Durch welche Mechanismen vertiefen sich Europäische Extremzyklonen?

Betreuung: Dr. Jens Grieger, Prof. Dr. Uwe Ulbrich

Beschreibung: Mit Hilfe der Drucktendenzgleichung lässt sich die Entwicklung extra-tropischer
Tiefdruckgebiete bestimmten Mechanismen zuordnen. Diese sind hauptsächlich durch Baroklinität
und diabatische Prozesse bestimmt. In dieser Arbeit sollen Europäische Extremzyklonen eines Ereigniskataloges untersucht und dabei die verschiedenen Beiträge zur Intensivierung bestimmt werden.

Datengrundlage: ERA-20C Reanalyse, Zyklonenzugbahnen, Drucktendenzdaten

Vorkenntnisse: CDO, R und eventuell NCL

Untersuchung des Zusammenhanges von NAO und Wärmeinhalt des Nordatlantiks auf der dekadischen Zeitskala

Betreuung: Thomas Moran

Beschreibung: Es existieren Untersuchungen, die einen Zusammenhang zwischen großräumigen atmosphärischen Zirkulationsmustern, insbesondere der NAO und Meeresoberflächentemperaturen des Nordatlantiks zeigen. Dabei scheint vor allem die Atmosphäre die Temperaturverteilung im Ozean zu beeinflussen. Andere Studien zeigen, dass auch der Ozean die Atmosphäre beeinflusst. Im Rahmen eines Projektes, das in der Arbeitsgruppe bearbeitet wird, wurde bereits der Zusammenhang zwischen dem Ozeanwärmeinhalt und der dekadischen Variabilität von Winterstürmen über Europa und dem Nordatlantik untersucht. In der Bachelorarbeit soll die Wechselwirkung von Ozeanwärmeinhalt im Nordatlantik und der NAO auf der dekadischen Zeitskala in einem Ensemble aus gekoppelten Modellsimulationen analysiert werden.

Grundlagen: Ensemble von Modellsimulationen Voraussetzungen: CDO, R, Statistik (Zeitreihenanalyse)

COSMO-Reanalysen: Charakteristika von Niederschlagsereignissen

Betreuung: Dr. Martin Göber, Edmund Meredith

Beschreibung: Im Cosmo-Reanalyseprodukt des Hans-Ertel-Zentrums (Uni Bonn) werden intensive Niederschlagssysteme untersucht. Sie werden als zusammenhängende Gebiete mit Überschreitungen eines Perzentilwerts identifiziert. Die Auswertung untersucht die Häufigkeitsverteilung von Ausdehnung, mittlerer (Perzentil-)Intensität, der (Perzentil-)Maxima und der Zahl der Extrema innerhalb des Gebiets, sowie die Beziehungen zwischen diesen Größen. Es wird untersucht, ob sich innerhalb Deutschlands und im Jahresgang Unterschiede in den Charakteristika zeigen.

Datengrundlage: COSMO-Reanalysen.

Vorkenntnisse: CDO und R/Matlab Kenntnisse erforderlich

Die Rolle von Zyklonen bei Starkniederschlagsereignissen

Betreuung: Dr. Katrin Nissen

Beschreibung: Im Rahmen des EU RAIN Projektes wurden Starkniederschlagsereignisse in Europa für den Zeitraum von 1981-2010 identifiziert. In der Bachelorarbeit soll untersucht werden welche Rolle Zyklonen für die Ereignisse gespielt haben. Ein Katalog von Zyklonenzugbahnen, die mit Hilfe des ERA Interim Reanalyse Datensatzes bestimmt wurden, liegt vor. Für die Arbeit soll ein Algorithmus, der für die Zuordnung von Stürmen zu Zyklonen entwickelt wurde, so angepasst werden, dass eine Zuordnung der Niederschlagsereignisse zu Zyklonen erfolgt. In der Arbeit sollen dann die charakteristischen Eigenschaften von Zyklonen, die extremen Niederschlag in Europa ausgelöst haben, untersucht werden (z.B. Stärke der Zyklonen, Geschwindigkeit, Lage zum Niederschlagsereignis). Weiterhin soll analysiert werden, welche Niederschlagsereignisse bevorzugt von Zyklonen ausgelöst werden (z.B. Auftrittsort, Jahreszeit, Niederschlagsdauer).

Datengrundlage: Katalog von extremen Niederschlagsereignissen, Katalog von Zyklonen, Fortranprogramm zur Zuordnung von Extremereignissen zu Zyklonen.

