Schwerewellen (GW) stellen nicht nur den zentralen Kopplungsmechanismus zwischen der unteren Atmosphäre und dem Thermosphäre/Ionosphäre (TI) System dar, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf das Erdklima. Ein Großteil der Schwerewellen hat ihren Ursprung in der Troposphäre. Durch ihre vertikale Ausbreitung übertragen sie Energie und Impuls zwischen den verschiedenen atmosphärischen Schichten. Ionenreibung und molekulare Viskosität sind die wichtigsten Dissipationsmechanismen der Schwerewellen in der TI. Magnetfeldschwankungen verändern die Brechungseigenschaften der Atmosphäre (großräumige Temperatur und Windfelder) und modulieren damit die Ionenreibung. Das Primärziel dieses Projektes ist die Erforschung und Quantifizierung der Einwirkungen der Magnetfeldvariationen auf die Ausbreitung und Wirkungsmechanismen der Schwerewellen, die aus der unteren Atmosphäre stammen, und die daraus resultierende dynamische Rückkopplung. Vor allem soll untersucht werden, ob Schwerewellen eine Verbindung zwischen dem Trend der Magnetfeldschwächung und der beobachteten starken Abkühlung der Thermosphäre herstellen können. Die Studie soll mit dem Coupled Middle Atmosphere Thermosphere-2 (CMAT2) genannten allgemeinen Zirkulationsmodell durchgeführt werden. Ein wichtiger Teil von CMAT2 ist die von uns entwickelte und implementierte state-of-the-art spektrale, nichtlineare GW Parametrisierung. Die Ergebnisse neuer numerischer Simulationen mit CMAT2 sollen mit schon vorhandenen und zukünftigen Beobachtungen, z.B. der SWARM Satelliten verglichen werden. Wir erwarten neben Fortschritten im fundamentalen Verständnis der Schwerewellenkopplung auch zu Verbesserungen von Weltraumwettervorhersagen beitragen zu können.
Die Veränderung der instanten Richtung und des Betrages des Erdrotationsvektors infolge der variablen Strömungen der Atmosphäre und des Ozeans sollen für Zeiträume von Tagen bis Dekaden berechnet und mit geodätischen Beobachtungen verglichen werden. Grundlage sind die numerischen Daten hochauflösender Zirkulationsmodelle von Atmosphäre und Ozean, aus denen die zeitabhängigen Antriebsfunktionen für die Integration der Kreiselgleichungen der Erdrotation gewonnen werden. Die Arbeiten gehen in drei Richtungen: (1) Es soll grundsätzlich untersucht werden, welche Perioden der Erdrotation durch den gemeinsamen Einfluss von Atmosphäre und Ozean angeregt werden ('Systemstudie').(2) Es soll mit hochaufgelösten Daten der Atmosphäre und des Ozeans (Reanalysen) und den präzisen Beobachtungen moderner geodätischer Raumverfahren (VLBI, GPS) eine Assimilation in die Liouvilleschen Kreiselgleichungen durchgeführt werden. Ziel dieser Studie ist eine optimale Anpassung und Kontrolle von freien Parametern (Lovesche Zahlen, Reibungskoeffizienten, Dämpfungsfaktor Q) ('Assimilationsstudie').(3) Es sollen für den konkreten Zeitraum der letzten 100 Jahre Vergleiche mit gemessenen Polbewegungen und Änderungen der Tageslänge durchgeführt werden ('Klimastudie').
