Objective weather types of Deutscher Wetterdienst derived from different Reanalysis and Global Climate Model simulations for the control run (1951-2000) and the projection period (2000-2100). On the one hand, the dataset is useful for evaluation of representative circulation statistics in Central Europe, on the other hand, for the analysis of future weather types due to climate change. Added temperature and precipitation data allow to study the weather type effectiveness for these important climate parameters.
Das Projekt "Beyond EPICA - Oldest Ice (BE-OI)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung durchgeführt. To better constrain the response of Earth's climate system to continuing emissions, it is essential to turn to the past. A key advance would be to understand the transition in Earth's climate response to changes in orbital forcing during the 'mid-Pleistocene transition' (900 to 1200 thousand years ago) and in particular the role of greenhouse gases. Unravelling such key linkages between the carbon cycle, ice sheets, atmosphere and ocean behaviour is vital for society to better design effective mitigation and adaptation strategies. Only ice cores contain the unique and quantitative information about past climate forcing and atmospheric responses. But the ice providing essential evidence about past mechanisms of climate change more than 1 Ma ago required for our understanding of these changes (termed the 'Oldest Ice' core), has not been found to date. The consortium BEYOND EPICA - OLDEST ICE (BE-OI), formed by 14 European institutions, takes on this challenge to prepare the ground for obtaining 1.5 million year old ice from East Antarctica. BE-OI has the objectives to: - Support the site selection through creation and synthesis of all necessary information on Antarctic sites through specific geophysical surveys and the use of fast drilling tools to qualify sites and validate the age of their ice; - Select and evaluate the optimum drill site for the future 'Oldest Ice' core project and establish a science and management plan for a future drilling; - Coordinate the technical and scientific planning to ensure the availability of the technical means to implement suitable drill systems and analytical methodologies for a future ice-core drilling, and of well-trained personnel to operate them successfully; - Establish the budget and the financial background for a future deep-drilling campaign; - Embed the scientific aims of an 'Oldest Ice' core project within the wider paleoclimate data and modelling communities through international and cross-disciplinary cooperation.
Das Projekt "ASPEN: Luft-Meer-Wellen-Prozesse in Klimawandel-Modellen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von GKSS-Forschungszentrum Geesthacht, Institut für Gewässerphysik durchgeführt. The main objectives of this proposal are to: 1) Complete development of and test wind-wave coupling models based on rapid distortion theory (see Section 2.2.1). Specifically, effects of wave three-dimensionality, waves travelling faster than the wind, and waves travelling against the wind, will be examined. 2) Complete development of and test turbulence-centered parameterizations for the scalar fluxes at the air-sea interface (see Section 2.2.2). In particular, efforts will be directed to relating the fluxes to the high wave-number tail of the wave spectrum. 3) Validate the models developed, particularly with regard to wind-wave coupling, using North Sea WAVEC buoy data and ERS altimeter and SAR data. To this end, a 2D adjoint WAM model for the North Sea region will be used. 4) Assess proposed models for the gas exchange coefficients against field experiments. 5) Implement the new coupling models in ECAWOM (coupled atmosphere wave ocean model). 6) Perform a number of numerical experiments with ECAWOM using the improved models, and compare the results with models that do not incorporate wave dependent models. 7) Assess physical mechanisms that lead to impact of wave-related processes on atmospheric circulations, such as cyclonic storms. Prime Contractor: Consorzio Pisa Ricerche, Centro per le Tecnologie Energetiche ed Ambientali; Pisa/Italy.
