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Lokale stochastische Subgitterskalenmodellierung in der effizienten Simulation der geophysikalischen Strömungsdynamik

Es gibt konzeptionelle Gründe, Interesse an effizienten Atmosphärenmodellen zu haben, weil diese tiefere Einblicke in der Atmosphärendynamik erlauben, z.B. in Hinsicht auf Klimavariabilität. Solche Modelle sind aber auch ein nützliches Werkzeug bei Untersuchungen der Klimasensitivität oder des Paläoklimas, wo sehr viele oder sehr lange Integrationen benötigt werden und somit die Recheneffizienz eine wichtige Rolle spielt. Besonders bei diesen Anwendungen muss darauf Wert gelegt werden, dass die unvermeidlichen Subgitterskalenparametrisierungen möglichst viel auf ersten Prinzipien basieren. Die stochastische Modenreduktion (SMR) bietet hier eine Strategie, bei der ein großer Teil der Parametrisierung auf Papier hergeleitet wird, wenn bestimmte Terme, die Wechselwirkungen zwischen nichtaufgelösten Moden beschreiben, durch einen einfachen stochastischen Prozess modelliert werden können. In früheren Anwendungen der SMR wurden die reduzierten Atmosphärenmodelle immer im Spektralraum formuliert. Somit koppelt die dazugehörige globale subgitterskalige Parametrisierung alle aufgelösten Moden miteinander. Letztes begrenzt die Anwendbarkeit der Methode auf niedrigdimensionale Systeme. Um dieses Problem zu umgehen, ist unlängst eine Implementierung der SMR für gitterbasierte Raumdiskretisierungen entwickelt worden, die in einer lokalen Parametrisierung resultiert. Diese Strategie wurde bis jetzt nur im Rahmen der Burgersgleichung getestet. Das vorgeschlagene Projekt soll signifikant dazu beitragen, die lokale SMR auf realistische Modelle der Atmosphärendynamik anzuwenden. Dabei sollen subgitterskalige Parametrisierungen für die barotrope Vorticitygleichung und für die Flachwassergleichungen auf der f-Ebene konstruiert werden. Beide Modelle beinhalten wesentliche Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, wenn man die lokale SMR auf die allgemeinen Gleichungen für die Beschreibung der Atmosphärendynamik anwenden will. Die neuen subgitterskaligen Parametrisierungen sollen folgende Kriterien erfüllen: i) sie sollen systematisch aus den Modellgleichungen unter einer relativ kleinen Anzahl von Grundannahmen hergeleitet werden ii) sie sollen so konsistent wie möglich mit den Erhaltungseigenschaften der Gleichungen sein und iii) sie sollen eine minimale (falls möglich gar keine) Anpassung an Daten der aufgelösten Skalen verwenden. In der Klimamodellierung existiert ein großer Bedarf an physikalisch basierten und auflösungsunabhängig formulierten stochastischen Parametrisierungen. Die Entwicklung von subgitterskaligen Parametrisierungen mittels der SMR, wie in diesem Projekt vorgeschlagen, wird zu solchen Verfahren beitragen. Die Turbulenzparametrisierung in grob auflösenden Simulationen ist ein anderes Feld, das von einer solchen Entwicklung profitieren kann.

METOP GOME-2 - Tropospheric Nitrogen Dioxide (NO2) - Global

The Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) instrument continues the long-term monitoring of atmospheric trace gas constituents started with GOME / ERS-2 and SCIAMACHY / Envisat. Currently, there are three GOME-2 instruments operating on board EUMETSAT's Meteorological Operational satellites MetOp-A, -B, and -C, launched in October 2006, September 2012, and November 2018, respectively. GOME-2 can measure a range of atmospheric trace constituents, with the emphasis on global ozone distributions. Furthermore, cloud properties and intensities of ultraviolet radiation are retrieved. These data are crucial for monitoring the atmospheric composition and the detection of pollutants. DLR generates operational GOME-2 / MetOp level 2 products in the framework of EUMETSAT's Satellite Application Facility on Atmospheric Chemistry Monitoring (AC-SAF). GOME-2 near-real-time products are available already two hours after sensing. The operational NO2 total column products are generated using the algorithm GDP (GOME Data Processor) version 4.x integrated into the UPAS (Universal Processor for UV / VIS Atmospheric Spectrometers) processor for generating level 2 trace gas and cloud products. The operational NO2 tropospheric column products are generated using the algorithm GDP (GOME Data Processor) version 4.x for NO2 [Valks et al. (2011)] integrated into the UPAS (Universal Processor for UV / VIS Atmospheric Spectrometers) processor for generating level 2 trace gas and cloud products. The total NO2 column is retrieved from GOME solar back-scattered measurements in the visible wavelength region using the DOAS method. An additional algorithm is applied to derive the tropospheric NO2 column: after subtracting the estimated stratospheric component from the total column, the tropospheric NO2 column is determined using an air mass factor based on monthly climatological NO2 profiles from the MOZART-2 model. For more details please refer to relevant peer-review papers listed on the GOME and GOME-2 documentation pages: https://atmos.eoc.dlr.de/app/docs/

