Feuchte in der Atmosphäre

Betreuung: Stephan Pfahl, Ingo Kirchner

Beschreibung:

Atmosphärischer Wasserdampf ist ein essentieller Bestandteil des Klimasystems, zum Beispiel auf Grund seiner Bedeutung für das Strahlungsbudget der Erde und die Bildung von Niederschlag. Eine fundamentale Eigenschaft des Wasserdampfes ist die Aufenthaltsdauer in der Atmosphäre, also die typische Zeitspanne zwischen Verdunstung von der Erdoberfläche und Niederschlag. Schätzungen dieser Zeitskale basierend auf grundsätzlichen Überlegungen zum Feuchtebudget belaufen sich im Mittel auf ca. 8-10 Tage (Trenberth, 1998), wohingegen neuere, mehr prozessorientierte Abschätzungen kürzere Zeitskalen ergeben (Läderach und Sodemann, 2016; siehe Abbildung unten).

In dieser Arbeit soll eine detaillierte Abschätzung der atmosphärischen Aufenthaltsdauer von Wasserdampf mit Hilfe von speziell designten Experimenten mit einem globalen Zirkulationsmodell (Eckstein et al., 2017) durchgeführt werden. Diese Modell-Version erlaubt es, Wasser aus bestimmten Quellen als sogenannte „Tracer“ zu markieren und so separat zu verfolgen. Zur Abschätzung der Aufenthaltsdauer werden mehrere Tracer verwendet, die die Verdunstung in begrenzten Zeiträumen markieren (siehe Läderach, 2016).

Datengrundlage: 

Vorkenntnisse: Programmierkenntnisse, Interesse an der Arbeit mit Modellen sowie am atmosphärischen Wasserkreislauf. Die/der Studierende sollte aktiv am Design der Modell-Experimente mitwirken, was etwas technische Arbeit erfordert, aber auch einen Einblick in die Modellstruktur erlaubt.

Literatur:

• Eckstein, J. et al., 2017: From climatological to small scale applications: Simulating water isotopologues with ICON-ART-iso (version 2.1). Geosci. Model Dev. Discuss., doi:10.5194/gmd-2017-280.

• Läderach, A. and H. Sodemann, 2016: A revised picture of the atmospheric moisture residence time. Geophys. Res. Lett. 43, 924-933, doi:10.1002/2015GL067449.

• Läderach, A., 2016: Characteristic scales of atmospheric moisture transport. Diss. ETH No. 23586, doi:10.3929/ethz-a-010741025.

• Trenberth, K. E., 1998: Atmospheric moisture residence times and cycling: Implications for rainfall rates and climate change. Clim. Change 39, 667-694, doi:10.1023/A:1005319109110.

Trajektorien-basierte Abschätzung der Aufenthaltsdauer von Feuchte in der Atmosphäre, Bildquelle: Läderach und Sodemann, 2016

Der Einfluss von latentem Heizen auf blockierende Hochdruckgebiete

Betreuung: Stephan Pfahl

Beschreibung:

Blockierende Hochdruckgebiete sind ein wichtiger Bestandteil der atmosphärischen Zirkulation in mittleren Breiten und können zur Entstehung verschiedener Wetterextreme beitragen (siehe z.B. Pfahl und Wernli, 2012). Lange war die vorherrschende wissenschaftliche Meinung, dass man die Dynamik von solchen blockierenden Hochdrucklagen mit Hilfe von Konzepten der trockenen Dynamik verstehen kann, aber neuere Forschungsergebnisse zeigen, dass auch Feuchteprozesse, insbesondere die Freisetzung von latenter Wärme bei der Wolkenbildung, eine große Rolle für diese Systeme spielen können (Pfahl et al., 2015; Illustration in der Abbildung unten).

Um diesen Einfluss von Feuchteprozessen besser zu verstehen, soll in dieser Arbeit eine modellbasierte Fallstudie eines blockierenden Hochdruckgebiets durchgeführt werden. Dazu wird eine Referenzsimulation mit dem globalen Wettervorhersage-Modell des ECMWF mit einem Experiment verglichen, in dem das latente Heizen in einer begrenzten Region stromaufwärts des Hochdruckgebiets unterdrückt wird.

Datengrundlage: 

Vorkenntnisse: Interesse an atmosphärischer Dynamik und Prozessstudien sowie Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python)

Literatur:

• 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.