Vorkenntnisse: Fortran (wer kein Fortran mag, kann das existierende Programm auch gerne als nur als Anhaltspunkt verwenden und ein eigenes in R schreiben), R.

Wetterauswirkungen auf Vegetationsstörungen im Bahnnetz

Betreuung: Henrike Lorenz, Nico Becker, Uwe Ulbrich

Beschreibung: Vegetationsstörungen wie Baumstürze und Astbrüche verursachen Schäden an der Bahninfrastruktur, Zugkollisionen und Verzögerungen im Betriebsablauf der Bahn. Insbesondere hohe Windgeschwindigkeiten, aber auch andere Einflussgrößen wie Temperatur oder Bodenfeuchte können zu solchen Störungen führen. Anhand eines Datensatzes der Deutschen Bahn sollen Beziehungen zwischen Vegetationsstörungen und verschiedenen meteorologischen Parametern untersucht werden. Hierbei ist die Anwendung unterschiedlicher statistischer Methoden bzw. Machine Learning Methoden möglich bspw. logistische Regression oder Decision Trees.

Vorkenntnise: R

Wetter-Regime und Persistenz

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung:Die Persistenz der bodennahen Temperatur ist eine wichtige Größe zur Charakterisierung von extremen Hitze- oder Kältewellen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, wie verschiedene Persistenzmaße (Standardabweichung und Auto-Korrelation sowie Amplitude von Schwankungen von Tag zu Tag der bodennahen Temperatur) mit unterschiedlichen europäischen Wetterregimen zusammenhängen. Für die Wetterregime wird eine Klassifikation von Grams et al. (2017) verwendet.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an atmosphärischer Dynamik und Statistik. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

• Grams, C.M., Beerli, R., Pfenninger, S., Staffel, I. and Wernli, H. (2017) Balancing Europe’s wind-power output through spatial deployment informed by weather regimes. Nature Clim. Change 7, 557-562, https://doi.org/10.1038/nclimate3338.

• Li, J. and Thompson, D.W.J (2021). Widespread changes in surface temperature persistence under climate change. Nature 599, 425-430, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03943-z.

Der Zusammenhang zwischen Fronten und extremen Niederschlägen

Betreuer: Stephan Pfahl, George Pacey, Florian Ruff

Beschreibung: Extreme Niederschläge treten häufig in Zusammenhang mit Fronten auf. Es ist allerdings nicht klar, wie dabei der genaue räumliche Zusammenhang aussieht, also ob z.B. mehr extreme Niederschläge in der pre-frontalen Luftmasse oder direkt an der Front auftreten. In dieser Arbeit soll dieser Zusammenhang klimatologisch untersucht werden, in dem ein Datensatz zu Kaltfronten in Europa während der warmen Jahreszeit mit Niederschlagsdaten kombiniert wird.

Voraussetzungen: Interesse an Klimatologie und meteorologischen Extremereignissen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

• Catto J. L. and Pfahl S. (2013). The importance of fronts for extreme precipitation. J. Geophys. Res. 118, 10791–10801, doi:10.1002/jgrd.50852.

Effects of sea surface temperature change on the global distribution of stable water isotopes

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Stable hydrogen and oxygen isotopes in water vapor (δDv, δ¹⁸Ov) and precipitation (δDp, δ¹⁸Op) are widely used as tracers to improve our understanding of the hydrologic cycle on various time scales, from hourly variations to changes over millions of years (Botsyun et al., 2019; Pfahl and Wernli, 2008). Isotope fractionation is strongly dependent on temperature (Gat, 1996). Moreover, global atmospheric dynamics affecting stable water isotopes (Botsyun et al., 2016) is largely controlled by surface temperature. In this study, we aim to isolate the effects of sea surface temperature (SST) change (both increase and decrease) on stable water isotopes. Preliminary results show that the magnitude of isotopic change for the case of a 5°C decreased SST is > 8‰ and is most pronounced over continents, particularly over mountainous regions.

Vorgehen: In this work, we will first analyze the completed model simulations. Two sensitivity experiments are performed with a high-resolution (∼0.75°) isotope-enabled general circulation model (ECHAM5-wiso). In these simulations, the SST is changed (increased and decreased) by 5°C. All other boundary conditions are kept as pre-industrial (year 1850). In the first step, student will be asked to analyze the global climate and associated isotope changes caused by the shift in SST. In the second step (or at M. Sc. level), additional ECHAM5-wiso experiments will be designed to test the impact of model resolution on the SST-isotope link.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in stable water isotopes and paleoclimate, and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret) would be helpful, but can be acquired/improved during the project.