METOP GOME-2 - Formaldehyde (HCHO) - Global

The Global Ozone Monitoring Experiment-2 (GOME-2) instrument continues the long-term monitoring of atmospheric trace gas constituents started with GOME / ERS-2 and SCIAMACHY / Envisat. Currently, there are three GOME-2 instruments operating on board EUMETSAT's Meteorological Operational satellites MetOp-A, -B, and -C, launched in October 2006, September 2012, and November 2018, respectively. GOME-2 can measure a range of atmospheric trace constituents, with the emphasis on global ozone distributions. Furthermore, cloud properties and intensities of ultraviolet radiation are retrieved. These data are crucial for monitoring the atmospheric composition and the detection of pollutants. DLR generates operational GOME-2 / MetOp level 2 products in the framework of EUMETSAT's Satellite Application Facility on Atmospheric Chemistry Monitoring (AC-SAF). GOME-2 near-real-time products are available already two hours after sensing. The operational HCHO total column products are generated using the algorithm GDP (GOME Data Processor) version 4.x integrated into the UPAS (Universal Processor for UV / VIS Atmospheric Spectrometers) processor for generating level 2 trace gas and cloud products. For more details please refer to relevant peer-review papers listed on the GOME and GOME-2 documentation pages: https://atmos.eoc.dlr.de/app/docs/

Modellentwicklung zur regionalen Vorhersage der N2O-Emissionen aus bodenchemischen und bodenphysikalischen Parametern unter spezieller Berücksichtigung des oberflächennahen N2O-Gehaltes in Böden

Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.

Die Frage nach der geochemischen Entwicklung der Erdatmosphaere aufgrund geologischer und geochemischer Studien

Erforschung der Entwicklung der Erdatmosphaere auf der Basis geologischer Grundlagen, insbesondere das Problem der Entwicklung des Luftsauerstoffs; Vergleich mit anderen Planetenatmosphaeren.

Methanemissionen aus den saisonalen Überflussingsgebieten des Amazonas

Methan (CH4) ist ein wichtiges Treibhausgas, welches hauptsächlich durch anaerobe Prozesse erzeugt wird. Eine Hauptquelle für Methan sind Feuchtgebiete. Das Amazonasbecken in Südamerika beherbergt viele dieser Feuchtgebiete und ist deshalb eine Schlüsselregion für tropische CH4-Emissionen. Trotz ihrer Bedeutung für den globalen Methanhaushalt, sind die CH4 Emissionen aus dem Amazonasbecken bisher schlecht quantifiziert und die beitragenden CH4 Quellen nicht gut verstanden. Im Amazonasbecken sind die saisonal überschwemmten Wälder potentiell wichtige Regionen für Methanemissionen, aber die wenigen Messungen erlauben es momentan nicht, den Beitrag dieser Regionen ausreichend zu quantifizieren.Das übergeordnete Ziel dieses Antrags ist es, die Rolle der saisonal überschwemmten Wälder für den CH4-Haushalt im Amazonasgebiet zu verstehen. Speziell sollen Austauschflussmessungen von CH4 (und anderen Gasen) über der Baumkrone in einem saisonal überfluteten Wald im Amazonasbecken über den Zeitraum von mindestens einem Jahr durchgeführt werden. Derartige Messungen existieren derzeit in saisonal überfuteten Wäldern im Amazonasgebiet nicht. Die Austauschflussmessungen über der Baumkrone sollen in diesem Projekt durch direkte Messungen der Methan-Quellen und -Senken ergänzt werden. Diese Kombination von Messungen erlaubt es, die Emissionen der einzelnen Quellen und Senken mit den Messungen über der Baumkrone zu verbinden und damit den CH4-Haushalt in dem Bereich des 'Footprints' der Messungen zu verstehen. Dies ist wichtig, weil einige Quellen nicht gut verstanden sind, z.B. wurden vor kurzem hohe Emissionen aus Baumstämmen in saisonal überfluteten Regionen gemessen. Darüberhinaus liefern die CH4 Flussmessungen oberhalb der Baumkrone über einen vollen Jahreszyklus einen Datensatz, der durch 'Upscaling' mit den Austauschflüssen, die man aus der Inversion atmosphärischer Konzentrationsmessungen erhält, verglichen werden kann. Die vorgeschlagenen Messungen sollen an dem Turm K34, welcher in einem saisonal überfluteten Wald nahe Manaus (Brasilien) steht, durchgeführt werden. Wir haben die Genehmigung unsere Instrumente an diesem Turm zu installieren und für das Spektrometer steht ein klimatisierter Raum zur Verfügung. Für die Flussmessungen werden wir die Relaxed Eddy Accumulation (REA) Technik mit einem FTIR-Spektrometer koppeln. Der Aufbau dieses FTIR-REA Flussmesssystems wurde in dem EU-Projekt INGOS entwickelt und das Messsystem steht zur Verfügung. Das System ist in der Lage, die Flüsse von CH4, CO2, N2O, CO und d13CO2 gleichzeitig zu messen. Die einzelnen Emissionsquellen innerhalb des 'Footprints' der Flussmessungen werden mit einem tragbaren Analysator im Rahmen einzelner Kampagnen bestimmt.