Das Projekt "Teilprojekt 1: Kopplung des Eisschild-Modells PISM mit dem Klimamodell ECHAM/MPIOM" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. Das Erdsystemmodell MPI-ESM soll mit dem Eisschildmodell PISM gekoppelt werden, um Übergänge zwischen dem Glazial und dem Interglazial simulieren zu können. Dazu soll das existierende Modellsystem auf die jeweils aktuellen Modellversionen upgedated und auf die Südhemisphäre ausgedehnt werden. Das Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung eines funktionsfähigen gekoppelten Atmosphäre-Ozean-Eisschild Modellsystems, das es erlaubt, realistische Übergänge zwischen Glazial und Interglazial (und vice versa) zu simulieren. Dieses System muss zum einen erstellt werden, zum anderen muss es ausgiebig getestet werden. 1. Aufsetzen der aktuellen Eisschildmodells PISM für die Nordhemisphäre (existiert in einer älteren Modellversion) und die Südhemisphäre (Task WP 1.1.1) 2. Implementieren von verschiedenen Modulen zur Berechnung der Oberflächenmassenbilanz aus atmosphärischen Antriebsdaten (Task WP 1.1.2) und Einbau in die aktuelle MPI-ESM Modellversion. Dabei kann von einem existierenden Modellsystem mit älteren Modellversionen ausgegangen werden. 3. Tests mit dem Einfluss von Staub auf das Albedo (Task WP 1.1.5). Dieses ist in dem existierenden Energiebilanzmodul für die Oberflächenmassenbilanzberechnung vorgesehen. 4. Analyse von Bifurkationen im glazialen Klimasystem (Task WP 1.1.7). 5. Quantifizierung des Effekts von Topographieänderungen durch die Physik der festen Erde (Task WP 1.1.8). 6. Einbau eines Eisbergmoduls (Task WP 1.1.9). 7. Erstellen und Testen des gekoppelten Modells mit den Modelländerungen aus WP 4.2, die zeitabhängige Landseemaske erlauben (Task WP 1.1.10). 8. Analyse der transienten gekoppelten Simulation aus WP1.3 (Task WP 1.1.11)Ein Vergleich mit den entsprechenden Untersuchungsergebnissen in den Teilprojekten PalMod-1-1-TP2 und PalMod-1-1-TP3 wird dazu dienen, die Robustheit der Resultate einzuordnen.
Das Projekt "Water and global Change (WATCH)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung e.V. durchgeführt. Der globale Wasserkreislauf ist ein integraler Teil des Erdsystems. Er spielt eine zentrale Rolle in der globalen atmosphärischen Zirkulation, kontrolliert den globalen Energiekreislauf (mittels der latenten Wärme) und hat einen starken Einfluss auf die Kreisläufe von Kohlenstoff, Nährstoffen und Sedimenten. Global gesehen ist das Angebot an Frischwasser bei weitem größer als die menschlichen Bedürfnisse. Allerdings ist davon auszugehen, dass gegen Ende des 21. Jahrhunderts diese Bedürfnisse die gleiche Größenordnung erreichen werden wie das gesamte verfügbare Wasser. Für diverse Regionen jedoch übersteigt der Wasserbedarf (u.a. für die Landwirtschaft sowie die Nutzung in der Industrie und in den Haushalten) schon heute das regionale Angebot. Ansteigende CO2-Konzentrationen und Temperaturen führen zu einer Intensivierung des globalen Wasserkreislaufs und somit zu einem generellen Anstieg von Niederschlag, Abfluss und Verdunstung. Obwohl die Vorhersagen von zukünftigen Niederschlagsänderungen relativ unsicher sind, gibt es deutliche Hinweise, dass einige Regionen, wie z.B. der Mittelmeerraum, mit einer Abnahme des Niederschlags zu rechnen haben, während in einigen äquatornahen Regionen, wie z.B. Indien und der Sahelzone, der Niederschlag zunehmen wird. Hinzu kommt, dass sich auch jahreszeitliche Verläufe ändern könnten, die neue und manchmal auch unerwartete Probleme und Schäden verursachen können. Eine Intensivierung des Wasserkreislaufs bedeutet wahrscheinlich auch einen Anstieg in dessen Extremen, d.h. vor allem Überschwemmungen und Dürren. Es gibt Vermutungen, dass sich auch die interannuale Variabilität erhöhen wird und zwar einhergehend mit einer Intensivierung der El Nino und NAO-Zyklen, was zu mehr Dürren und großskaligen Hochwassersituationen führen würde. Diese Zyklen sind globale Phänomene, die diverse Regionen gleichzeitig beeinflussen, wenngleich dies oft auf verschiedene Art und Weise passiert.