• Pfahl, S., C. Schwierz, M. Croci-Maspoli, C. M. Grams, and H. Wernli (2015): Importance of latent heat release in ascending air streams for atmospheric blocking. Nature Geosci. 8, 610-614, doi:10.1038/ngeo2487.

Illustration des Einflusses von latentem Heizen in aufsteigenden Luftmassen auf blockierende Hochdruckgebiete, Bildquelle: Heini Wernli

Wolkenbrüche

Hinweis: Das Thema ist als Bachelorarbeit vorgesehen, könnte aber auch mit Modifikationen als Masterarbeitsthema bearbeitet werden.

Betreuung: Lisa Schielicke, Peter Névir, Stephan Pfahl

Beschreibung:

Dr. Paul Schlaak, ehemaliger Mitarbeiter des Instituts für Meterologie in Berlin-Dahlem, sammelte Daten, Zeitungsausschnitte, und erstellte Karten zu ca. 30 historischen Starkregenereignisse in Berlin für den Zeitraum 1902 bis 1989. Anhand dieser Sammlung sollen die aufgetretenen Starkregenereignisse systematisch untersucht werden. Grundlage dieser Untersuchung bildet die Aufschlüsselung nach Zutaten und wie diese lokal zusammenwirken. Um Konvektion auszulösen bedarf es nach Doswell et al. (1996) drei Grundzutaten: Instabilität, ausreichend Feuchte und Hebung. Unter bestimmten Bedingungen an die Zugrichtung der konvektiven Zellen oder Fronten kann es zu Starkregenereignissen kommen. Die historischen Berliner Ereignisse sollen anhand der zutatenbasierten Methode untersucht werden.

Im Fokus der Arbeit steht dabei, Prozesse aufzudecken, die zu diesen starken Regenfällen führten. Handelte es sich z.B. um quasistationäre, sich langsam verlagernde Zellen oder um großräumige Fronten? Welche Rolle spielt die synoptische Großwetterlage bei der Ausprägung der Ereignisse? Können die Ereignisse auch in Reanalysedaten erkannt werden?

Datengrundlage: einerseits Reanalysedaten andererseits Beobachtungen (Berliner Wetterkarte, Datenmaterial von Dr. Paul Schlaak)

Vorkenntnisse:

Literatur:

• Doswell III, C. A., Brooks, H. E., & Maddox, R. A. (1996). Flash flood forecasting: An ingredients-based methodology. Weather and Forecasting, 11(4), 560-581.

Wolkenbruch am Nachmittag des 23.08.2011 über Berlin infolge eines konvektiven, mesoskaligen Ereignisses, Bildquelle: Georg Myrcik (privat)

Der Zusammenhang zwischen Trockenheit und blockierenden Hochdruckgebieten

Hinweis: Das Thema kann auch im Rahmen einer Masterarbeit bearbeitet werden.

Betreuung: 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.

Datengrundlage: 

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

Cyclones and precipitation extremes

Note: Also eligible for Master thesis.

Betreuung: Stephan Pfahl, Edgar Dolores-Testillos

Beschreibung:

Precipitation extremes in many regions of the world are associated with the occurrence of extratropical cyclones (Pfahl and Wernli, 2012; see figure below). Future changes in cyclone occurrence may thus potentially lead to changes also in extreme precipitation, which can have important consequences for society.

In this thesis, a simple statistical method that quantifies the co-occurrence of cyclones and extreme precipitation (see again Pfahl and Wernli, 2012) will be applied to model simulations of present-day and future climate (Kay et al., 2015; Yetella and Kay, 2017) in order to asses if (i) the model is able to reproduce the observed relationship between cyclones and precipitation extremes and (ii) this relationship is projected to change in a warmer future climate.

Datengrundlage: 

Vorkenntnisse: an interest in climate change and extreme precipitation 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 (R, python) that will be used for data analysis can be helpful

Literature:

• 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 and H. Wernli, 2012: Quantifying the relevance of cyclones for precipitation extremes. J. Climate 25, 6770-6780, doi:10.1175/JCLI-D-11-00705.1.

• 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.

• Yettella, V. and J. E. Kay, 2017: How will precipitation change in extratropical cyclones as the planet warms? Insights from a large initial condition climate model ensemble. Clim. Dyn. 49, 1765-1781, doi:10.1007/s00382-016-3410-2.

Percentage of six-hourly precipitation extremes (in 1989-2009) occurring simultaneously with a cyclone, Bildquelle: Pfahl and Wernli, 2012