Literatur:

• Botsyun, S., Sepulchre, P., Risi, C. and Donnadieu, Y.: Impacts of Tibetan Plateau uplift on atmospheric dynamics and associated precipitation δ18O, Clim. Past, 12(6), 1401–1420, doi:10.5194/cp-12-1401-2016, 2016.
• Botsyun, S., Sepulchre, P., Donnadieu, Y., Risi, C., Licht, A. and Caves Rugenstein, J. K.: Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene, Science (80-. )., 363(6430), eaaq1436, doi:10.1126/science.aaq1436, 2019.
• Gat, J. R.: Oxygen and hydrogen isotopes in the hydrologic cycle, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 24(1), 225–262, 1996.
• Pfahl, S. and Wernli, H.: Air parcel trajectory analysis of stable isotopes in water vapor in the eastern Mediterranean, J. Geophys. Res. Atmos., 113(20), 1–16, doi:10.1029/2008JD009839, 2008.

Charakterisierung verschiedener Blocking-Indizes

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Zur Identifizierung von blockierenden Hochdrucklagen existieren mehrere Indizes, die auf verschiedene Aspekte der Blockierung abzielen (Hochdruck-Anomalie, Ostwinde) und auch sehr unterschiedliche klimatologischen Häufigkeitsverteilungen von Blockierungen liefern. In dieser Arbeit soll mit Hilfe von Reanalyse-Daten untersucht werden, inwiefern sich die von zwei verschiedenen Indizes am selben Ort detektierten Blocking-Ereignisse in ihrer synoptischen Struktur voneinander unterscheiden und wie groß generell der Überlapp zwischen den Ereignissen ist.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an atmosphärischer Dynamik und Statistik. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

• Woollings, T. et al. (2018): Blocking and its response to climate change. Curr. Clim. Change Rep. 4, 287-300, https://doi.org/10.1007/s40641-018-0108-z.

Circumglobal teleconnection pattern in warm and cold climate

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Large-scale atmospheric circulation in the extratropics fluctuates in its own dynamics, involving nonlinear interaction among eddies with various horizontal scales and a wide range of time scales. The circumglobal teleconnection (CGT) is a major teleconnection pattern in the northern hemisphere in boreal summer and is characterized by several geographically-anchored action centers along the upper-tropospheric westerly jet stream (Ding and Wang, 2005). Alternative names for the CGT also exists in literature, such as the “Silk Road pattern”, “European wave train” for the Eurasian segments, and the “Tokyo–Chicago express” for the Pacific segment. The CGT has important impacts on the mid-latitude temperature, precipitation, and extreme weather (Bothe et al., 2011). In addition, the CGT is closely related to the monsoonal circulation in the tropics (Saeed et al., 2011). For example, there is a chain of interactions between the CGT and the Indian monsoon rainfall variability: one interaction involves the wave train that develops over the North Atlantic and modulates the monsoon rainfall activity, and another interaction involves anomalous monsoon heating influencing the downstream development of the CGT (Ding and Wang, 2005). For the paleo case, the changes in CGT under different climatic forcings, its connection to the Asian monsoons, and its impact on surface climate are not clear. In this project, we suggest exploring changes in CGT for the Pliocene (3 Ma) and the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) compared to pre-industrial. The Pliocene is considered as a past analogue of future warm climate (Haywood et al., 2016) and the LGM is an example of a colder-than-present climate (Braconnot et al., 2007). Possible research questions:

1. How do slowly varying components of the climate, such as sea surface temperature (SST), greenhouse gas concentrations, ice sheets, etc. affect large-scale circulation variability and the westerly jet stream?
2. How do changes in the North Atlantic pressure gradient affect the CGT?
3. What is the relationship between the surface climate in Asia and the GCT in warm and cold climates?

Vorgehen: We propose to investigate changes in CGT using General Circulation model (GCM) ECHAM5 experiments with boundary conditions for pre-industrial (year 1850), the Pliocene (~3 Ma), and the Last Glacial Maximum (LGM, ~21 ka). Emphasis is on analyzing completed model simulations rather than creating new model runs. Student will be asked to analyze climatological midlatitude circulation in the Northern Hemisphere based on, for example, high-level geopotential height and winds anomalies. For MSc thesis, a temporal variation of the Northern Hemisphere pressure systems will be studied using the empirical orthogonal function (EOF) analysis.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in global atmospheric circulation and paleoclimate and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret, ncl) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

• Bothe, O., Fraedrich, K. and Zhu, X.: Large-scale circulations and Tibetan Plateau summer drought and wetness in a high-resolution climate model, Int. J. Climatol., 31(6), 832–846, doi:10.1002/joc.2124, 2011.