Das Projekt "Teilvorhaben 1 (DLR), Modul E" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. - Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum durchgeführt. a) Vorhabensziel Der Klimawandel ist unter anderem mit Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation verbunden. Daher ist es von großem Interesse, dass die Wiedergabe der atmosphärischen Zirkulation in Klimamodellen so gut wie möglich ist. Sie ist entscheidend für die Modellergebnisse, gerade wenn es um mittelfristige Klimaprojektionen geht. VADY liefert einen Beitrag zur Validierung der atmosphärischen Dynamik des MiKlip-Modells. Der Fokus liegt auf - atmosphärischer Wellenaktivität (planetare und Schwerewellen) in verschiedenen atmosphärischen Schichten sowie auf - Zirkulationstypen, dynamischen Moden, Telekonnektionsmustern und Zirkulations-Klima-Mustern als wesentliche Aspekte der atmosphärischen Dynamik. Mit der Entwicklung neuartiger und leistungsfähiger Algorithmen und Verfahren adressiert VADY einen in der Ausschreibung explizit angesprochenen Beitrag. b) Arbeitsplanung VADY ist ein Projekt des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Universität Augsburg. Das DLR beschäftigt sich innerhalb des Projektes mit der prozessorientierten Validierung atmosphärischer Dynamik basierend auf einigen wenigen aber wirkungsvollen Variablen (LDAI, SDAI); die Universität Augsburg arbeitet an der Überprüfung von Zirkulationsmustern, dynamischen Moden, Telekonnektivität und den Verknüpfungen zwischen Zirkulation und Klima.
Das Projekt "Cloud-scale Uncertainties - B4: Radiative heating and cooling at cloud scale and its impact on dynamics" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maxililians-Universität München, Meteorologisches Institut, Lehrstuhl für Experimentelle Meteorologie durchgeführt. Clouds are important sources and sinks of diabatic heat, not only in terms of latent heat release but also with respect to absorption of solar radiation as well as absorption and emission of thermal radiation. Additionally, cloud shadows on the ground modify surface heating and thus sensible and latent heat fluxes. Although it has been demonstrated that cloud top cooling may reach values of several 100 K/day and that this may have a strong impact on cloud microphysics and local cloud evolution, it has not been demonstrated that there is actually an effect on weather, larger scale dynamics, and on atmospheric flow. This is even more true for radiative cooling from cloud sides which has been shown to reach values comparable to cloud top cooling but is completely neglected by any (one-dimensional) radiation scheme in current NWP or climate models. Radiation firstly affects the growth of cloud droplets, increasing (in case of thermal cooling) or decreasing (in case of solar heating) the rate by which they dissipate the energy released by latent heat. Secondly, the surrounding air is cooled or heated which directly feeds back on dynamics. The aim of the project is to study the question if realistic, three-dimensional radiative heating rates have an impact on cloud formation, and if there is an impact on atmospheric flow beyond cloud scale. To answer these questions, a reasonably fast but accurate representation of radiative heating rates in clouds will be developed for a cloud scale (EULAG) and an NWP model (COSMO). The project builds upon our previous work on three-dimensional heating and cooling rates and on development of reasonably fast approximations. A parameterization of heating rates depends strongly on the scale. For a cloud-resolving model like EULAG with a 100 m grid size and smaller, different approaches are needed compared to a numerical weather forecast model like COSMO: A cloud-resolving model allows properly resolving the radiation processes, but three-dimensional radiation transport requires interaction between many grid columns in the calculation which is a challenge for parallelization. The resolution of COSMO, on the other hand, requires parameterization of un-resolved cloud edge effects and sub-pixel cloudiness, but would need less interaction between individual grid columns. As a first step, we will study the impact of radiative heating and cooling in clouds on local circulation at cloud scale. For that purpose, an accurate yet fast approximation for 3D solar and thermal heating and cooling rates will be developed for the EULAG model in order to systematically study effects for a set of cloud-resolving simulations. (abridged text)
