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Masterarbeitsthemen

Zuletzt aktualisiert am:  18.06.2020

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch
Bei Interesse an einem Masterarbeitsthema in der AG Klimadiagnose und meteorologische Extremeregnisse wendens Sie sich bitte an Herrn Prof. Ulbrich (ulbrich@met.fu-berlin.de).
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).

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 Zusammenhang zwischen Trockenheit und blockierenden Hochdruckgebieten

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

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


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.

Simulierte zukünftige Änderung (für die Periode 2061-2090, Mittel über verschiedene Modelle) in der Blocking-Häufigkeit im Winter basierend auf zwei unterschiedlichen Indizes. Blaue Farben kennzeichnen eine Abnahme, rote Farben eine Zunahme der Häufigkeit. Aus Woollings et al. (2018).



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).

Prüfung der Eignung einer neuen hochaufgelösten Reanalyse für Verwendung in der Ausbreitungsrechnung

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Frank Kreienkamp (DWD)

Beschreibung: Für eine Immissionsprognose im Rahmen einer Ausbreitungsrechnung nach der TA Luft wird eine Übertragbarkeitsprüfung meteorologischer Daten benötigt. Hierbei wird geprüft welche naheliegende meteorologische Station für den zu untersuchenden Ort übertragbar /repräsentativ ist. Dieses erfolgt entsprechender der VDI-Richtlinie 3783 Blatt 20 (Stand: März 2017). Alternativ zu Stationsdaten können auch die Ergebnisse von Reanalyse-Simulationen, von geostatistischen-Verfahren oder synthetische Zeitreihen genutzt werden. In diesem Rahmen stellen sind folgende Forschungsfragen: Sind alle Datengrundlagen gleichwertig nutzbar? Gibt es eine regional unterschiedliche Nutzbarkeit? Wenn ja, warum? Sind Model-Output-Statistik Methoden in der Lage die möglichen vorhandenen systematischen Abweichungen zu korrigieren? Wenn ja, wie? Für verschiedene Datensätze (s.u.) soll ein systematischer Vergleich für die mittlere Verteilung der Windrichtung und die Verteilung der Windgeschwindigkeiten (incl. Schwachwind) angestellt werden.

Grundlagen: Stationsdaten und Ergebnisse von Reanalyse-Simulationen (COSMO-HERTZ-Reanalyse 2.8 und 6 km), geostatistischen-Verfahren.

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R, CDO, Unix/Linux und Freude an statistischer Auswertung.


Windmessung in der atmosphärischen Grenzschicht mittels UAV

Betreuung: Jens Grieger, Henning Rust

Beschreibung: In dieser Arbeit sollen die Möglichkeiten der Windmessung in der Grenzschicht mittels eines unbemannten Fluggerätes (UAV, Drohne) ausgelotet werden.  Hierzu gibt es zwei Ansatzpunkte: a) der Versatz des UAVs durch den horizontalen Wind wird mittels GPS registriert und darüber wird auf den Wind geschlossen; b) das UAV wird über einen festen Punkt auf dem Boden gehalten und über die intensität der automatischen Positionskorrektur soll auf den Wind geschlossen werden. Die Qualität der Messung wird über einen Vergleich des 100m Masts in Falkenberg bewertet. Eine oder beide Möglichkeiten der horizontalen Windmessung sollen in dieser Arbeit untersucht werden um Advektionsphänomene in der Grenzschicht zu studieren.

Grundlagen: UAV mit automatischer Positionskorrektur, ggf. offenen Hardware um die Intensität der Positinskorrektur auszulesen. Daten des 100m Masts in Falkenberg.

Voraussetzung: Kenntnisse in R und/oder Python, Unix/Linux und Freude an statistischer Auswertung und Spaß am Basteln und Fliegen des UAVs.


Messung meteorologischer Parameter in der Grenzschicht mit UAV

Betreuung: Jens Grieger, Henning Rust

Beschreibung: In dieser Arbeit sollen die Möglichkeiten der Messung verschiedener atmosphärischer Parameter in der Grenzschicht mittels UAV ausgelotet werden, wie beispielsweise Temperatur, Feuchte und Druck. Als Vergleich für die Messungen sollen die UAV Flüge u.a. unmittelbar vor und nach Radiosondenaufstiegen in Lindenberg durchgeführt werden. Teil der Arbeit ist auch die Konfiguration der Messplattform bestehend aus verschiedenen Sensortypen und einem Einplatinenkomputer. Lässt sich mittels eines solchen Messaufbaus die Stabilität der Grenzschicht analysieren?