• Braconnot, P., Otto-Bliesner, B., Harrison, S., Joussaume, S., Peterchmitt, J.-Y. J.-Y., Abe-Ouchi, A., Crucifix, M., Driesschaert, E., Fichefet, T., Hewitt, C. D. and others: Results of PMIP2 coupled simulations of the Mid-Holocene and Last Glacial Maximum–Part 1: experiments and large-scale features, Clim. Past, 3(2), 261–277 [online] Available from: http://www.clim-past.net/3/279/2007/cp-3-279-2007-relations.html, 2007.

• Ding, Q. and Wang, B.: Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer, J. Clim., 18(17), 3483–3505, 2005.

• Haywood, A. M., Dowsett, H. J., Dolan, A. M., Rowley, D., Abe-Ouchi, A., Otto-Bliesner, B., Chandler, M. A., Hunter, S. J., Lunt, D. J. and Pound, M.: The Pliocene model intercomparison project (PlioMIP) phase 2: scientific objectives and experimental design, Clim. Past, 12(3), 663–675, 2016.

• Saeed, S., Müller, W. A., Hagemann, S. and Jacob, D.: Circumglobal wave train and the summer monsoon over northwestern India and Pakistan: The explicit role of the surface heat low, Clim. Dyn., 37(5), 1045–1060, doi:10.1007/s00382-010-0888-x, 2011.

Effects of uplift of the Tian Shan Mountains on Asian climate and stable water isotopes in precipitation

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Stable hydrogen and oxygen isotopes in water vapour and precipitation are widely used as tracers to improve our understanding of the hydrological cycle on a variety of time scales, from hourly variations to changes over millions of years (Botsyun et al., 2019; Pfahl and Wernli, 2008). Stable water isotope proxy data (e.g., lake carbonates in which paleoprecipiation isotope values are preserved) are commonly used for paleoclimate reconstructions. However, mountain uplift affects both the climate and the preserved isotope signal (Botsyun et al., 2016, 2019). Therefore, reconstructing the influence of mountain elevation on stable water isotopes is critical for proper interpretation of paleoclimate data. Interactions between mid-latitude westerlies and the Tian Shan Mountains significantly impact climate patterns in Asia today (Sha et al., 2018) and Tian Shan uplift is hypothesised to play an important role in driving Asian climate change since the last ~ 30 Ma (Wang et al., 2020). Presently, Central Asia receives recycled, enriched with heavy isotopes moisture that has been mainly transported across Eurasia by the westerlies (Caves et al., 2015), but for the time when the Tian Shan Mountains were lower, the isotopic signature across the region remains enigmatic. Our preliminary analysis shows that Tian Shan uplift impact westerly and monsoon circulation in the region that results in precipitation and precipitation δ¹⁸O changes

Vorgehen: This work will focus on analysing completed model simulations rather than creating new model runs. We propose using a high-resolution (∼0.75°) isotope-enabled general circulation model (ECHAM5-wiso). Experiments are conducted with boundary conditions for the pre-industrial (year 1850) and varied elevation of Tian Shan. Student will be asked to analyse climatological mid-latitude circulation change and associated surface hydroclimate change. For the M.Sc. – Lagrangian analysis tool “LAGRANTO'' (Sprenger and Wernli, 2015) will be applies to trace moisture trajectories changes for various Tian Shan elevation scenarios.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in stable water isotopes and paleoclimate, and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

