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AG Wetter- und Klimaprozesse

Kinematic vorticity and the size of cyclones

Betreuer: Stephan Pfahl, Lisa Schielicke, Edgar Dolores-Tesillos

Beschreibung: Extratropical cyclones are the precursor of most of the weather at mid-latitude. Model projections have shown storm structural and intensity changes. Changes in storm size could strongly impact society. However, the uncertainties about structural changes, such as cyclone size broadening, are still considerable. Here, an extratropical cyclone tracks-dataset from the CESM-LE model will be analysed in the present-day and future climate. The kinematic vorticity number (Wk-method) will be applied to the identified storms to determinate the cyclone extension on average at different pressure levels. Finally, the cyclone size response as the climate warms will be investigated. Prerequisites for this project are an interest in climate change, atmospheric dynamics and willingness to communicate time-to-time in English, as one of the supervisors does not speak German properly. The thesis may still be written in German. First experience with a scripting language (Matlab, Python, etc.) that will be used for the data analysis can be helpful but may also be obtained along with the thesis.

Literatur:

  • Catto, J. L., Ackerley, D., Booth, J. F., Champion, A. J., Colle, B. A., Pfahl, S., ... & Seiler, C. (2019). The future of midlatitude cyclones. Current Climate Change Reports, 5(4), 407-420.

  • 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.

  • Schielicke, L., Névir, P., & Ulbrich, U. (2016). Kinematic vorticity number–a tool for estimating vortex sizes and circulations. Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, 68(1), 29464.

Feuchte in der Atmosphäre

Betreuer: 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). Voraussetzungen für diese Arbeit sind 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.
Blockierende Hochdruckgebiete in einem wärmeren Klima

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdruckgebiete sind ein wichtiger Bestandteil der atmosphärischen Zirkulation in den mittleren Breiten und können zur Entstehung verschiedener Wetterextreme beitragen (siehe z.B. Pfahl und Wernli, 2012). Zukünftige Änderungen in der Häufigkeit solcher Blockierungen könnten weitreichende Konsequenzen nach sich ziehen, allerdings besteht zu Zeit noch kein Konsens zum Ausmaß solcher möglichen Änderungen. Das liegt zum Teil daran, dass unterschiedliche Definitionen und Indizes zur Identifikation der blockierenden Wetterlagen zu unterschiedlichen Ergebnissen in Modellprojektionen führen (siehe Abbildung). In dieser Arbeit sollen Klimasimulationen analysiert werden, um projizierte zukünftige Änderungen in der Häufigkeit von blockierenden Hochdruckgebieten besser zu verstehen. Dazu werden zwei verschiedene Indizes (die zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen) in direkten Bezug zueinander gesetzt. Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an atmosphärischer Dynamik und Klimasimulationen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

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.
  • 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.
Atmosphärische Dynamik 100-jähriger Niederschlagsereignisse

Betreuer: Florian Ruff, Stephan Pfahl

Beschreibung: Starke und großflächige Niederschlagsereignisse führen häufig zu Überflutungen und bedrohen große Teile der Gesellschaft und der Wirtschaft. Klimasimulationen zeigen, dass die stärksten Niederschläge in einem wärmeren Klima häufiger und in höherer Intensität auftreten. Eine Analyse der dynamischen Prozesse in der Atmosphäre, die zum Auftreten eines solchen z. B. 100-jährigen Ereignisses führen, sind somit ein wichtiger Schritt, um diese Ereignisse besser zu verstehen und möglicherweise besser vorhersagen zu können, insbesondere da solche Ereignisse bisher noch nicht in solch einer Art betrachtet wurden. Beobachtungszeitreihen sind für eine robuste Analyse von 100-jährigen Niederschlagsereignissen allerdings zu kurz. Hier wird deshalb ein Ansatz verwendet, mit dem ein großer Datensatz an Ereignissen aus Ensemblevorhersagen erstellt wird. Für die Analyse in dieser Arbeit können entweder Ereignisse aus unterschiedlichen globalen Regionen (z. B. Europa, Südamerika) oder regionale Ereignisse unterschiedlicher Intensität (z. B. 20-jähriges Ereignis) sowie ein Vergleich mit einem Ereignis aus realen Beobachtungen (z. B. HYRAS) betrachtet werden. Für die ausgewählten Ereignisse werden meteorologische Parameter zur Analyse der Synoptik und atmosphärischen Dynamik betrachtet. Für diese Arbeit ist das Interesse an atmosphärischen Prozessen sehr nützlich. Außerdem sind erste Erfahrungen mit einer Skriptsprache (R, Python, etc.) für die Analyse der Daten hilfreich, diese können aber auch während der Arbeit erworben werden.

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.
  • Pfahl, S. and H. Wernli, 2012. Quantifying the relevance of cyclones for precipitation extremes. J. Climate 25, 6770-6780.
Convective organization over Germany

Betreuer: George Pacey, Lisa Schielicke, Stephan Pfahl

Beschreibung: Every year, convective hazards (e.g., hail, rain and strong winds) are responsible for large financial loss and some fatalities across Germany. Strong events can cause damage totals of up to EUR 1 billion like the severe hailstorm in south-west Germany in July 2013 (Kunz et al. 2018). The storms on this day were initially triggered by a convergence zone ahead of a cold front. Alongside environmental information, forecasters use the convective organisational mode as seen on radar data to assess the likelihood of certain hazards. In this project, you will analyse the convective organisation from radar data for selected case studies where convection initiated in proximity to a front. The convective organisation will be analysed at different locations relative to the front: ahead of the front, at the front and behind the front. You will also have the opportunity to use data from the European Severe Weather Database (ESWD) to identify the convective organisation associated with severe weather reports. Prerequisites for this project are an interest in atmospheric convection and analysing radar data. Experience with a scripting language (e.g., Python) is desirable but not essential. The student should be willing to communicate in English as one of the supervisors is not a native German speaker, however the thesis may still be wrote in German.

Literatur:

  • Kunz, M., Blahak, U., Handwerker, J., Schmidberger, M., Punge, H.J., Mohr, S., Fluck, E. and Bedka, K.M. (2018), The severe hailstorm in southwest Germany on 28 July 2013: characteristics, impacts and meteorological conditions. Q.J.R. Meteorol. Soc., 144: 231-250.
  • Mulder, K. J., & Schultz, D. M. (2015). Climatology, Storm Morphologies, and Environments of Tornadoes in the British Isles: 1980–2012, Monthly Weather Review, 143(6), 2224-2240.
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.