Das Projekt "Upscale Error Growth - A3: Model error and uncertainty for midlatitude cyclones analyzed using campaign data" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maximilians-Universität München, Institut für Meteorologie, Lehrstuhl für Theoretische Meteorologie durchgeführt. In this project, data from a transatlantic measurement campaign will be used to investigate how processes such as the release of latent heat in clouds modify the atmospheric wave pattern. This upscale effect is crucial for the predictability of weather, but difficult to characterize because of the huge range of scales involved. The use of data from a field campaign especially designed to observe these processes, with multiple aircraft and state of the art remote sensing instruments, will provide an unprecedented window into the dynamics of upscale growth, and provide an essential ground truth for related projects in W2W that make use of routine observations and numerical models. In particular, the three-dimensional structure of synoptic-scale waves over the North Atlantic and the influence of triggering features related to diabatic processes are investigated based on a comprehensive and unprecedented data set that will be observed during NAWDEX (North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment) in 2016. In the midlatitudes, forecast skill of high impact weather is often linked to the correct representation of the waveguide, i.e., the strong potential vorticity (PV) gradient on isentropic surfaces collocated with the jet stream. It is expected that diabatic processes related to different dynamic systems, such as warm conveyor belts (WCBs) associated with extratropical cyclones or tropical systems transitioning in the extratropics, interact with the waveguide. Inadequately reproduced diabatic processes can cause systematic errors in the waveguide. The internationally coordinated field experiment NAWDEX aims at investigating triggering mechanisms of the midlatitude waveguide, the evolution of Rossby waves along the waveguide and the downstream impact of diabatically modified PV anomalies. This project will identify systematic errors in the representation of the waveguide in NWP models and their relation to diabatic processes. Based on a multitude of remote sensing and in-situ observations the three-dimensional structure of the waveguide and the interaction with diabatic systems will be characterized. Errors of the waveguide will be manifested as errors in the PV distribution. The first-time deployment of a wind lidar and a microwave temperature profiler onboard an aircraft allows to develop a new method to derive PV from collocated wind and temperature observations. By comparing the observations and analysis fields, initial condition errors in relation to diabatic processes will be evaluated. In collaboration with Project A7 the predictability of the NAWDEX cases and their relation to diabatic processes will be studied.
Das Projekt "NAWDEX - North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ludwig-Maximilians-Universität München, Meteorologisches Institut durchgeführt. Die Messkampagne North Atlantic Waveguide and Downstream Impact Experiment (NAWDEX) beabsichtigt, eine Grundlage für zukünftige Verbesserungen in der Vorhersage von Wetterereignissen mit hohem Schadenspotential (High Impact Weather) über Europe zu liefern. Das Konzept der Messkampagne hat ihren Ursprung im WMO Programm THORPEX und leistet einen Beitrag zum World Weather Research Program (WWRP) und dem WWRP Projekt High Impact Weather (HIWeather). Ein internationales Konsortium aus den Vereinigten Staaten, England, Frankreich, Schweiz und Deutschland hat die Förderung einer Kampagne mit mehreren Flugzeugen, die über dem Nordatlantik und Europa operieren sollen, sowie zusätzlicher bodengebundener Beobachtungen beantragt. Die Bedeutung genauer Wetterprognosen wird durch das zunehmende Schadenspotential und den ansteigenden wirtschaftlichen Einfluss von Wetterereignissen (z.B. für erneuerbare Energie) immer höher für die Gesellschaft. Dabei hat die numerische Wettervorhersage durch die weit verbreitete Verwendung von Ensemblevorhersagen, die versuchen, Vorhersageunsicherheiten zu repräsentieren, in den letzten Jahren eine Revolution erlebt. Eine neue wissenschaftliche Herausforderung besteht in der Tatsache, dass Fehlerwachstum und Unsicherheiten in Regionen, die von Freisetzung latenter Wärme und anderen diabatischen Prozessen beeinflusst werden, am größten sind. Diese Regionen sind charakterisiert durch kleinskalige Strukturen, die in operationellen Beobachtungssystemen unzureichend repräsentiert sind, aber mit Hilfe moderner und genauer flugzeuggetragener Fernerkundungsinstrumente erreichbar sind. HALO spielt durch die Möglichkeit weite Strecken fliegen zu können und hochentwickelte Instrumente einzusetzen, eine zentrale Rolle für NAWDEX. Mit koordinierten Flügen über mehrere Tage wird es möglich sein, den Zustrom feuchter, subtropischer Luftmassen in Tiefdruckgebiete, den Aufstieg und das Ausströmen von aufsteigenden Luftmassen in Warm Conveyor Belts, und die dynamischen und thermodynamischen Eigenschaften stromabwärts zu vermessen. NAWDEX wird eine etablierte Instrumentierung verwenden, die unter anderem ein Wasserdampflidar, ein Wolkenradar, sowie Dropsonden kombiniert. Dies erlaubt Messungen mit einer nie dagewesen Genauigkeit. Für synergistische Messungen der relevanten dynamischen Prozesse wird der Einsatz von HALO durch Messungen mit Windlidarsystemen an Bord des DLR Forschungsflugzeugs Falcon unterstützt. Die NAWDEX Messungen erlauben eine erstmalige Evaluierung der Qualität operationeller Beobachtungs- und Analysesysteme in den Regionen, die entscheidend für das Wachstum von Fehlern sind. Der Einsatz von HALO erlaubt es, die physikalischen Prozesse zu untersuchen, die für ein rasches Fehlerwachstum in Wettersystemen der mittleren Breiten verantwortlich sind. Dies ist Grundlage für eine bessere Repräsentierung von Unsicherheit in numerischen Wettervorhersagemodellen und damit für bessere Vorhersagen.