• Botsyun, S., Sepulchre, P., Risi, C. and Donnadieu, Y.: Impacts of Tibetan Plateau uplift on atmospheric dynamics and associated precipitation δ18O, Clim. Past, 12(6), 1401–1420, doi:10.5194/cp-12-1401-2016, 2016.
• Botsyun, S., Sepulchre, P., Donnadieu, Y., Risi, C., Licht, A. and Caves Rugenstein, J. K.: Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene, Science (80-. )., 363(6430), eaaq1436, doi:10.1126/science.aaq1436, 2019.
• Caves, J. K., Winnick, M. J., Graham, S. A., Sjostrom, D. J., Mulch, A. and Chamberlain, C. P.: Role of the westerlies in Central Asia climate over the Cenozoic, Earth Planet. Sci. Lett., 428, 33–43, 2015.
• Pfahl, S. and Wernli, H.: Air parcel trajectory analysis of stable isotopes in water vapor in the eastern Mediterranean, J. Geophys. Res. Atmos., 113(20), 1–16, doi:10.1029/2008JD009839, 2008.
• Sha, Y., Shi, Z., Liu, X., An, Z., Li, X. and Chang, H.: Role of the Tian Shan Mountains and Pamir Plateau in increasing spatiotemporal differentiation of precipitation over interior Asia, J. Clim., 31(19), 8141–8162, 2018.
• Sprenger, M. and Wernli, H.: The LAGRANTO Lagrangian analysis tool–version 2.0, Geosci. Model Dev., 8(8), 2569–2586, 2015.
• Wang, X., Carrapa, B., Sun, Y., Dettman, D. L., Chapman, J. B., Caves Rugenstein, J. K., Clementz, M. T., DeCelles, P. G., Wang, M., Chen, J., Quade, J., Wang, F., Li, Z., Oimuhammadzoda, I., Gadoev, M., Lohmann, G., Zhang, X. and Chen, F.: The role of the westerlies and orography in Asian hydroclimate since the late Oligocene, Geology, 48(7), 728–732, doi:10.1130/G47400.1, 2020.

Klimatische Kennzahlen für Berlin und deren Änderungen im Klimawandel

Betreuung: Henning Rust, Daniela Schoster

Beschreibung: Klimatische Kennzahlen wie Jahresmittel- oder Maximumtemperaturen, Niederschlagssummen oder Anzahl Tropennächte für Orte oder Länder werden regelmäßig publiziert und in den Medien kommuniziert, z.B. um ein vergangenes Jahr vor dem Hintergrund eines sich wandelnden Klimas einzuordnen. Auch für die Station Berlin-Dahlem gibt es solche Zahlen. Ziel dieser Arbeit ist es, die Auswahl dieser Kennzahlen sinnvoll zu erweitern, z.B. mit Indizes wie vom ETCCDI vorgeschlagen, und deren Berechnung zu automatisieren. Kennzahlen für die vergangenen Jahre sollen vor dem Hintergrund des Klimawandels analysiert werden.

In Zusammenarbeit mit unserer Referentin für Öffentlichkeitsarbeit sollen die Indizes für die vergangenen Jahre dann automatisiert und mit regelmäßigen Updates auf unserer Webseite veröffentlicht werden.

Grundlage: Daten der Station Berlin-Dahlem und ggf. weiteren lokalen Stationen, Berechnungsvorschriften der ETCCDI-Indizes. Unterstützung bei der Darstellung auf der Webseite.

Voraussetzung: Kenntnisse in R und/oder Python und Freude an statistischer Datenauswertung

Feuerwehreinsätze bei Starkregenereignissen über Berlin: Einfluss von meteorologischen, geographischen und demographischen Faktoren

Betreuung: Nico Becker, Henning Rust

Beschreibung: Feuerwehreinsätze aufgrund von Wasserschäden treten in Großstädten wie Berlin häufig im Zusammenhang mit Starkregenereignissen auf. Hierbei spielen beim Ausmaß der Feuerwehreinsätze verschiedene Faktoren eine Rolle. Deshalb soll in dieser Arbeit untersucht werden, welchen Einfluss bei extremen Niederschlagsereignissen großskalige meteorologische Faktoren, wie z.B. die Wetterlage oder die Anströmrichtung über Berlin auf die Anzahl der Feuerwehreinsätze haben. Zudem sollen aber auch geographische und demographische Faktoren, wie z. B. den Versiegelungsgrad des Bodens und die Bevölkerungsdichte, bei der Analyse miteinbezogen werden.

Grundlage: Katalog der Starkregenereignisse (CatRaRE) des DWD inkl. ereignisspezifischen Attributen, sowie meteorologischen, demo- und geographischen Daten, Datensatz der Berliner Feuerwehr mit allen Wasserschaden bedingten Einsätzen und Reanalysedaten.