Grundlage: UAV mit automatischer Positionskorrektur und Sensoren sowie Einplatinencomputer für die Messung und Registrierung von Daten. Daten des 100m Masts in Falkenberg und Radiosondenaufstiege von Lindenberg.

Voraussetzung: Kenntnisse in R und/oder Python, Unix/Linux und Freude an statistischer Auswertung und Spaß am Basteln mit Einplatinencomputern (Raspberry Pi) und Fliegen des UAVs.


Identifizierung und Verfolgung konvektiver Strukturen in Reanalysedaten mit Hilfe visueller Datenanalyse Beschreibung

Betreuung: Dr. Annette Müller, Prof. Dr. Henning Rust

Beschreibung: siehe AG Theoretische Meteorologie


Variabilität in der Andauer von Wetterlagen

Betreuung: Henning Rust, Ko-Betreut vom DWD

Beschreibung: In Zusammenarbeit mit dem DWD soll die Frage erörtert werden, ob sich die Andauer gewisser Wetterlagen in den letzten Jahrzenten geändert hat. Diese Wetterlagen werden entweder aus Reanalysedaten identifiziert und/oder es wird auf vorliegende Datensätze zu den Wetterlagen zurückgegriffen. Die Modellierung der Andauern soll mit verallgemeinerten linearen Modellen erfolgen.

Grundlagen: Reanalysedatensatz und Algorithmus zur Identifikation von Wetterlagen, alternativ ein Datensatz mit identifizierte Wetterlagen. Verallgemeinerte lineare Modelle (GLM) zur Modellierung der Andauern.

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R und/oder Python, Unix/Linux und Freude an statistischer Modellierung.


Detektion von ColdPools mittels Temperatur- und Druckgradienten

Betreuung: Henning Rust, Martin Göber

Beschreibung: Bei Gewittern führt der fallende Niederschlag zu einer Abkühlung von Luft, die sich am Boden sammelt. Diese sogenannten Cold-Pools sind aus Simulationen bekannt und sollen im Rahmen der Messkampagne FESSTVaL 220 erstmal gemessen werden. Dazu gibt es etwa 250 Geräte in der Nähe von Lindenberg die Temperatur und Druck messen. Aus diesen vielen Stationen soll mittels räumlicher Statistik ein Temperatur- und Druckfeld geschätzt werden und Cold Pools, sowie deren Entstehung visualisiert werden. Zur Vorbereitung der Messkampagne soll anhand von Pseudomessungen aus Simlationen optimale Aufstellorte der Stationen ermittelt werden.

Grundlagen: Es existieren Hochaufgelöste Simulationen von Cold Pools. Räumliche statistische Modellierung basierend auf Gaußschen Prozessen (Kriging).

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R und/oder Python, Unix/Linux und Freude an statistischer Modellierung.


Statistische Modellierung von Sturmschäden in deutschen Landkreisena

Betreuung: Henning Rust, Nico Becker

Projektanbindung: WEXICOM

Beschreibung: In einem bereits existierenden probabilistischen Sturmschadenmodell (Pardowitz et al. 2016) werden Schadensätze (versicherter Schaden / versicherte Werte) in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit betrachtet. Eine weitere Größe zur Beschreibung von Sturmschäden ist die Schadenhäufigkeit (Anzahl betroffener Verträge / Gesamtzahl der Verträge), die allerdings bisher nicht genauer untersucht wurde. Im ersten Schritt dieser Arbeit wird der Zusammenhang zwischen Schadensatz und Schadenhäufigkeit untersuch. Im zweiten Schritt wird ein statistisches Modell für Schadenhäufigkeiten in deutschen Landkreisen entwickelt.

Grundlagen: Versicherungsdaten von Gesamtverband Deutscher Versicherungsunternehmen, Reanalysen, ECMWF-Ensemblevorhersagen.

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R und Freude an statistischer Auswertung.