Das Projekt "Cloud-scale Uncertainties - B7: Identification of robust cloud patterns via inverse methods" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. Cloud patterns and structures in clouds depend crucially on the atmospheric flow field as well as thermodynamic conditions at cloud formation. However, it is not clear how robust these structures are in terms of variations in environmental conditions (e.g., humidity, temperature, etc.) as well as parameters in cloud parameterizations. Since cloud patterns on the order of few tens of kilometers can in turn influence the atmospheric flow via organized latent heat release or radiation feedbacks, the robustness of cloud structures is an important feature. In this project we will investigate variations in cloud variables and cloud structures due to different sources of uncertainties. First, variations in cloud variables are driven by parameters in cloud parameterizations (i.e. in the representation of cloud processes in the cloud models). Second, variations in environmental conditions might lead to different pathways of cloud formation and evolution. In order to determine the variations due to different sources of uncertainties, we will apply inverse methods. We will setup a simple but realistic analytical cloud model, consisting of a set of ordinary differential equations, which will subsequently be coupled to hyperbolic conservation laws associated to sedimentation processes. This model will be coupled to simple dynamics in the sense of kinematic frameworks. We will use a Bayesian approach to obtain confidence intervals for the unknown model parameters, in combination with sparsity enhancing priors. This analysis will also point out potentials for further reduction of the model complexity. In order to assess the variations of initial cloud conditions, we will use two different but complementary methods. As first method, we will use the analytical cloud model coupled to simple dynamics for time-reversal calculations, integrating the model backward in time and evaluating its variation due to perturbed 'initial' conditions. The method will lead to a full spread in variations, but might break down at bifurcations in the system. Complementary to the first approach, we will develop an adjoint model for the analytical cloud model, to be employed for an iterative solution of the inverse problem. This sophisticated approach will provide possible initial cloud configurations under the assumption of convergence, but will not address possible pathways and not detect different initial states that give similar 'observations at weather stations'. Finally, we will collect results from the different but complementary methods in order to determine in a synthesis the variability of cloud variables and cloud patterns due to variations in model parameter as well as cloud environmental conditions.
Das Projekt "Entwicklung von Ansätzen zur Regelung der Anwendung und Erforschung von Geo-Engineering" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ecologic Institut gemeinnützige GmbH durchgeführt. Der Begriff Geo-Engineering beschreibt die bewusste Manipulation der Umwelt der Erde in großem Maßstab. In Bezug auf die Bekämpfung der Erderwärmung haben Geo-Engineering-Maßnahmen zum Ziel, den anthropogenen Klimawandel zu bekämpfen. Die Ideen sind zahlreich und vielfältig. Im Wesentlichen können bei den Maßnahmen des GE grundsätzlich zwei Kategorien unterschieden werden: Durch die Manipulation des Strahlungshaushalts (engl.: Solar Radiation Management, SRM) soll die Nettoeinstrahlung kurzwelliger Sonnenstrahlen verringert und so die Erde gekühlt werden. Diese Maßnahmen ändern also nichts an den Ursachen der Erderwärmung. Der zweite Mechanismus umfasst Ideen, Kohlendioxid durch dauerhafte Speicherung dem atmosphärischen Kreislauf zu entziehen (engl.: Carbon Dioxide Removal, CDR). Dadurch soll die Konzentration des Treibhausgases CO2 in der Atmosphäre verringert werden. Alle Geo-Engineering- Maßnahmen haben gemeinsam, dass sie nicht die Ursachen des anthropogenen Treibhauseffektes bekämpfen, sondern lediglich einen End-of-Pipe Ansatz darstellen. Geo-Engineering wird immer salonfähiger, in einigen Staaten wird es ernsthaft als Politikoption diskutiert. Das Völkerrecht hält so gut wie keine Vorgaben bereit, die die mit Geo-Engineering einhergehenden Fragen speziell adressieren. In der deutschen Völkerrechtslehre wird das Thema bislang nicht diskutiert. Auch international ist dazu noch wenig veröffentlicht worden. Das Vorhaben sollden internationalen, europäischen und nationalen Rechtsrahmen für Geo-Engineering analysieren. Hierauf aufbauend soll es Ansätze zur Regulierung von Geo-Engineering auf den drei Ebenen entwickeln. Da Geo-Engineering entwicklungstechnisch am Anfang steht und noch viel Forschung betrieben werden muss, sollen auch rechtliche Fragen zur Rahmensetzung für diese Forschung untersucht werden.