Das Projekt "Verzögerte Antwort der Ionosphäre auf Variationen des solaren EUV (DRIVAR)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR), Institut für Kommunikation und Navigation durchgeführt. Das ionosphärische Plasma reagiert auf Änderungen der ionosphärischen EUV und UV-Strahlung auf der Zeitskala der solaren Rotation mit einer Verzögerung von 1-2 Tagen. Es wird angenommen, dass diese Verzögerung auf Transportprozesse von der unteren Ionosphäre in die F-Region zurück zu führen ist, doch wurden bislang nur begrenzte Modelluntersuchungen durchgeführt, um diesen Zusammenhang zu belegen. Innerhalb von DRIVAR sollen die Prozesse, die für die ionosphärische Verzögerung verantwortlich sind, durch umfassende Datenanalyse und Modellierung untersucht werden. Verschiedene solare Proxies sowie spektral aufgelöste EUV- und UV-Flüsse aus Satellitenmessungen werden verwendet und zusammen mit ionosphärischen Parametern analysiert, welche aus GPS-Radiookkultationsmessungen, Ionosondenmessungen und GPS-Gesamtelektronenmessungen stammen. Letztere haben sowohl den Vorteil einer globalen Abdeckung als auch einer z.T. räumlich hoher Auflösung. Die ionosphärsche Verzögerung wird auf verschiedenen Zeitskalen ionosphärischer Variation (Tage, solare Rotation, saisonal) untersucht, und regionale Abhängigkeiten werden analysiert.Wegen des komplexen Charakters der involvierten Prozesse in der Thermosphäre und Ionosphäre werden Experimente mit numerischen Modellen benötigt, um die der Verzögerung zugrundeliegenden Prozesse physikalisch zu untersuchen. Wir verwenden das Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics (CTIPe), um die Verzögerung zu simulieren und führen Sensitivitätsstudien durch um die zur ionosphärischen Verzögerung führenden Prozesse im Detail zu analysieren. Zusätzliche Experimente werden mit dem Upper Atmosphere Model (UAM) durchgeführt.Die Ergebnisse von DRIVAR werden zu einem verbesserten Verständnis ionosphärischer Prozesse führen und werden insbesondere in der Vorhersage ionosphärischer Variabilität Anwendung finden, z.B. bei der Analyse und Vorhersage von GNSS- Positionsfehlern.
Das Projekt "Identifizierung von biogeochemischen Provinzen im Süd-Ozean: räumliche Modellierung von biologischen, geochemischen und sedimentologischen Daten" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung durchgeführt. Compared to biogenic silica, little is known about benthic particulate organic carbon fluxes in situ in the Southern Ocean, a key region for the global marine carbon cycle. Because of the lack of data, the Southern Ocean south of 60° is still excluded from the global carbon budget calculations. Our knowledge of rates and spatio-temporal variability is patchy, therefore coupling of these processes into regional or global models remains difficult and error prone. Meanwhile the public availability and dissemination of biological, geochemical and sedimentological research data as well as multivariate analysis methods applied in marine sciences is undergoing major developments, towards improving interdisciplinary data analysis. This proposal aims to model benthic particulate organic carbon fluxes and to use correlated parameters as biogenic silica, benthic organisms and other environmental parameters, that mimic the geochemical situation as proxies. Biogeochemical provinces in the Southern Ocean combining in situ measurements, experiments and multivariate models, will indicate areas of defined oxygen and carbon fluxes by GIS-based statistical modeling methodology. These provinces are also needed to quantify potential species occurrence and biomass and can be used to optimize sampling strategies during scientific expeditions. The spatial distribution and the dimensions of the Southern Ocean provinces will reduce the gap of knowledge regarding the global geochemical cycles. Furthermore, the exploration of the spatial variation regarding the location and extent of the provinces which are to be expected due to global warming contribute to the prediction of quantitative changes in geochemical fluxes in the Southern Ocean.