Statistische Modellierung von Verkehrsunfällen in deutschen Landkreisena

Betreuung: Henning Rust, Nico Becker

Projektanbindung: WEXICOM

Beschreibung: In einem bereits existierenden statistischen Modell für Wahrscheinlickeiten wetterbedingter Verkehrsunfälle werden Unfalldaten aus Polizeiberichten mit verschiedenen Wetterparametern (Niederschlag und Temperatur) in Verbindung gebracht. Ein wichtiger Parameter zur Beschreibung der Unfallhäufigkeit, die Verkehrsdichte, wird auf Grund von unzureichender Datenverfügbarkeit bisher nicht mit berücksichtigt. Ziel dieser Arbeit ist es, für ausgewählte Landkreise verfügbare Verkehrsmessungen in das Unfallmodell zu integrieren. In einem zweiten Schritt soll gestestet werden, ob das Hinzufügen weiterer Wetterparameter (z.B. Wind, blendende Sonne,...) zu einer Verbesserung des Modells führt.

Grundlagen: Polizeiberichte zu schweren Verkehrsunfällen in Deutschland, Reanalysen, Radar-Produkte.

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R und Freude an statistischer Auswertung.



Attribution of discharge trends in the Rhine basin over the past decades to anthropogenic climate changes using a weather generator and hydrological modelling.

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Dr. Sergiy Vorogushyn (GFZ Potsdam) 

Beschreibung: The aim of the Master Thesis project is to carry out the attribution analysis of past changes in flood flows in the Rhine basin. The work will build upon the previous works of Murawski et al. (2016), who developed an optimal weather pattern classification with focus on the Rhine basin. They additionally compiled a set of General Circulation Models (GCM) representing the state of the atmosphere with and without anthropogenic greenhouse gas emission. Further, Murawski et al. (2018) investigated to which degree the changes between weather patterns (between-type variability) and within weather patterns (within-type variability) can explain observed trends in climate variables at weather stations in the Rhine basin. This analysis is the prerequisite of using the proposed weather pattern classification for conditioning of a multi-site, multi-variable weather generator (Hundecha et al., 2009). 

Grundlagen: Two sets of daily output discharge series (resulting from the anthropogenically influenced and natural climate) will be analysed for their statistical properties. Finally, the uncertainty associated with attribution statement regarding the anthropogenic impact on flood flows will be assessed.

Vorraussetzungen: Basic knowledge of meteorology/climatology as well as understanding of principal hydrological flood processes and of hydrological modelling. Strong statistical and programming skills (FORTRAN, R/MATLAB) are expected. We encourage a master thesis written in English with potential further publication of results in a scientific journal (not part of the master project).

Analyse der langfristige Entwicklung der Steigerung von Schadstoffkonzentrationen in europäischen Städten

Betereuer: Prof. Tim Butler

Beschreibung: Laut Emissionskataster der Europäischen Union sinken Emissionen von Luftschadstoffen, darunter NOx(Stickoxide). Messungen von NO2 innerhalb Berlin und anderen europäischen Städten zeigen aber oft keine entsprechende Senkung der Konzentrationen. Messungen werden am Straßenrand, im sogenannten urbanen Hintergrund, und auch in ländlichen Gebieten regelmäßig durchgeführt. Durch Analyse der Verhältnisse zwischen ländlich/urban und urban/Straße Messungen von verschiedenen Schadstoffen, kann eine Schätzung der langfristigen Emissionen gemacht werden.

Datengrundlage: Messungen aus der Luftdatenbank „Airbase“ sind vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (z.B. R, Python, Perl).


Entwicklung eines Schadstoffemissionsmodell auf Basis meteorologischer Daten

Betereuer: Prof. Martijn Schaap oder Prof. Tim Butler

Beschreibung: Die Variabilität von Schadstoffkonzentrationen wird bedingt durch Emissionsstarke und meteorologischen Bedingungen. Leider wird in die Vorhersage der Luftqualität der Einfluss meteorologischer Parameter auf Emissionen oft vernachlässigt. Das Ziel dieser Arbeit ist Parametrisierungen zu Entwickeln für Quellen die stark durch die Wetterbedingungen geprägt werden. Relevante Quellen und Komponente sind Streusalz, Aufwirbelung, VOC emissionen, agrarisch bedingte Staubemissionen, unz.

Datengrundlage: Ein Emissionsmodell das als Basis dient ist vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Programmiersprache oder Skriptsprache (z.B. Fortran, Python, Perl).


