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AG Wetter- und Klimaprozesse

Validierung einer statistischen Methode zur Vorhersage der NAO

Betreuer: Dr. Ingo Kirchner

Beschreibung: Die Schätzung der NAO mittels erster EOF der geopotentiellen Höhe der 500 hPa Fläche wird auf die Vorhersagen verschiedener Modelle für 1-2 Wochen angewendet. Die Berechnung der NAO Stärke aus den Vorhersagen ist mit den Beobachtungen bzgl. der Zuverlässigkeit zu prüfen.

Grundlagen: Auswertung der täglichen Vorhersagen seit 2012


Verifikation des Einflusses der NAO Stärke auf das Wetter in Berlin

Betreuer: Dr. Ingo Kirchner

Beschreibung: Die Berechnung der NAO Stärke mit einer statistischen Methode wird als Indikator für die Charakterisierung des Berliner Wetters herangezogen. Es ist zu untersuchen, inwieweit sich dieser Indikator als Prediktor für verschiedene Wetterelemente eignet. Die Untersuchung stützt sich auf das Berliner Stadtmessnetz.

Grundlagen: Auswertung der täglichen Vorhersagen seit 2012 und Daten des Stadtmessnetzes


Energiebilanz in einem Globalmodell und die Veränderungen durch die Modellauflösung

Betreuer: Dr. Ingo Kirchner

Beschreibung: Analyse von Modellvariablen, die mit der Energiebilanz in Beziehung stehen, untersucht wird das statistische Verhalten auf verschieden Zeitskalen.

Grundlagen: Modelldaten von neun 40 Jahres-AMIP Simulationen mit ECHAM5 (Ausbau des Themas als Masterarbeit möglich) 


Extremniederschläge in einem wärmeren Klima

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Mögliche Änderungen der Intensität extremer Niederschläge gehören zu den folgenreichsten Konsequenzen der Klimaerwärmung. Auf Grund des höheren Sättigungsdampfdrucks in einer wärmeren Atmosphäre erwartet man eine Zunahme des atmosphärischen Feuchtegehalts und damit auch der Niederschlagsintensität, aber regional können auch Änderungen in der atmosphärischen Dynamik eine große Rolle spielen (Pfahl et al., 2017). Diese dynamischen Effekte sind noch mit großen Unsicherheiten verbunden.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, mit Hilfe einer Fallstudie unser Prozessverständnis solcher dynamischer Effekte zu verbessern. Dazu werden Modellsimulationen für das heutige Klima und ein mögliches wärmeres Klima am Ende dieses Jahrhunderts analysiert (Kay et al., 2015). Beispielhaft soll die synoptische Situation während zwei extremen Niederschlagsereignissen (eins unter heutigen Bedingungen, eins im wärmeren Klima) detailliert beschrieben werden. Dazu werden z.B. der atmosphärische Feuchtegehalt, die Zirkulation in der freien Troposphäre und der Transport von Luftmassen betrachtet (siehe Beispiel in der Abbildung unten).

Vorkenntnisse: Interesse am Klimawandel sowie an synoptischen Betrachtungen von extremen Wetterereignissen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python)

Literatur:

  • Grams, C. M., H. Binder, S. Pfahl, N. Piaget, and H. Wernli, 2014: Atmospheric processes triggering the central European floods in June 2013. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 14, 1691-1702, doi:10.5194/nhess-14-1691-2014.
  • Kay. J. E. et al., 2015: The Community Earth System Model (CESM) Large Ensemble Project: A community resource for studying climate change in the presence of internal climate variability. Bull. Amer. Meteor. Soc.96, 1333-1349, doi:10.1175/BAMS-D-13-00255.1.
  • Pfahl, S., P. A. O’Gorman, and E. M. Fischer, 2017: Understanding the regional pattern of projected future changes in extreme precipitation. Nature Clim. Change 7, 423-427, doi:10.1038/nclimate3287.

