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AG Wetter- und Klimaprozesse

Zeitpunkt und Intensität von jährlichen Extremniederschlägen

Betreuer: Patrick Pieper, Stephan Pfahl

Beschreibung: Verschiedene Niederschlags-Beobachtungsdatensätze stimmen größtenteils überein bezüglich des monatlich aufgelösten klimatologischen Zeitpunkts von jährlichen extremen Niederschlägen (Abb. 1). Der täglich aufgelöste klimatologische Zeitpunkt von jährlichen extremen Niederschlägen wird hingegen nicht überall widerspruchsfrei wiedergeben (Abb. 2). Da Unterschiede im Zeitpunkt von jährlichen extremen Niederschlägen bereits in der Klimatologie nachgewiesen wurden, sollten derartige Unterschiede in zwischenjährlichen Schwankungen noch stärker zutage treten. Neben dem Zeitpunkt könnten sich solche Unterschiede zudem auch in zwischenjährlichen Schwankungen des täglich aufgelösten Jahresganges der Intensität von jährlichen extremen Niederschlägen widerspiegeln. Falls Unterschiede in der zwischenjährlichen Schwankung der Intensität auftreten, dann ist ferner davon auszugehen, dass sich diese Unterschiede im langzeitlichen klimatologischen Mittel nicht hinreichend herausmitteln. Demzufolge könnte ebenfalls der klimatologische Jahresgang der Intensität von jährlichen extremen Niederschlägen Unterschiede aufweisen. Diese Arbeit untersucht Unterschiede in täglich aufgelösten jährlichen extremen Niederschlägen zwischen verschiedenen Beobachtungsdatensätzen hinsichtlich: (i) zwischenjährlicher Zeitpunktsschwankungen, (ii) zwischenjährlicher Intensitätsschwankungen, und (iii) dem klimatologischen Jahresgang der Intensität.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind 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. Die Arbeit kann wahlweise entweder in deutscher oder auch in englischer Sprache verfasst werden.

Lebenszyklus einer blockierenden Hochdrucklage

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdrucklagen (auch als "atmospheric blocking" bezeichnet) sind ein wichtiger Faktor für die Variabilität des Wetters in den mittleren Breiten. Es ist allerdings schwierig, diese Lagen objektiv zu identifizieren, auch da sich ihre synoptische Struktur im Laufe ihres Lebenszyklus ändern kann. Dies führt dazu, dass es in der Literatur eine Vielzahl unterschiedlicher Indizes zur Identifizierung von blockierenden Hochdrucklagen gibt, die auch mit unterschiedlichen Klimaänderungs-Signalen einhergehen (siehe Woollings et al., 2018). Um den Zusammenhang zwischen Blocking-Identifizierung und -Lebenszyklus besser zu verstehen, soll in dieser Arbeit eine ausgewählte blockierende Hochdrucklage synoptisch untersucht und mit zwei unterschiedlichen Blocking-Indizes in Verbindung gebracht werden.

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

Literatur:

  • Sousa, P. M. et al., 2021: A new combined detection algorithm for blocking and subtropical ridges. J. Climate 34, 7735-7758, doi:10.1175/JCLI-D-20-0658.1.
  • Woollings, T. et al. (2018): Blocking and its response to climate change. Curr. Clim. Change Rep. 4, 287-300, doi:10.1007/s40641-018-0108-z.

Synoptic analysis of convection

Betreuer: Stephan Pfahl, George Pacey

Beschreibung: Many strong convective precipitation events leading to flash floods in Germany occur at or near a cold front (e.g., Fink et al, 2009). The scale interactions between the frontal circulation and smaller-scale convective processes drive the dynamics of these convective storms. In this project, one particular case study in August 2013 that led to flash flooding, severe wind and hail reports across parts of Germany (including Berlin, see also the figure below) will be analyzed in detail. Combining radar and reanalysis data the role of various environmental factors will be investigated that may have favored the occurrence of convection (e.g., Doswell III et al., 1996). Prerequisites for this project are an interest in atmospheric convection and synoptic analyses as well as the willingness to communicate in English, as one of the supervisors does not speak German. The thesis may still be written in German. First experience with a scripting language (such as python) that will be used for data analysis can be helpful, but may also be obtained during the project.

Literatur: 

  • Doswell III, C. A., H. E. Brooks, and R. A. Maddox, 1996. Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology. Wea. Forecasting11, doi:10.1175/1520-0434%281996%29011%3C0560%3AFFFAIB%3E2.0.CO%3B2
  • Fink, A. H., T. Brücher, V. Ermert, A. Krüger, and J. G. Pinto, 2009: The European storm Kyrill in January 2007: synoptic evolution, meteorological impacts and some considerations with respect to climate change. Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 9, 405-423, doi:10.5194/nhess-9-405-2009.

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. Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse am atmosphärischen Wasserkreislauf sowie 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:

  • 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.

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.

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.