Das Projekt "Quantifying the role of diabatic processes for forecast errors associated with mid-latitude weather systems - A combined observational, diagnostic and modelling approach (DIAP)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Physik der Atmosphäre, Abteilung Wolkenphysik und Verkehrsmeteorologie durchgeführt. Diabatic processes can strongly influence the evolution and intensity of mid-latitude weather systems. These processes are associated with latent heat release due to phase transitions of water, surface fluxes, or radiative effects, and they strongly depend on the transport of water vapour that often occurs in narrow airstreams. It is difficult to quantitatively assess these processes from standard meteorological data. Therefore, this project will (1) use novel datasets from the YOTC project, humidity observations from previous field experiments, and numerical model techniques to better diagnose and quantify the role of theses processes for the evolution of different mid-latitude weather systems, including cyclones, blockings, and jet streams. Investigating the forecast accuracy of these systems and performing high-resolution model sensitivity experiments will (2) assess the relevance of diabatic processes for the quality of predicting high-impact weather events and help pinpointing potential shortcomings in the representation of these processes in NWP models. Results from (1 and 2) will provide the basis for a virtual field experiment (3) that will test the design of flight strategies for the planned international field experiment T-NAWDEX. Within this experiment, diabatic processes will be observed in key areas for improving the prediction of North Atlantic / European weather systems.
Das Projekt "Mehrphysik-Modellierung von Zwei- und Dreiphasenströmung unter Berücksichtigung des Kapillardrucks" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung durchgeführt. Viele technische sowie umweltrelevante Anwendung der Mehrphasenmodellierung in Porösen Medien (CO2 Speicherung, erweiterte Ölförderung oder die Beseitigung gefährlicher Stoffe aus dem Grundwasser) erfordern rechenintensive Simulationen auf großen Gebieten und über eine lange Zeitspanne. Meistens treten komplizierte Transportprozesse jedoch nur in kleinen Teilgebieten auf. Hier lässt sich die Qualität der Simulation durch verfeinerte Gitterauflösung und eine detailliertere physikalische Prozessbeschreibung verbessern. Außerhalb ist es im Hinblick auf die Rechenleistung dennoch ratsam, auf groben Gittern und mit einfachen physikalischen Modellen zu rechnen. Daher scheinen flexible und dadurch effiziente Modellierungsstrategien angeraten zu sein. Bei Mehrphysik-Ansätzen werden lokal unterschiedlich detaillierte Modellkonzepte angewandt, um die vorliegenden physikalischen Prozesse korrekt aber möglichst einfach abbilden zu können. Basierend auf dem Ansatz von J. Fritz wurde das Entkoppelte System um Kapillarkräfte und mit einem Dreiphasenansatz erweitert, und somit die Modellkomplexität weiter verfeinert. Zusätzlich wird das Gitter angepasst, um besonders interessante Teilgebiete besser auflösen zu können und um lokale Strömungen wie beispielsweise Infiltrationsfronten modellieren zu können. Die Flüsse an den durch Verfeinerung entstandenen 'hängenden Knoten' werden durch eine Mehrpunktflussapproximation realisiert, um Fehler durch unterschiedliche Gitterauflösungen zu vermeiden.