Vorkenntnisse: Kenntnisse in R (oder Python) und CDO

Literatur: Lengfeld, K., Walawender, E., Winterrath, T., Becker, A.: CatRaRE: A Catalogue of radar-based heavy rainfall events in Germany derived from 20 years of data, Meteorologische Zeitschrift, DOI:10.1127/metz/2021/1088, 2021

Klimatologische Wahrscheinlichkeitsverteilung aus Stationsdaten als Hintergrundinformation für die Darstellung von Messdaten nutzen

Betreuung: Daniela Schoster, Henning Rust

Beschreibung: Die Kommunikation von aktuellen Messwerten von Wetterstationen erhält einen zentralen Mehrwert, wenn dieses vor dem Hintergrund der Stationsklimatologien geschieht. Aufgabe ist es, verschiedene Methoden zur Schätzung von klimatologischen Wahrscheinlichkeitsverteilungen für Jahres-, Saison, Monats- und Tageswerte zu vergleichen. Basis ist ein festes 30-jähriges Fenster, so wie sich die WMO eine Klimatologie vorstellt. Für Tageswerte sollen gleitende Fenster ausprobiert werden und auch einfache Modellansätze (Regression). Zunächst sollen die temperaturbasierten Werte im Fokus stehen, Niederschlag ggf. folgen.

Grundlage: Stationsdaten des Stadtmessnetzes und der DWD Stationen

Voraussetzung: Verteilungen und Regressionsmodelle schätzen mit R

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einer Bachelorarbeit in der AG Strahlung und Fernerkundung kontaktieren Sie bitte Frau Prof. Dr. Kerstin Schepanski (kerstin.schepanski@fu-berlin.de).

Untersuchungen verschiedener Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des Pazifik-Nordamerika Telekonnektionsmusters (PNA) mithilfe der harmonischen Analyse des Geopotentials

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Verschiedene Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des Pazifik-Nordamerika-Telekonnektionsmusters (PNA) sind durch unterschiedliche Aktivität planetarer Wellen gekennzeichnet. Es sollen mit Hilfe der harmonischen Analyse über unterschiedliche globale Wellenkonfigurationen ein Zusammenhang von NA0 und PNA herausgearbeitet werden.

Grundlagen: Zur Verfügung stehen die ERA-Interim Reanalysen sowie das Programm zur Berechnung der Fourier-Koeffizienten der harmonischen Analyse.

Untersuchung des meridionalen Temperaturgradienten auf der Nordhalbkugel mithilfe der harmonischen Analyse

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Der meridionale Temperaturgradient ist ein wichtiges Maß für die Baroklinität und Zyklonenaktivität der Westwindzone der mittleren Breiten. Es soll mit Hilfe der harmonischen Analyse des meridionalen Temperaturgradienten die globale Struktur wellendynamisch untersucht werden und ein Zusammenhang zu der Wellenstruktur des Geopotentials hergestellt werden.

Grundlagen: Zur Verfügung stehen die ERA-Interim und NCE-Reanalysen sowie das Programm zur Berechnung der Fourier-Koeffizienten der harmonischen Analyse.

Untersuchung der Beziehung zwischen dem Dynamischen Zustandsindex (DSI) und Prozessen auf der konvektiven Skala

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Der dynamische Zustandsindex (DSI) wurde in der Arbeitsgruppe Theoretische Meteorologie entwickelt. Er beschreibt Abweichungen eines Grundzustandes. Es konnte bisher gezeigt werden, dass der Index stark mit diabatischen Prozessen wie beispielsweise Niederschlag korreliert ist. Zusammenhänge zu weiteren Prozessen und bekannten meteorologischen Größen sollen datenbasiert untersucht werden. 

Grundlagen: Zur Verfügung stehen berechnete DSI-Daten sowie die REA2 und die REA6 Reanalysen für Deutschland und Europa.

Evaluierung der Luftqualitätsvorhersage von LOTOS-EUROS innerhalb CAMS

Betreuer: Prof. Martijn Schaap, Dr. Sabine Banzhaf

Beschreibung: Innerhalb die Europäische Copernicus Atmosphäre Monitoring Service (CAMS: http://atmosphere.copernicus.eu/) werden Luftqualitätsvorhersagen erstellt für Feinstaub, Ozon und NO₂. Es gibt derzeit 7 Modelle die zusammen ein Ensemble bauen, unter deren das LOTOS-EUROS Modell das am FUB mitentwickelt wird. Ziel dieses Themas ist die Validierung der Vorhersagen von LOTOS-EUROS anhand Beobachtungsdaten. Die Frage ist in wie weit sich der Modellskill sich unterscheiden von der andere Modelle und ob es Erklärungen dafür gibt. Die Validierung findet statt anhand standard statistischen Parameter. Studien könnten separat über Ozon, Feinstaub und NO₂ gemacht werden.

Grundlagen: Literatur und Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von TNO, Holland. 