Entwicklung eines Emissionsmodell für natürliche Schwefelkomponente

Betereuer: Prof. Martijn Schaap

Beschreibung: Die Variabilität von Schadstoffkonzentrationen wird bedingt durch Emissionsstarke und meteorologischen Bedingungen. Leider wird in die Vorhersage der Luftqualität der Einfluss meteorologischer Parameter auf Emissionen oft vernachlässigt. Das Ziel dieser Arbeit ist eine neue Parametrisierung für marine DMS Emissionen an zu wenden in LOTOS-EUROS. Dazu sollte ein Emissionsmodul entwickelt werden auf Basis der Literatur.

Datengrundlage: Ein Emissionsmodell das als Basis dient ist vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Programmiersprache oder Skriptsprache (z.B. Fortran, Python, Perl).


Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Betereuer: Prof. Tim Butler (tim.butler@iass-potsdam.de) oder Prof. Martijn Schaap (martijn.schaap@met.fu-berlin.de)

Beschreibung: Analyse von Luftqualitätsdaten aus Beobachtungen und/oder Modellrechnungen; Modellanwendung; Modellentwicklung und Testen .

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität. Gute Erfahrung mit mehreren Programmiersprachen.

Bemerkung: Hoch motiviert sein sowie wissenschaftliche Neugier und Interesse am Verständnis von Prozessen der Luftqualität.

Identifizierung und Verfolgung konvektiver Strukturen in Reanalysedaten mit Hilfe visueller Datenanalyse Beschreibung

Betreuung: Dr. Annette Müller, Prof. Dr. Henning Rust

Beschreibung: Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe der COSMO-REA2 Daten konvektive Bewegungen zu identifizeren und zu tracken. Als Variable soll dabei der vertikalen Massefluss dienen. Mittelse der 3D Visualisierungssoftware AMIRA und in Zusammenarbeit mit dem Zuse-Institut Berlin sollen Bereiche konvektiver Aktivität identifiziert und verfolgt werden. Die Eigenschaften der so identifizierten Ereignisse werden registriert und mittels statistischer Modelle weiter untersucht.

Grundlagen: Bereitstellung der COSMO-REA2 Daten, AMIRA-Software

Voraussetzungen: Kenntnisse in Python und/oder R und Statistik, Freude am Einarbeiten in 3D Analyse-tools und die Software AMIRA

Detektion von ColdPools mittels Temperatur- und Druckgradienten

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Dr. Martin Güber

Beschreibung: siehe AG Statistische Meteorologie


Statistische Modellierung von Sturmschäden in deutschen Landkreisena

Betreuung: Henning Rust, Nico Becker

Beschreibung:siehe AG Statistische Meteorologie


Statistische Modellierung von Verkehrsunfällen in deutschen Landkreisena

Betreuung: Henning Rust, Nico Becker

Beschreibung:siehe AG Statistische Meteorologie

Neuronale Netze in der Erdsystem-Modellierung

Betreuer: C. Irrgang, J. Saynisch, M. Thomas

Beschreibung:  Aufgrund mangelnder räumlicher, zeitlicher oder physikalischer Auflösung  können numerische Erdsystem-Modelle die Wirklichkeit stets nur mit  begrenzter Genauigkeit abbilden. Künstliche neuronale Netzwerke  können in diesem Zusammenhang als Zusatz-Modelle dienen, um etwa  nicht berücksichtigte physikalische Prozesse zu kompensieren. Das Ziel  dieser Masterarbeit ist es, die Möglichkeiten dieser Methoden zu  untersuchen. Dafür soll ein künstliches neuronales Netzwerk entworfen  und anhand verschiedener Modelldaten unserer Arbeitsgruppe trainiert  werden. Ziel ist es, fehlende Modellphysik zu erkennen und zu rekonstruieren.

Voraussetzungen:  Interesse und Spaß beim Untersuchen und Interpretieren simulierter  Daten aus verschiedenen Erdsystem-Modellen

Von Vorteil:  Kenntnisse in statistischen Skript- und Programmiersprachen (R, Python, ...) Grundwissen über künstliche neuronale Netzwerke


Attribution of discharge trends in the Rhine basin over the past decades to anthropogenic climate changes using a weather generator and hydrological modelling.

