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s/time-series analysis/time series analysis/gi

Globale Radiosondendaten für die Klimaforschung

Lange homogene beobachtete Zeitserien von Klimavariablen werden nicht nur an der Erdoberfläche sondern auch in der freien Atmosphäre benötigt, denn Klimaanomalien und Klimaänderungen haben eine dreidimensionale räumliche Struktur. In-situ Beobachtungen der freien Atmosphäre, vor allem Radiosonden- und Ballondaten, sind in der Nordhemisphäre etwa seit den 1930er Jahren verfügbar, und globale Bedeckung ist seit dem internationalen geophysikalischen Jahr (IGY) 1958 gegeben. Um das volle Potential der Daten auszuschöpfen müssen (i) künstliche systematische Fehler und Sprünge aus den Stationszeitreihen entfernt werden und die Daten müssen (ii) mit einem geeigneten dynamischen Datenassimilations-system im Rahmen sogenannter Reanalysen assimiliert werden. Die Entfernung künstlicher Sprünge aus den Beobachtungsreihen nennt man Homogenisierung. Das Fehlern homogener Klimareihen der freien Atmosphäre zurück bis in die 1970er oder sogar 1930er Jahre wurde vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) als großer Unsicherheitsfaktor identifiziert, der unsere Fähigkeit zur Diagnose von Klimaänderungen wesentlich einschränkt. Im Projekt P18120-N10 (Ende im Mai 2009) hat der Antragsteller weltweit führende Homogeni-sierungsmethoden für Radiosondentemperaturen und -winde entwickelt. Die berechneten Korrekturen werden in laufenden Reanalyseprojekten über die Satellitenperiode (1979-) am europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (EZMW) und an der National Aeronautics and Space Administration (NASA) benutzt. Ein neues Projekt mit folgenden Zielen wird nun beantragt: (i) Entwicklung eines vereinheitlichten Homogenisierungssystems, das Temperatur, Feuchte und Winddaten gemeinsam homogenisiert. Es soll homogene Datensätze dieser Parameter zurück bis 1958 liefern. (ii) die Schätzung systematischer Fehler in Radiosondenmessungen während des Datenassimilationsprozesses ('online bias estimation'). (iii) Untersuchung und wenn möglich Homogenisierung des Radiosondendatensatzes von 1938-1958. Ziel (i) geht auf die Tatsache ein, dass seit 1958 zwar ein globaler Radiosondenfeuchte- und Winddatensatz zur Verfügung steht, aber keine Korrekturen, die umfassend genug sind, um für eine Klimadatenassimulation hilfreich zu sein. Homogenisierte Temperaturreihen der Universität Wien und von anderen Quellen existieren, aber enthalten immer noch bedeutende Inkonsistenzen, die entfernt werden müssen, wie neuere Forschungsergebnisse gezeigt haben. Die gemeinsame Betrachtung aller Parameter ist ein neuer Ansatz, der zu verbesserter Brucherkennung führen sollte, weil Brüche in verschiedenen Parametern oft synchron auftreten aber nicht in allen Zeitserien erkennbar sind. Die Homogenisierung der Zeitreihenin späteren Perioden sollte auch durch überarbeitete Brucherkennungsverfahren und neu rekalibrierte Satellitenradianzen deutlich verbessert werden können. usw.

Ökologische Grundlagen des Waldwachstums, Wachstumsmonitoring von Fichte, Kiefer, Aspe und Birke in der mittleren Taiga, Komi, NW-Russland

In einem naturnahen Mischbestand werden an der forstlichen Versuchsstation Lyaly (Republik Komi) die Radialveränderungen der Baumschäfte von Fichten (Picea obovata), Kiefern (Pinus sylvestris), Aspen (Populus tremulus) und Birken (Betula spec.) zeitlich hochaufgelöst registriert. An einem Teilkollektiv der Untersuchungsbäume wird zusätzlich im 5-Minuten Takt die elektrische Leitfähigkeit des Stammes registriert. Gleichzeitig werden die Lufttemperatur, die Luftfeuchte sowie die Bodenfeuchte gemessen. Am Untersuchungsstandort werden mit einem Magnetometer Schwankungen des Erdmagnetfeldes in den drei Raumrichtungen registriert. Aus den Analysen werden Informationen über die Bedeutung verschiedener Standorts- und Umweltfaktoren auf das kurz-, mittel- und langfristige Wuchsverhalten von Bäumen erwartet.