Das Projekt "Turbulence-driven pressure-pumping - from above the canopy into the soil" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Freiburg, Institut für Geo- und Umweltnaturwissenschaften, Professur für Bodenökologie durchgeführt. Gasaustausch findet in der Atmosphäre primär durch turbulenten und laminaren Fluss statt. Im Boden dagegen spielt advektiver Transport eine untergeordnete Rolle; Diffusion ist hier der dominierende Prozess. Trotz der Unterschiedlichkeit und scheinbaren Unabhängigkeit dieser Prozesse wurden Anstiege der Gastransportraten im Boden um mehrere 10 % während Phasen starken Windes bei Feldstudien beobachtet (Maier et al., 2010). Dieser Effekt ist auf wind-induzierte Druckfluktuationen zurückzuführen, die sich in das luftgefüllte Porensystem des Bodens fortpflanzen, und zu minimal oszillierendem Luftmassenfluss führen (Maier et al., 2012). Durch den oszillierenden Charakter des Luftmassenfluss ist der direkte Beitrag zum Gastransport sehr gering. Die damit einhergehende Dispersion jedoch führt zu einem Anstieg der effektiven Transportrate entgegen des Konzentrationsgradienten. Der 'Pressure-Pumping' (PP) -Effekt kann bei Nichtberücksichtigung zu Unsicherheiten und Fehlern bei der Bestimmung von Gasflüssen mit der Gradientenmethode und Kammermethoden führen. Für langfristiges Monitoring von treibhausrelevanten Gasflüssen stellt diese Unsicherheit ein Problem dar, da auch Perioden mit starkem Wind erfasst werden müssen. Wir stellen die Hypothese auf, dass der PP-Effekt in gut-belüfteten Böden stärker ausgeprägt ist. Wir wollen diese Hypothese in Feldstudien an 4 verschiedenen Standorten (2 x Wald, Weide, Maisfeld) und Wiederholung bei unterschiedlicher Bodenfeuchte überprüfen. Dazu werden wir ein Tracergas kontinuierlich in den Boden einspeisen, um so die effektive Transportrate bestimmen zu können. Der PP-Effekt soll zudem an Bodenproben im Labor unter standardisierten Bedingungen untersucht. Ein weiteres Ziel ist es, die Rolle der Struktur des Pflanzenbestandes für die räumliche Variabilität der Druckfluktuationen zu untersuchen. Dazu werden wir die Windbewegung in und über dem Pflanzenbestand, sowie die hochfrequente Druckfluktuation an der Bodenoberfläche und im Boden erfassen. Dies wird es ermöglichen, die Luftbewegung, die Druckfluktuationen und deren Fortpflanzung in den Boden zu detektieren. So kann die beobachtete 'Beschleunigung' der Transportrate direkt mit den Druckfluktuationen in Beziehung zu gesetzt werden. Die natürlichen Druckfluktuationen werden bei Kammermessungen durch die Kammer zum Teil ausgeschlossen oder geschwächt. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass der Ausschluss der Druckfluktuationen zu einer Unterschätzung des ungestörten Oberflächeneffluxes durch Kammermessungen führt. Wir haben das Ziel, Korrekturfaktoren für Kammermessung entwickeln, um so den methodischen Messfehler zu kompensieren Ein besseres Prozessverständnis für diesen nur unzureichend untersuchten Effekt würde helfen, die Verlässlichkeit und Präzision von Messungen von Bodengasflüssen zu steigern, die die Grundlage für weitergehende Forschung darstellen.