Neuartige Wärmeschutzsysteme für Wasserstofftechnologien, Neuartige Wärmeschutzsysteme für Wasserstofftechnologien (MORGEN)

Gasaustausch bei hohen Windgeschwindigkeiten

Basierend auf dem Stand des Wissens ist es nicht möglich, zuverlässig die Transfergeschwindigkeiten für den Gasaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre bei hohen Windgeschwindigkeiten anzugeben. Der Mangel an experimentellen Daten ist der Grund dafür. Das Ziel dieses Projekts ist es daher, die Mechanismen des Gasaustausches mit Fokus auf die hohen Windgeschwindigkeiten durch eine Reihe von Laborexperimenten unter den weit möglichen Bedingungen zu untersuchen. Drei geeignete Einrichtungen wurden ausgewählt: der erste Wind/Wellen Kanal, an dem Windgeschwindigkeiten mit Hurrikan Stärke möglich sind, an der Universität Kyoto, der große Kanal an der Universität Marseille und der große ringförmige Kanal an der Universität Heidelberg, das Aeolotron. Die experimentellen Bedingungen umfassen Windgeschwindigkeiten (U10) von 0-70 m/s, Wassertemperaturen von 5-40 Grad C, Süß- und Meerwasser, Überlagerung mechanisch und winderzeugter Wellen und Belüfter, um hohe Blasenkonzentrationen zu erreichen. Mehr als ein Dutzend Tracer - mit denen der gesamte Bereich der möglichen Diffusivitäten und Löslichkeit abgedeckt wird - lassen sich gleichzeitig durch Membraneinlass-Massenspektrometrie und UV Spektroskopie messen. Damit werden die vorhandenen konzeptionellen Modelle überprüft und, wenn notwendig, modifiziert oder erweitert, und die relative Bedeutung der einzelnen Mechanismen quantitativ bestimmt.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten

Das Schwerpunktprogramm ist multidisziplinär aufgebaut mit den interdisziplinär verwobenen Schwerpunkten:-- Physik und Chemie von Ozean, Eis und Atmosphäre -- Geowissenschaften -- Biowissenschaften. Die Polarregionen sind von großer Bedeutung für moderne Umweltforschung sowie für die Beurteilung von zukünftigen Klimaänderungen und ihren Folgen. Da die Reaktionen in den Polargebieten schneller erfolgen als in temperierten oder tropischen Zonen, gelten sie als Schlüsselgebiete der Erde. Dies gilt auch für die Lithosphärenforschung sowie für die Erforschung von globalen Klimaereignissen, Ozeanen und der Ökologie. Zudem beeinflussen sie das globale Wettergeschehen und den Wärmehaushalt. Während der letzten 45 Millionen Jahre ist Antarktika durch die Plattentektonik klimatisch und ozeanografisch isoliert worden. Der daraus resultierende Klimaeinfluss schuf den antarktischen Zirkumpolarstrom und die Vereisung beider Pole. Dieser Zirkumpolarstrom bildet das größte Zirkulationssystem der Erde. Er beeinflusst die Bildung von antarktischem Tiefenwasser und ist die Heimat für produktive Meereslebensgemeinschaften, die sich an die Extrembedingungen angepasst haben. Im Weddell- und Rossmeer schieben sich die Schelfeise hunderte Kilometer in das Meer hinaus, wobei die physikalischen und biologischen Prozesse unter ihnen unerforscht sind. Das Wasser unter dem Schelfeis besitzt hohe Dichten und fließt den Hang hinunter, um sich in die Tiefsee zu ergießen, wo es wiederum alle Weltmeere durchströmt. Die natürlichen Schwankungen des Erdklimas sind in marinen Sedimenten und in Eiskernen Grönlands und Antarktikas gespeichert. Überraschende Ergebnisse deutscher Forscher zeigten, dass Klimaumschwünge in Zeitskalen von nur Jahren oder Dekaden erfolgten. Ein anderer Aspekt der Klimaforschung betrachtet die Abnahme des polaren Ozons. Kontinuierliche Messungen belegen, dass die Ozonabnahme einhergeht mit einer Zunahme des schädlichen UV-B. Bedingt durch ihre Geschichte und Lage haben sich gerade an den Polen spezielle Habitate ausgebildet, die besonders empfindlich auf solche Störungen reagieren. Deshalb können Klimaänderungen und ihre Auswirkungen hier eher erkannt werden als in anderen Ökosystemen. Zusätzlich stellt die Antarktis mit ihren Organismen einen wichtigen Anteil der Biodiversität. Polarforschung muss deshalb eine Sonderrolle zukommen bei Themen wie z.B. Kontinententstehung und -zerfall, Klimaarchiv und Sensitivität gegenüber Umweltveränderungen.

Aerosolpartikel in der Outflow-Region des Asiatischen Monsuns: Zusammensetzung und Bildungsprozesse

Der asiatische Monsun spielt eine wichtige Rolle beim Verständnis der chemischen und klimarelevanten Prozesse in der globalen Atmosphäre, nicht zuletzt wegen seines Einflusses auf die Aerosol- und Wolkeneigenschaften in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Bereits seit einigen Jahren wird die sogenannte Asian Tropopause Aerosol Layer (ATAL) mit Fernerkundungsmethoden und Ballon-basierten Messungen untersucht. Es existieren allerdings nur wenige in-situ Beobachtungen innerhalb der ATAL, beziehungsweise in der Ausströmregion (Outflow) des asiatischen Monsuns in Richtung mittlere Breiten, die Informationen über die chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel geben. Es wird davon ausgegangen, dass die Luftmassen im Outflow des asiatischen Monsuns Aerosolpartikel enthalten, die aufgrund von photochemischer Prozessierung und sekundärer Bildung während des Transports veränderte Eigenschaften aufweisen. Diese Prozesse haben einen Einfluss auf die Fähigkeit der Partikel zur Eisnukleation und damit wiederum auf den indirekten Klimaeffekt dieser Partikel. Dieser Antrag zielt daher auf die in-situ Untersuchung der chemischen Zusammensetzung der Aerosolpartikel im submikrometer Bereich ab. Wir schlagen vor, das Hybrid-Aerosolmassenspektrometer ERICA (ERC instrument for the chemical composition of aerosols) im Rahmen der PHILEAS Kampagne auf dem Forschungsflugzeug HALO einzusetzen. Das ERICA kombiniert zwei Typen von Aerosolmassenspektrometrie-Methoden und ermöglicht es somit, zeitgleich Einzelpartikel- und Ensemblemessungen zur chemischen Zusammensetzung durchzuführen. Zusätzlich wird die Messkapazität zum einen durch den Einbau eines Impaktors erweitert, welcher eine spätere offline-Analyse der Partikel mittels Röntgenstrahlung und Elektronenmikroskopie ermöglicht. Zum anderen wird ein neuer Messmodus zur quantitativen chemischen Analyse von Einzelpartikeln in das ERICA integriert. Dieser Datensatz, zusammen mit Spurengasmessungen und der lagrangeschen Modellierung der Luftmassenherkunft, wird somit die Untersuchung von Quellen, Bildungsprozessen sowie der photochemische Entwicklung der Aerosolpartikel während des Transports ermöglichen.

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