Mechanisierte Pflanzverfahren mit alternativen Bodenrestaurationstechniken in der Eifel und im Soonwald

Die Bodenbearbeitung im Wald - auch zur Kulturvorbereitung - ist heftig umstritten. Daher werden die boden- und pflanzenkundlichen Auswirkungen der nachfolgend genannten Verfahren untersucht: - Lochpflanzung mit Erdbohrer (mit und ohne Pflanzlochkalkung); - modifiziertes ENTENPFUHLER Baggerpflanzverfahren (Bearbeitung im winternassen Zustand); - PEIN-PLANT-Rotavator (Bearbeitung des sommertrockenen Bodens, eine Wintervariante war technisch nicht moeglich); - KROHN'sche Fraese (mehrere Bearbeitungsgaenge des abgetrockneten Bodens) - nur im Forstamt Salmtal. Erste Ergebnisse lassen folgende Einschaetzungen zu: Aus bodenphysikalischer Sicht verschlechtert die Baggerpflanzmethode die Bodenverhaeltnisse durch Verdichtungserscheinungen im Bearbeitungs- und in den Randbereichen. Sowohl die KROHN-Fraese als auch der PEIN-PLANT-Rotavator lockern das Bodenmaterial deutlich auf und erzeugen eine stark poroese Bodenstruktur mit niedriger Lagerungsdichte. Die bodenmechanischen Parameter weisen fuer saemtliche Bearbeitungseingriffe teilweise erhebliche Stabilitaetsverluste des Bodens nach. Anhand der Untersuchung einer falschen Zeitreihe konnte aufgezeigt werden, dass der Meliorationserfolg bei der KROHN'schen-Fraese nicht laenger als sechs Jahre anhaelt. Danach verschlechtert sich die Naehrstoff und Bioverfuegbarkeit der organischen Substanz. Nach dem 6. Jahr laesst die verschlechterte Ernaehrungsituation erwarten, dass auch die Leistungsfaehigkeit der jungen Pflanzen zeitverzoegert abnehmen wird. Durch die Bodenbearbeitung wird die Lagerungsdichte kurzfristig verringert und das Grobporenvolumen erhoeht, gleichzeitig wird aber die fuer ungestoerte Waldboeden typische Bodenstruktur mit einem vernetzten Grobporensystem zerstoert (Verlust der Porenkontinuitaet) mit negativen Folgen fuer Milben, Collembolen und Enchytraeiden). In den bearbeiteten Varianten dominieren die euedaphischen und hemiedaphischen Lebensformen, wobei die epedaphischen Lebensformen in den Tiergruppen der Milben und Collembolen kaum vertreten sind, was wiederum auf den Verlust der Auflage und die Einmischung des organischen Materials zurueckzufuehren ist.

Klimaarchiv Fjorde: Bindeglied zwischen terrestrischen und marinen Sedimentationsräumen

Untersuchungen an Eiskernen auf Grönland zeigen Temperaturschwankungen in Polargebieten von 5 bis 10 Grad C innerhalb weniger Dekaden in den letzten 15000 Jahren. Derartige Schwankungen könnten zukünftig, trotz steigender CO2-Emissionsraten, zu extremen Abkühlungen des Erdklimas führen. Sedimentationsraten von bis zu 20 cm/100 Jahre in den Fjorden, die sowohl marine als auch terrestrische Signale in den Sedimenten archivieren, dokumentieren Ursachen und Konsequenzen dieser rapiden Klima- wechsel. Unter besonderer Berücksichtigung des organischen Kohlenstoffflusses sollen hochauflösende Zeitreihen mit folgenden Zielen erstellt werden: - Charakterisierung und Quantifizierung vertikaler(autochthoner) und lateraler (alochthoner) organischer Stoffflüsse in Fjorden und ihre Erhaltung im Sediment. - Klimagesteuerter Eintrag von organischer Substanz in Fjorde hoher Breiten; hochauflösende Rekonstruktion spätglazialer und holozäner Klimazyklen. - Computersimulation verschiedener Ablagerungsszenarien kohlenstoffreicher Sedimente in Fjorden sowie laterale und vertikale Organo-Faziesveränderungen.