Das Projekt "Detektierbarkeit der Ozeanzirkulation im Erdmagnetfeld (OceanMag)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum durchgeführt. Die Wärmeaufnahme und der meridionale Wärmetransport der globalen Ozeanzirkulation ist ein zentraler Bestandteil des Klimasystems der Erde. Die damit einhergehenden Massentransporte finden auf Zeitskalen von Tagen bis Jahrtausenden statt. Die SWARM mission ermöglicht mit ihrer angestrebten Präzession von 0.1 nT erstmals einen direkten Blick auf diese Prozesse. Das beantragte Projekt verbessert, quantifiziert und charakterisiert die auf die Ozeanzirkulation zurückgehenden Signale im Magnetfeld der Erde. Ein Ensembleansatz wird mit einem globalen Ozeanzirkulationsmodell kombiniert um Charakteristika der strömungsinduzierten Signale zu abzuleiten. Diese Charakteristika beinhalten Wertebereich, Pattern, Frequenzen, Fehler und Korrelationen der ozeanischen Magnetfelder. Weiterhin werden die Sensitivitäten der ozeanischen Magnetfeldberechnung bezüglich der Annahmen: Salzgehalts und Temperaturabhängige Leitfähigkeit und konstante Leitfähigkeit, 2D- und 3D-Strömungsverteilung, Gleichgewichtslösung und zeitliche Variabilität der Lösung, untersucht. Die identifizierten Signale, ihre Fehler und entsprechende Korrelationen können benutzt werden, die SWARM-Messungen vom ozeanischen Signalanteil zu befreien. Dies ist insbesondere für die nicht-ozeanischen Projekte innerhalb des SPP wichtig, da die integralen SWARM-Messungen nur Informationen über einzelne Erdsubsysteme liefern können, wenn alle anderen Signalbeiträge und ihre Fehler entweder genau bekannt oder zumindest gut charakterisiert sind. Im Hinblick auf ein zukünftige Datenassimilation der Magnetfeldmessungen mit Ozeanmodellen, wird das beantragte Projekt untersuchen, welche ozeanischen Signale und Frequenzen aus aktuellen oder zukünftigen satellitenbasierten Magnetfeldmissionen separiert werden können. Mithilfe des Ozeanmodell-Ensembles werden robuste ozeanische Magnetfeldsignale ermittelt. Dies sind Signale, die von unsicheren Annahmen bei der Magnetfeldberrechung (z.B., durch Unsicherheiten in der Hintergrundleitfähigkeit) und dem Ozeanmodell (z.B. durch Unsicherheiten im Anfangszustand und dem Modellantrieb) wenig beeinflusst werden. Im Anschluss an die Identifizierung werden die robusten Signale mit den Signalen der nichtozeanischen Erdsubsysteme und den SWARM-Messunsicherheiten abgeglichen. Dieser Abgleich wird den gesamten Informationsgewinn des DynamicEarth Schwerpunktprogramms nutzen.
Das Projekt "Coupled Radiative Transfer Modelling" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Zürich, Geographisches Institut durchgeführt. Traditionally, it is necessary to pre-process remote sensing data to obtain top of canopy (TOC) reflectances before applying physically-based model inversion techniques to estimate forest variables. Corrections for atmospheric, adjacency, topography, and surface directional effects are applied sequentially and independently, accumulating errors into the TOC reflectance data, which are then further used in the inversion process. This paper presents a proof of concept for demonstrating the direct use of measured top-ofatmosphere (TOA) radiance data to estimate forest biophysical and biochemical variables, by using a coupled canopy-atmosphere radiative transfer model. Advantages of this approach are that no atmospheric correction is needed and that atmospheric, adjacency, topography, and surface directional effects can be directly and more accurately included in the forward modelling. In the case study, we applied both TOC and TOA approaches to three Norway spruce stands in Eastern Czech Republic. We used the SLC soil-leaf-canopy model and the MODTRAN4 atmosphere model. For the TOA approach, the physical coupling between canopy and atmosphere was performed using a generic method based on the 4-stream radiative transfer theory which enables full use of the directional reflectance components provided by SLC. The method uses three runs of the atmosphere model for Lambertian surfaces, and thus avoids running the atmosphere model for each new simulation. We used local sensitivity analysis and singular value decomposition to determine which variables could be estimated, namely: canopy cover, fraction of bark, needle chlorophyll, and dry matter content. TOC and TOA approaches resulted in different sets of estimates, but had comparable performance. The TOC approach, however, was at its best potential because of the flatness and homogeneity of the area. On the contrary, the capacities of the TOA approach would be better exploited in heterogeneous rugged areas. We conclude that, having similar performance, the TOA approach should be preferred in situations where minimizing the pre-processing is important, such as in data assimilation and multi-sensor studies.
Das Projekt "Support to Science Element Water Cycle Multimission Observation Strategy" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Wien, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) durchgeführt. The primary objectives of the WACMOS project are to identify, develop, and validateimproved multi-mission based methods to obtain a robust data set of prototypeproducts at global/regional (over in particular land, but not excluding ocean and otherwater bodies) and basin scales, including evapotranspiration, soil moisture, clouds andwater vapour. The project will also facilitate the integration of the above products intoboth models and data assimilation processes at different scales, including productcross-comparison and error characterization (e.g., run-off, water balance, flood risk,drought, climate) and will consolidate the user base (scientific and institutional) andestablish a potential scientific roadmap to advance the establishment of long-termrobust multi-source data records of the required variables.
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