Evaluierung der Herkunft von NO₂ in Berlin

Betreuer: Prof. Martijn Schaap, Dr. Sabine Banzhaf

Beschreibung: NO₂ ist schädlich für die Gesundheit. Derzeit gibt es Fragen zum Herkunft von NO₂-Konzentration innerhalb Berlin. Vor allem nächtliche Werte sind manchmal erhöht ohne das es direkte Quellen gibt. Ziel dieses Themas ist anhand Messdaten und ein LOTOS-EUROS Lauf inklusive Quellenzuordnung die Variabilität in der Herkunft des NO₂ zu bestimmen.

Grundlagen: Literatur und Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von TNO, Holland.

Analyse von der natürlichen chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Betreuer: Prof. Peter Builtjes

Beschreibung: Die Bestimmung der natürlichen Konzentrationen von Spurengasen und Aerosolen ist wichtig, um die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen zu können. Neben dieser wissenschaftlichen Fragestellung/Neugier ist die Kenntnis auch wichtig für Untersuchungen im Themengebiet Luftreinhaltung. Wenn bekannt ist wie groß der Beitrag von biogenen und geogenen Emissionen zur auftretenden Konzentration ist, kann man den Einfluss von anthropogenen Emissionen ableiten. Basiert auf einer Literaturanalyse von Messkampagnen (z.B. in Eisbornkernen), Laboruntersuchungen und theoretischen Betrachtungen der Entwicklung der Erdatmosphäre und mit Hilfe von Modellergebnisse kann man eine Abschätzung über die natürlichen Konzentrationen von Spurengasen und Aerosolen machen. Studien können über Stoffe wie CH₄, CO₂, SO₂, NO₂, NH₃, O₃, VOC, Aerosolen (PM) gemacht werden.

Grundlagen: Literatur und einige Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von Holland aus 

Feuerwehreinsätze bei Starkregenereignissen über Berlin: Einfluss von meteorologischen, geographischen und demographischen Faktoren

Beschreibung: siehe AG Statistische Meteorologie

Variabilität der oberflächennahen Winde in aktuellen atmosphärischen Reanalysen und deren Einfluss auf die simulierte windgetriebene Ozeanzirkulation

Betreuer: Dr. Henryk Dobslaw (dobslaw@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Die windgetriebene Zirkulation im Weltozean hat insbesondere auf Zeitskalen von Tagen bis hin zu Dekaden einen großen Einfluß auf regionale und lokale Änderungen des Meeresspiegels. Prädiktionen der zeitvariablen windgetriebenen Dynamik werden regelmäßig aus Simulationsexperimenten mit globalen numerischen Ozeanmodellen gewonnen, die mit Atmosphärendaten aus globalen NWP-Analysen oder Reanalysen angetrieben werden. Ausgehend von vier aktuellen globalen soll der Ensemble-Spread der oberflächennahen Windgeschwindigkeiten und -schubspannungen für verschiedene Frequenzbänder bestimmt und in seinen räumlichen Mustern diskutiert werden, um Sensitivitätsexperimente mit einem globalen Ozeanzirkulationsmodell unter realistisch verrauschten Windschubspannungen vorzubereiten.

Anforderungen: Theorie der windgetriebenen Ozeandynamik; Kenntnisse der CDO's (Climate Data Operators); Grundkenntnisse in Matlab oder R.

Untersuchung der raumzeitlichen Variabilität globaler Niederschläge in GPCC- Analysen

Betreuer: Dr. Robert Dill (dill@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz- potsdam.de)

Beschreibung: Das beim Deutschen Wetterdienst angesiedelte Weltzentrum für Niederschlag (Global Precipitation Climatology Centre; GPCC) sammelt und archiviert alle weltweit verfügbaren Beobachtungen zu Niederschlagsmengen und -ereignissen und erstellt routinemäßig globale Rasterdatensätze mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen. Zur Vorbereitung von Vergleichen bzw. zur Kombination von klassischen Niederschlagsbeobachtungen und Änderungen des terrestrisch gespeicherten Wassers aus Daten der Satellitenschwerefeldmission GRACE sollen in dieser Arbeit die verschiedenen aktuell verfügbaren Produkte des GPCC analysiert und zur späteren Nutzung als Antriebsdaten des globalen Landoberflächenmodells LSDM vorbereitet werden.