Forschungsgruppe FOR 2793: Sensitivity of High Alpine Geosystems to Climate Change Since 1850 (SEHAG), Auswirkungen des Klimawandels auf hydrologische Prozesse in hochalpinen Einzugsgebieten

Die Häufigkeit und das Ausmaß extremer hydrologischer Ereignisse werden höchstwahrscheinlich durch den Klimawandel verstärkt. Hochalpine Einzugsgebiete sind besonders sensible Räume, da diese Regionen der Hydrosphäre stark durch Veränderungen im Temperatur- und Niederschlagsregime beeinflusst werden. Die starke Kopplung zwischen der Hydrologie und weiteren Komponenten der Geosystem in hoch gelegenen Einzugsgebieten erfordert eine detaillierte Beschreibung der ablaufenden hydrologischen Prozesse. Dieser Umstand rechtfertigt die Einrichtung dieses Teilprojekts der im Rahmen des SEHAG Projektes (Sensitivity of high Alpine geosystems to climate change since 1850) beantragten Forschergruppe. Die Innovation der vorgeschlagenen Forschungsrichtung liegt in der Untersuchung der Veränderungen in der Hydrosphäre zwischen 1850 und 2050 und wie diese mit den übrigen Komponenten der Geosystem in hochalpinen Lagen interagieren. Insbesondere werden wir gründliche Zeitreihenanalysen zur Untersuchung der Korrelation zwischen Klimawandel und den Jährlichkeiten extremer hydrologischer Ereignisse (z.B.: zeitliche Verteilung von Niederschlagsereignissen innerhalb eines Jahres und Einsetzen der Schnee- und Gletscherschmelze) durchführen. Daneben wollen wir verifizieren ob es möglich ist die Qualität der hydrologischen Modelle für hochalpine Einzugsgebiete durch 'multi-objective' Kalibrierungsansätze zu verbessern. Archive spielen dabei eine wichtige Rolle als Datenquelle zur Rekonstruktion der meteorologischen Bedingungen der Vergangenheit. Außerdem ermöglicht die Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten die Kalibrierung des hydrologischen Modells, sowohl gegen den Abfluss, als auch gegen Permafrost- sowie Schnee- und Gletschermessungen. Darüber hinaus werden uns die geplanten experimentellen Messungen erlauben die 'multi-objective' Kalibrierung auf weitere Parameter, wie die elektrische Leitfähigkeit des Abflusses oder die Wassertemperatur der Wildbäche auszuweiten. Das resultierende, kalibrierte Modellergebnis, für das eine intensive Unsicherheitsanalyse durchgeführt werden wird, wird dann von den weitern Teilprojekten genutzt, um die Veränderungen in der Geosystem zu interpretieren.

Stratosphaerische Ozonzerstoerung ueber der Schweiz

Es wird die Abnahme des Ozonschildes ueber der Schweiz anhand der langjaehrigen schweiz. Ozonmessreihen von Arosa und Payerne untersucht. Dabei werden zur Trendanalyse Methoden der multiplen Regression eingesetzt. Durch Vergleich mit Potentral-Vortieity (PV)-Rechnungen und anderen meteorologischen Groessen soll abgeklaert werden, inwieweit die starken abnehmenden Trends im Ozon der unteren Stratosphaere durch Stoerungen in der Chemie der Arktis oder durch Ozonstoerungen an Hintergrundsaerosolen erklaert werden koennen.

Hydrogeologische Räume als Hintergrundkarte der Zeitreihenanalysen zur Abweichung der Grundwasserneubildung im Grundwasserkörper von 1961 bis 2020 (mGROWA22)

Der Datensatz beinhaltet die Hydrogeologische Räume als Hintergrundkarte der Zeitreihenanalysen zur Abweichung der Grundwasserneubildung im Grundwasserkörper von 1961 bis 2020 (mGROWA22). Die Zeitreihenanalysen beinhalten die Änderung der jährlichen Grundwasserneubildung von 1961 bis 2020 jeweils im Vergleich zur Referenzperiode 1961 bis 1990 eines Grundwasserkörpers ausschließlich auf niedersächsischem Gebiet. Die Grafiken zeigen Jahre mit überdurchschnittlicher (lila Balken), unterdurchschnittlicher (brauner Balken) Grundwasserneubildung und den linearen Trend. Hintergrundinformationen zum Wasserhaushaltsmodell mGROWA finden Sie im Geobericht 36 und zu den hydrogeologischen Räumen im Geobericht 3 des LBEG.