Äquipotentielle Temperatur und Bodendruckkarte am 31.05.2013 über Zentraleuropa; Bildquelle: Grams et al., 2014


Der Zusammenhang zwischen Trockenheit und blockierenden Hochdruckgebieten

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdruckgebiete sind stationäre Wettersysteme, die im Sommer zu erhöhten Temperaturen führen und häufig extreme Hitzewellen verursachen (Pfahl und Wernli, 2012). Außerdem gehen solche Hochdruckgebiete typischerweise mit absinkenden Luftmassen, wolkenfreiem Himmel und damit Trockenheit einher (siehe Abbildung unten). Während der Zusammenhang der Hochdruck-Wetterlagen mit Temperaturextremen relativ gut verstanden und quantifiziert ist, gibt es bisher wenige Studien zu einer Verknüpfung von blockierenden Hochdruckgebieten mit Trockenperioden. Ein besseres Verständnis der dynamischen Prozesse, die Trockenheit begünstigen, ist aber insbesondere im Kontext des anthropogenen Klimawandels vonnöten, der in vielen Regionen zu stärker ausgeprägten Trockenperioden führen könnte (Dai, 2013).

In dieser Arbeit wird eine einfache statistische Methode (nach Pfahl und Wernli, 2012) verwendet, um den räumlichen Zusammenhang zwischen blockierenden Hochdrucklagen und Trockenheit zu quantifizieren. Dazu wird, basierend auf Reanalyse-Daten, ein objektiver Index für blockierende Hochdruckgebiete mit einem oder mehreren Trockenheits-Indizes (zum Beispiel nach Byun und Wilhite, 1999) verknüpft.

Vorkenntnisse: Interesse am atmosphärischen Wasserkreislauf sowie an klimatologischen Auswertungen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python)

Literatur:

  • Byun, H.-R. and D. A. Wilhite, 1999: Objective quantification of drought severity and duration. J. Climate 12, 2747-2756.
  • Dai, A., 2013: Increasing drought under global warming in observations and models. Nature Clim. Change 3, 52-58, doi:10.1038/NCLIMATE1633.
  • Pfahl, S. and H. Wernli, 2012: Quantifying the relevance of atmospheric blocking for co-located temperature extremes in the Northern Hemisphere on (sub-)daily time scales. Geophys. Res. Lett.39, L12807, doi:10.1029/2012GL052261.
Blockierende Hochdrucklage während des trockenen und heissen Sommers 2015 über Europa im Satellitenbild vom 01. Juli 2015 (grün konturiert dynamische Tropopause, blau blockierende Antizyklone), Bildquelle: Christian Grams


Tägliche Schwankungen der Temperatur unter Einfluss der Klimaerwärmung

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Änderungen in der Variabilität der bodennahen Temperatur in einem wärmeren Klima können weitreichende Konsequenzen für die Gesellschaft haben. Bisher wurden diesbezüglich vor allem Änderungen in der statistischen Varianz der Temperatur analysiert (z.B. Screen, 2014; Schneider et al., 2015). Gerade für die menschliche Gesundheit sind aber auch die Schwankungen der Temperatur von Tag zu Tag ein entscheidender Faktor.

In dieser Arbeit sollen diese Schwankungen mit Hilfe von Reanalysedaten für verschieden Regionen der Erde quantifiziert werden. Außerdem werden die dazugehörigen Zirkulations-Anomalien charakterisiert und es wird eine Trend-Analyse durchgeführt.

Vorkenntnisse: Interesse an klimatologischen Auswertungen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

  • Schneider, T., T. Bischoff, and H. Plotka, 2015: Physics of changes in synoptic midlatitude temperature variability. J. Climate 28, 2312-2331, doi:10.1175/JCLI-D-14-00632.1.
  • Screen, J., 2014: Arctic amplification decreases temperature variance in northern mid- to high-latitudes. Nature Clim. Change 4, 577-582, doi:10.1038/NCLIMATE2268.

Anomalie der subsaisonalen Temperatur-Varianz in den nördlichen Breiten für die Periode 1979-2013. Rote Farben kennzeichnen eine positive, blaue Farben eine negative Anomalie. Aus Screen (2014).