: Die Sanasilva-Inventur erfasst vor allem folgende Indikatoren des Baumzustandes: Die Kronenverlichtung wird beschrieben durch den Prozentanteil der Verlichtung einer Krone im Vergleich zu einem Baum gleichen Alters mit maximaler Belaubung/Benadelung an diesem Standort, den Anteil dieser Verlichtung, der nicht durch bekannte Ursachen erklärt werden kann, den Ort der Verlichtung, den Anteil und den Ort von unbelaubten/unbenadelten Ästen und Zweigen. Die Kronenverfärbung wird durch die Abweichung der mittleren Farbe (aufgenommen als Farbton, Reinheit und Helligkeit nach den Munsell Colour Charts) eines Baumes zu der für diese Baumart typischen Normalfarbe (Referenzfarbe) und durch das Vorhandensein, das Ausmass und den Ort der von der Referenzfarbe abweichenden Farben beschrieben. Der Zuwachs eines Baumes wird durch die zeitliche Veränderung der aufgenommen Baumgrössen beschrieben (Brusthöhendurchmesser, Höhe des Baumes, Kronenlänge und Kronenbreite). Weitere Merkmale sind die erkannten Ursachen der Kronenverlichtung, die Kronenkonkurrenz und das Vorkommen von Epiphyten, Mistel und Ranken in der Baumkrone.

Shipboard Automated Meteorological and Oceanographic System (SAMOS) air-sea fluxes, version 2, 2005-2015

Along ship track bulk turbulent heat and momentum fluxes derived using one-minute interval data collected by the Shipboard Automated Meteorological and Oceanographic System (SAMOS) initiative. The fluxes are provided as three products derived using three widely accepted air-sea flux algorithms (Smith 1988, COARE 3.5, and a 2013 update of Bourassa 2006). Datasets are organized by ship and flux algorithm. The dataset uses SAMOS data from 19 research vessels with observations spanning 2005-2015. Data include heat and momentum fluxes, state variables adjusted to 10 meters, and multiple inputs and outputs from the flux algorithms. These data have wide use for satellite product and model evaluation; air-sea interaction, marine biology, chemistry and geoscience research activities; climate science, and marine geoinformatics. The data are concentrated in the oceans around North America, but select data are available from most ocean basins. Fluxes are derived from along cruise track navigational, meteorological, and oceanographic observations from 19 research vessels. Fluxes are derived at one-minute intervals (the same as the source observations) and take advantage of extensive quality control flags on the source SAMOS data. Additional QC flags are applied to the derived fluxes, height adjusted state variables, and other outputs of the flux algorithms. All data are provided in CF and ACDD compliant netCDF files, with extensive metadata. The uncompressed data volume is ca. 5 GB.

Trajectories and sensor data from drifter deployment number 10 during MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE cruise HE644

During cruise HE644 (joint campaign of MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE), Lagrangian surface drifters (Meyerjürgens et al., 2019; Deyle et al., 2024) were deployed from MS FRITZ REUTER, following the near-surface water motion, therefore allowing for observations within a moving water mass over extended periods with minimal disturbance to the surrounding water. Coordinates of the drifter position were transmitted by a GPS satellite tracker (inReach® Messenger from Garmin Ltd.) at two-minute intervals. Position data was processed after Deyle et al. (2024) and is available on minutely resolution in this dataset. For original trajectories see "<DOI>". In addition, the drifters were equipped with (down to 1.75 m depth) instrument chains including temperature and lightweight CTD (conductivity, temperature, depth) sensors. Depth in water was only recorded by RBRbrevio³ sensors, for others the depth was measured during sensor chain preparation and saved in the data array as fixed depth. The in situ temperature was recorded at up to six different depths using RBRsolo³, RBRbrevio³ (both sample frequency 1-2 Hz) and Aqua TROLL® 100 sensors (sample frequency 1 min-1). Conductivity was measured at up to three different depths, using RBRbrevio³ and Aqua TROLL® 100 sensors. RBR sensors were calibrated to a measurement uncertainty of ± 0.002 °C and ± 0.003 mS cm-1, whereas the TROLL sensors have a measurement uncertainty of ± 0.1 °C and ± 0.5%. For details on the sensor data processing see the appropriate processing report.

Trajectories and sensor data from drifter deployment number 06 during MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE cruise HE644

During cruise HE644 (joint campaign of MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE), Lagrangian surface drifters (Meyerjürgens et al., 2019; Deyle et al., 2024) were deployed from MS FRITZ REUTER, following the near-surface water motion, therefore allowing for observations within a moving water mass over extended periods with minimal disturbance to the surrounding water. Coordinates of the drifter position were transmitted by a GPS satellite tracker (inReach® Messenger from Garmin Ltd.) at two-minute intervals. Position data was processed after Deyle et al. (2024) and is available on minutely resolution in this dataset. For original trajectories see "<DOI>". In addition, the drifters were equipped with (down to 1.75 m depth) instrument chains including temperature and lightweight CTD (conductivity, temperature, depth) sensors. Depth in water was only recorded by RBRbrevio³ sensors, for others the depth was measured during sensor chain preparation and saved in the data array as fixed depth. The in situ temperature was recorded at up to six different depths using RBRsolo³, RBRbrevio³ (both sample frequency 1-2 Hz) and Aqua TROLL® 100 sensors (sample frequency 1 min-1). Conductivity was measured at up to three different depths, using RBRbrevio³ and Aqua TROLL® 100 sensors. RBR sensors were calibrated to a measurement uncertainty of ± 0.002 °C and ± 0.003 mS cm-1, whereas the TROLL sensors have a measurement uncertainty of ± 0.1 °C and ± 0.5%. For details on the sensor data processing see the appropriate processing report.

Trajectories and sensor data from drifter deployment number 02 during MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE cruise HE644

During cruise HE644 (joint campaign of MS FRITZ REUTER and RV HEINCKE), Lagrangian surface drifters (Meyerjürgens et al., 2019; Deyle et al., 2024) were deployed from MS FRITZ REUTER, following the near-surface water motion, therefore allowing for observations within a moving water mass over extended periods with minimal disturbance to the surrounding water. Coordinates of the drifter position were transmitted by a GPS satellite tracker (inReach® Messenger from Garmin Ltd.) at two-minute intervals. Position data was processed after Deyle et al. (2024) and is available on minutely resolution in this dataset. For original trajectories see "<DOI>". In addition, the drifters were equipped with (down to 1.75 m depth) instrument chains including temperature and lightweight CTD (conductivity, temperature, depth) sensors. Depth in water was only recorded by RBRbrevio³ sensors, for others the depth was measured during sensor chain preparation and saved in the data array as fixed depth. The in situ temperature was recorded at up to six different depths using RBRsolo³, RBRbrevio³ (both sample frequency 1-2 Hz) and Aqua TROLL® 100 sensors (sample frequency 1 min-1). Conductivity was measured at up to three different depths, using RBRbrevio³ and Aqua TROLL® 100 sensors. RBR sensors were calibrated to a measurement uncertainty of ± 0.002 °C and ± 0.003 mS cm-1, whereas the TROLL sensors have a measurement uncertainty of ± 0.1 °C and ± 0.5%. For details on the sensor data processing see the appropriate processing report.

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