Diese Studie soll die Rolle der Kohlenwasserstoffseen bei astronomisch angetriebenen Klimavariationen auf dem Saturnmond Titan näher beleuchten. Seen auf Titan sind stark auf die nördliche Polarregion konzentriert, während die Becken in der südlichen Polarregion größtenteils nicht mit Flüssigkeiten gefüllt sind. Diese Beobachtung führte zu kontroversen Diskussionen darüber, ob die polaren Seen Gegenstücke zu den irdischen Eisschilden darstellen, die mit dem Croll-Milankovitch-Zyklus wachsen und schrumpfen. Ein regionales und globales numerisches Modell der Methanhydrologie soll benutzt werden, um den Einfluss der Orbitalparametervariationen auf die Seen und deren Rückkopplung auf das Klima zu untersuchen. Die Hauptarbeitshypothese der Studie ist, dass sich der mittlere Seespiegel aufgrund der Variation des Niederschlags, der Verdunstung und des globalen Methantransportes in der Atmosphäre in Zeitskalen der Apsidendrehung von Saturn ändert. Auf regionaler Ebene wird ein dreidimensionales Ozeanzirkulationsmodell der Titan-Seen angewandt, um den orbitalen Einfluss auf die Zirkulation und Schichtung in den Seen zu untersuchen. Diese beinhalten die insbesondere die windgetriebene und dichtegetriebene Zirkulation, die für die Variationen der Seeoberflächentemperatur, -zusammensetzung und Verdunstung wichtig sind. Die langjährige Seespiegelveränderung wird durch Extrapolation der jährlichen Seespiegelveränderungen berechnet, die durch eine Serie von Simulationen unter den Orbitalparametern ausgewählter Epochen in der Vergangenheit prognostiziert werden. Auf globaler Ebene wird ein dreidimensionales atmosphärisches Zirkulationsmodell mit einem eingebauten atmosphärischen Hydrologie-Modul und vereinfachten Ozeanmodell angewandt, um die langjährige Veränderung der globalen Seeverteilung zu simulieren. Das globale Modell beschäftigt sich insbesondere mit der Frage, ob polare Seen in einer Hemisphäre auf Kosten der Seen in der anderen Hemisphäre innerhalb eines Orbitalzyklus anwachsen können oder ob es aus geographischen oder astronomischen Gründen eine Neigung zur Anhäufung der Seen in einer der beiden Hemisphären geben könnte. Ferner soll die Rückkopplung der variablen oder nicht variablen Seeverteilung auf den atmosphärischen Teil des Klimas untersucht werden indem die Simulationsergebnisse mit denen der Kontrollsimulation ohne Seen verglichen werden.
Interne Schwerewellen (SW) verbinden verschiedene Schichten der Atmosphäre von der Troposphäre bis zur Thermosphäre und treiben die großskalige Zirkulation der mittleren Atmosphäre an. Viele der für SW relevanten Prozesse, von ihrer Entstehung über die Ausbreitung bis zur Dissipation sind jedoch unvollständig verstanden und, wegen der geringen typischen Wellenlänge, meist schlecht in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen repräsentiert. GWING ist eines der Projekte der Forschergruppe MS-GWaves, die darauf abzielt, unser Verständnis der oben angesprochenen multi-skalaren dynamischen Schwerewellenprozesse zu verbessern, um letztendlich eine einheitliche Parametrisierung der in Atmosphärenmodellen nicht auflösbaren Schwerewellen (und ihrer Effekte) von der Entstehung bis zur Dissipation zu entwickeln. Um hierzu beizutragen, ist das zentrale Ziel von GWING die Entwicklung und Anwendung des atmosphärischen Zirkulationsmodells UA-ICON. Mit diesem Modell integriert GWING das in der Forschergruppe MS-GWaves entwickelte Wissen. In der zweiten Phase von GWING stehen zwei übergeordnete wissenschaftliche Fragen im Fokus: a) Welche Bedeutung haben Eigenschaften von Schwerewellen, die in klassischen Parametrisierungen nicht berücksichtigt werden, also insbesondere horizontale und nicht-inständige Propagation sowie die Wechselwirkung transienter Wellen mit dem Grundstrom? b) Welche Rolle spielen Schwerewellen für die globale Zirkulation und ihre Variabilität? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir UA-ICON global sowohl mit einer Maschenweite von etwa 20 km (d.h. mit Auflösung von SW bis etwa 100 km Wellenlänge) als auch mit grober Auflösung, dafür aber mit der State-of-the-art Parametrisierung MS-GWaM nutzen. Weiterhin werden spezielle Beobachtungsepisoden mit sehr hoch (ca. 1,5 km) aufgelösten Nestern simuliert. Zur Evaluation und Analyse werden diese Modellsimulationen mit Beobachtungen der Partnerprojekte zusammengeführt. Die wesentlichen Entwicklungsziele für UA-ICON in Phase 2 des Projekts sind dementsprechend die Implementierung von MS-GWaM (entwickelt im Partnerprojekt 3DMSD), die Einführung physik-basierter Schwerewellenquellen (zusammen mit 3DMSD und SV) und eine verbesserte Behandlung von SW bei sehr hoher Modellauflösung. Die Nutzung der verschiedenen UA-ICON-Konfigurationen wird schließlich erlauben, die Bedeutung bisher vernachlässigter Eigenschaften von SW zu untersuchen, d.h. die erste der oben genannten Fragestellungen zu beantworten. Ein spezielles Ziel im Rahmen von GWING ist diese Untersuchung für Episoden plötzlicher Stratosphärenerwärmungen, die durch sich schnell ändernde und zonal nicht symmetrische Bedingungen des Grundstroms gekennzeichnet sind. Im Hinblick auf die zweite übergeordnete Fragestellung, wird sich GWING auf a) die Rolle der SW und einer hohen Modellausdehnung für die Simulation von Zirkulationsänderungen bei globaler Erwärmung und b) die Rolle für die Güte von Wettervorhersagen konzentrieren.
Gletscher haben im 20. Jh. weltweit starke Rückgänge erfahren, was auch für Gletscher in den Tropen gilt. Obwohl die Gletscher am Kilimanjaro (Tansania) ähnliche Charakteristika wie andere tropische Gletscher aufweisen (starke Empfindlichkeit auf Klimaelemente, die von der Luftfeuchtigkeit gesteuert werden), verlangt die Untersuchung ihres Verhaltens eine spezielle Sichtweise. Diese ist notwendig, da am Kilimanjaro zwei verschiedene Gletschersysteme existieren: die tafelförmigen Gletscher auf dem Gipfelplateau und die Hanggletscher unterhalb des Gipfelplateaus auf den steilen Flanken des Berges. Plateaugletscher sind von seitlich zurückweichenden, vertikalen Eiskliffs umrandet, die zu einer stetigen Abnahme der Ausdehnung von Plateaugletschern führen - selbst wenn sich auf deren horizontalen Oberflächen Schnee und folglich Gletschermasse ansammelt. Ein Vorprojekt konnte belegen, dass die klimatische Hauptursache für den seit 1880 andauernden Rückgang der Gletscher am Kilimanjaro ein regional trockeneres Klima seit dem späten 19. Jh. ist. Ebenso wurde klar, dass das gegenwärtige Klima die Gletscher nahe an das vollständige Verschwinden drängt. Dies wirft wiederum die Frage auf, unter welchen Klimabedingungen sie überhaupt existieren und sich bilden konnten. Das beantragte Projekt setzt sich daher das Ziel, eine mindestens 500 Jahre umfassende Zeitreihe des Gletscherverhaltens am Kilimanjaro zu rekonstruieren. Da andere Rekonstruktionen (v.a. Seespiegelstände) andeuten, dass die regionalen Klimaschwankungen vor 1880 größer als nachher waren, scheint es möglich, dass die Gletscher am Kilimanjaro eine relativ kurze Lebenszeit und daher ein zyklisches Verhalten aufweisen. Im vorgeschlagenen Projekt werden meteorologische Messungen im Gipfelbereich des Kilimanjaro dazu dienen, ein Massenbilanzmodell anzutreiben, zu kalibrieren und zu validieren. Dieses an der Physik der Gletscher orientierte Modell quantifiziert den Massenaustausch zwischen Gletscher und Atmosphäre. Input-Daten, die mehrere Jahrhunderte umfassen, sollen schließlich aus Simulationen des Paläoklimas mit gekoppelten Zirkulationsmodellen (globale Klimamodelle) kommen. Um den Klimamodell-Output auf die lokalen Verhältnisse am Kilimanjaro zu transferieren, ist eine Regionalisierungstechnik (statistisches Downscaling) notwendig. Durch die Anwendung des regionalisierten Datensatzes auf das Massenbilanzmodell entsteht im letzten Schritt eine mindestens 500-jährige Reihe des Gletscherverhaltens (und potenzieller Zyklizität) am Kilimanjaro, die mit (a) anderen Rekonstruktionen von klimaempfindlichen Umweltsystemen (Seestände, Eisbohrkerne) und (b) der großräumigen Klimadynamik im Zirkulationsmodell verglichen werden kann. Der experimentelle Teil des Projekts betrifft die Modellierung der vertikalen Eiskliffs sowie die Erzeugung zeitlich hochaufgelöster lokaler Daten aus dem globalen Klimamodell. usw.