Anforderungen: Grundkenntnisse in R or Matlab; Kenntnisse der CDO's (Climate Data Operators)

Analyse von atmosphärischen und hydrosphärischen Auflastdeformationen an GPS-Permanentstationen in Hinblick auf eine 3D Erdstruktur

Betreuer: Dr. Volker Klemann (volker.klemann@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Untersucht werden sollen Auflastdeformationen, die durch zeitvariable Massenverteilungen an der Erdoberfläche verursacht werden und Messungen an GPS- Stationen beeinflussen. So müssen vor allem für Stationen nahe an der Küste oder an einem Fluss die verursachenden atmosphärischen, ozeanischen oder hydrologischen Auflasten in hoher räumlicher Auflösung betrachtet und die lokale Erdstruktur berücksichtigt werden. An Hand bereits vorhandener Übertragungsfunktionen, welche die Deformationsantwort einer 1D Erdstruktur charakterisieren, und dem Vergleich mit der Deformationsantwort eines 3D Erdmodelles sollen die verwendeten Übertragungsfunktionen evaluiert werden.

Anforderungen: Grundkenntnisse in Fortran/Matlab/Shell Programmierung und Interesse an numerischen Fragestellungen

Entwicklung der Beringstraße während des letzten glazialen Zyklus

Betreuer: Dr. Volker Klemann (volker.klemann@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Während eines glazialen Zyklus fällt der Meeresspiegel um bis zu 130 m. Diese Änderung ist nicht homogen, sondern wird von der isostatischen Antwort der festen Erde auf die zeitlich variierende Lastverteilung überprägt. Die damit verbundene Veränderung des Meeresspiegels soll anhand der zeitweisen Öffnung der Beringstraße beispielhaft untersucht werden. Mit Hilfe vorhandener Modell-Ensembles, die die Abhängigkeit des Meeresspiegels von der Erdstruktur und der Eisgeschichte abbilden, sollen Unsicherheiten und Variabilitäten in der Rekonstruktion dieser Wasserstraße untersucht werden.

Anforderungen: Programmierkenntnisse in Fortran, R oder Matlab, Shellprogrammierung und Interesse an numerischen Fragestellungen 

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einem Bachelorarbeitsthema am GFZ wendens Sie sich bitte an Herrn Prof. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Nutzung von Scintillometerdaten für die Qualitätsbewertung von Eddy-Kovarianzmessungen

Betreuer: Dr. Frank Beyrich (MOL-RAO, DWD) / NN (FUB)

Beschreibung: Auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg werden bodennahe Turbulenzmessungen sowohl mittels Ultraschall-Anemometer-Thermometer als auch  mittel Surface-Layer-Scintillometer durchgeführt, wobei die Mess- und Auswerteverfahren sich grundlegend unterscheiden. Unter Nutzung von Hersteller- bzw. Standard-Software erfolgt eine jeweils voneinander unabhängige Qualitätsbewertung der abgeleiteten turbulenten Flüsse. Mit der Arbeit soll untersucht werden, inwieweit Querbezüge zwischen der jeweiligen Bewertung der Datenqualität möglich sind.

Grundlagen: Datensatz turbulente Flüsse aus Sonic-/Scintillometerdaten vom GM Falkenberg. 

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Datenanalyse und –bearbeitung für umfangreichere Datensätze

Vergleich von Grenzschichtmessungen mit Modellergebnissen aus der NWV für die morgendliche (abendliche) Übergangsperiode 

Betreuer: Dr. Frank Beyrich (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB) 

Beschreibung: Die morgendliche bzw. abendliche Übergangsperiode (engl.: morning transition period, evening transition period) sind vor allem an wolkenarmen Tagen durch rasche zeitliche Änderungen meteorologischer Variablen und damit eine starke Instationarität der Struktur der bodennahen Luftschichten gekennzeichnet. Ihre korrekte Simulation in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen stellt damit eine besondere Herausforderung dar. Auf dem Grenzschichtmessfeld des MOL-RAO in Falkenberg werden seit mehr als 20 Jahren zeitlich und vertikal hoch aufgelöste Messungen zur Struktur der unteren atmosphärischen Grenzschicht durchgeführt. Aus diesen Datensätzen sollen Situationen mit einer ausgeprägten Instationarität in den Morgen- bzw. Abendstunden identifiziert, die Messergebnisse der Energieflüsse und der Vertikalprofile von Wind, Lufttemperatur, Bodentemperatur und Luftfeuchte mit den Ergebnissen der NWV-Modelle des DWD verglichen und die Differenzen zwischen Messung und Modellsimulationen analysiert und diskutiert werden.

Grundlagen: Datensätze zur Struktur der bodennahen Luftschichten auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg, Ergebnisse der NWV-Modelle des DWD 

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Datenanalyse und –bearbeitung, Grundkenntnisse zu Struktur und Prozessen der Atmosphärischen Grenzschicht