Zeitreihenanalysen zur Abweichung der Grundwasserneubildung im Grundwasserkörper von 1961 bis 2020 (mGROWA22)

Der Datensatz beinhaltet die Änderung der jährlichen Grundwasserneubildung von 1961 bis 2020 jeweils im Vergleich zur Referenzperiode 1961 bis 1990 eines Grundwasserkörpers ausschließlich auf niedersächsischem Gebiet. Die Grafiken zeigen Jahre mit überdurchschnittlicher (lila Balken), unterdurchschnittlicher (brauner Balken) Grundwasserneubildung und den linearen Trend.

Korrektur des Temperaturtrends meteorologischer Landstationen nach bereits erfolgter Homogenisierung

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.

Wie wirken sich natürliche Variabilität und anthropogen bedingte Änderungen auf die stratosphärische Brewer-Dobson Zirkulation und den Ozonfluss in die Troposphäre aus?

Die Brewer-Dobson Zirkulation (BDC) spielt eine Schlüsselrolle für das globale Klima, da sie die Konzentrationen von Ozon, Wasserdampf und Aerosol in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) beeinflusst. Diese Spurengase wiederum wirken sich über Strahlungsprozesse auf das Klima aus. Insbesondere bewirken Änderungen in der BDC Änderungen im Ozonfluss aus der Stratosphäre in die Troposphäre und haben darüber einen Einfluss auf Klima und Gesundheit. Das Verständnis der Variabilität der BDC auf saisonalen bis dekadischen Zeitskalen ist Voraussetzung für eine verläßliche Detektion von anthropogen bedingten Langzeit-Änderungen (Trends). Allerdings ist die Variabilität der BDC in den Klimamodellen nur unzureichend repräsentiert, und nicht in Übereinstimmung mit Spurengas-Messungen.Der Projektantrag zielt auf eine Abschätzung der Einflüsse von natürlicher Variabilität und Trends der BDC auf die Spurengaskonzentrationen in der UTLS ab. Insbesondere sollen diejenigen dynamischen Mechanismen untersucht werden, die die Unterschiede zwischen Modellen und Beobachtungen bewirken. Das Projekt verbindet etablierte diagnostische Methoden, neuartige Modell-Simulationen mit einem Lagrangeschen Transportmodell (CLaMS) und mit einem gekoppelten Chemie-Klimamodell (EMAC) mit Beobachtungsdaten, um die BDC Änderungen und dadurch bedingte Klimaeinflüsse zu untersuchen. Der Arbeitsplan gliedert sich in drei Arbeitpakete: (1) Untersuchung von natürlicher Variabilität und anthropogen bedingter Trends der BDC, (2) Untersuchung der involvierten dynamischen Mechanismen, (3) Abschätzung der Einflüsse von BDC Änderungen auf den Ozonfluß aus der Stratosphäre in die Troposphäre.Dazu werden erstens Zeitreihen von Luftalter und Ozon aus Beobachtungen auf Variabilitäten und Trends der BDC untersucht und mit Simulationen des CLaMS und des EMAC Modells verglichen, zur Validierung der Modelle. Mithilfe von Regressions-Methodiken werden dann Variabilitäten und Trends in der BDC und in den UTLS Spurengasverteilungen verschiedenen Variabilitäts-Moden im Klimasystem zugeschrieben. Zweitens, werden die involvierten dynamischen Prozesse anhand von drei Arten von Sensitivitäts-Experimenten mit dem EMAC Modell untersucht. Insbesondere können mit diesen vorgeschlagenen Sensitivitäts-Experimenten die dynamischen Mechanismen der BDC Änderungen durch ENSO und Vulkanaerosol aufgedeckt werden, sowie die Gründe für diesbezügliche Differenzen zwischen Modell und Beobachtung. Schließlich sollen der Effekt von BDC Änderungen auf den Ozonfluß in die Troposphäre und die dadurch bedingten Klimaeffekte angeschätzt werden. Dabei wird der Ozonfluß im Modell anhand eines Budget-Ansatzes für die untere Stratosphäre bestimmt. Regressions-Analyse ermöglicht eine Zuschreibung der Variabilität im Ozonfluß zu den verschiedenen Variabilitäts-Moden im Klimasystem, und somit eine Abschätzung der entsprechenden Effekte auf Klima und Luftqualität.

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