Modellierte Vorhersage von Temperatur und Salzgehalt des operationellen Zirkulationsmodells des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) in der deutschen Bucht und der westlichen Ostsee (horizontale Auflösung ca. 900 m). Das Modell (HBM, HIROMB-BOOS-Modell) läuft viermal am Tag in einer Konfiguration mit einem feineren Gitter in der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee (900 m Auflösung, dieser Datensatz) und einem gröberen Gitter, das die gesamte Nord- und Ostsee abdeckt (5 km Auflösung, separater Datensatz). Das Modell wird von aktuellen Wettervorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben. Genauere Informationen über die Modellkonfiguration sind in Brüning et al. (2021); https://doi.org/10.23784/HN118-01; zu finden.
Modellierte Vorhersage der Wasserstandsauslenkung des operationellen Zirkulationsmodells des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) in der Nord- und Ostsee (horizontale Auflösung ca. 5 km). Das Modell (HBM, HIROMB-BOOS-Modell) läuft viermal am Tag in einer Konfiguration mit einem feineren Gitter in der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee (900 m Auflösung, separater Datensatz) und einem gröberen Gitter, das die gesamte Nord- und Ostsee abdeckt (5 km Auflösung, dieser Datensatz). Das Modell wird von aktuellen Wettervorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben. Genauere Informationen über die Modellkonfiguration sind in Brüning et al. (2021); https://doi.org/10.23784/HN118-01; zu finden.
Schichtdicken des operationellen Zirkulationsmodells des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH) in der Nord- und Ostsee (horizontale Auflösung ca. 5 km). Das Modell (HBM, HIROMB-BOOS-Modell) läuft viermal am Tag in einer Konfiguration mit einem feineren Gitter in der Deutschen Bucht und westlichen Ostsee (900 m Auflösung, separater Datensatz) und einem gröberen Gitter, das die gesamte Nord- und Ostsee abdeckt (5 km Auflösung, dieser Datensatz). Das Modell wird von aktuellen Wettervorhersagen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) angetrieben. Genauere Informationen über die Modellkonfiguration sind in Brüning et al. (2021); https://doi.org/10.23784/HN118-01; zu finden.
Es wird eine zeitlich sehr schnelle Routine zur genauen Berechnung des Transports solarer und infraroter Strahlung in der bewoelkten Erdatmosphaere entwickelt. Die Rechenzeit wird nicht mehr als 15 Millisekunden pro Profilbetragen. Das Verfahren beruht auf einer modifizierten Zweistromloesung der Strahlungstransportgleichung, in der durchbrochene Bewoelkung durch Modifizierung der Randbedingungen beruecksichtigt worden ist.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 1407 |
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| Wissenschaft | 2 |
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| Daten und Messstellen | 1 |
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