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Dr. Sergiy Vorogushyn (GFZ Potsdam) 

Beschreibung: The aim of the Master Thesis project is to carry out the attribution analysis of past changes in flood flows in the Rhine basin. The work will build upon the previous works of Murawski et al. (2016), who developed an optimal weather pattern classification with focus on the Rhine basin. They additionally compiled a set of General Circulation Models (GCM) representing the state of the atmosphere with and without anthropogenic greenhouse gas emission. Further, Murawski et al. (2018) investigated to which degree the changes between weather patterns (between-type variability) and within weather patterns (within-type variability) can explain observed trends in climate variables at weather stations in the Rhine basin. This analysis is the prerequisite of using the proposed weather pattern classification for conditioning of a multi-site, multi-variable weather generator (Hundecha et al., 2009). 

Grundlagen: Two sets of daily output discharge series (resulting from the anthropogenically influenced and natural climate) will be analysed for their statistical properties. Finally, the uncertainty associated with attribution statement regarding the anthropogenic impact on flood flows will be assessed.

Vorraussetzungen: Basic knowledge of meteorology/climatology as well as understanding of principal hydrological flood processes and of hydrological modelling. Strong statistical and programming skills (FORTRAN, R/MATLAB) are expected. We encourage a master thesis written in English with potential further publication of results in a scientific journal (not part of the master project).



Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch
Bei Interesse an einem Masterarbeitsthema am GFZ wendens Sie sich bitte an Herrn Prof. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)
Windböen am 99m-Mast in Falkenberg

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

Beschreibung: Untersucht werden sollen das Auftreten und das Zeitverhalten von Windböen in verschiedenen Höhen (2.4 m, 50 m, 90 m) auf der Basis von hoch aufgelösten Turbulenzmessungen mit Ultraschallanemometern auf dem GM Falkenberg. Betrachtet werden sollen verschiedene typische meteorologische Situationen. Die Ergebnisse „klassischer“ Windmessungen mittels Schalenstern-Anemometern sollen vergleichend betrachtet werden. Sie sollen auch zur Auswahl geeigneter Fälle genutzt werden

Grundlagen: Datengrundlage sind Messungen mit Ultraschall-Anemometern in 10Hz-Auflösung über einen Zeitraum von einem Jahr, sowie Windprofilmessungen mittels Schalenstern-Anemometern in 10-min Auflösung (Mittelwert, Standardabweichung, Maximalwert)

Voraussetzungen: Programmierkenntnisse / Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Bearbeitung größerer Datenmengen


Charakterisierung der Nahfeldeigenschaften der im DWD-Messnetz eingesetzten Ceilometer

Betreuer: Dr. Ulrich Görsdorf (MOL-RAO, DWD – Sachgebiet „Fernmessung“) / Dr. Ina Mattis (MOHp, DWD), Zweitbetreuer NN (FUB)

Beschreibung: Ceilometer werden im meteorologischen Messnetz des DWD zur Ableitung  der Wolkenbasis und  von Aerosolprofilen eingesetzt. Die Güte dieser atmosphärischen Messgrößen hängt unter anderem  von den Nahfeldeigenschaften der Ceilometer ab. Durch statistische Analyse der von Ceilometern gemessenen Aerosolprofile an Strahlungstagen sind die Nahfeldeigenschaften von Ceilometern und  deren Variabilität zu charakterisieren.

Grundlagen: Datengrundlage sind die im NetCDF-Format vorliegenden Messungen der im DWD-Netz eingesetzten Ceilometer. Die Methode zur Bestimmung der Nahfeldeigenschaften ist in Hervo et al: An empirical method to correct for temperature-dependent variations in the overlap function of CHM15k ceilometers (www.atmos-meas-tech.net/9/2947/2016/) beschrieben.

Voraussetzungen: Programmierkenntnisse / Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Bearbeitung größerer Datenmengen


Modellierung der langwelligen Gegenstrahlung für ausgewählte Standorte in Deutschland

Betreuer: Dr. Stefan Wacker (MOL-RAO, DWD – Sachgebiet „Strahlungsprozesse“), Zweitbetreuer: N.N.  (FU Berlin)

Beschreibung: Die langwellige atmosphärische Gegenstrahlung steht in direkter Beziehung zum Treibhauseffekt und stellt eine bedeutende Grösse im Strahlungshaushalt dar, deren genaue Kenntnis  somit von enormer Wichtigkeit ist und zwar sowohl in der Meteorologie als auch in der Klimaforschung und den damit verbunden Anwendungen. Aufgrund der limitierten Anzahl von direkten Bodenmessungen der Gegenstrahlung und den Unsicherheiten in ihrer Bestimmung aus Satellitendaten, kommt der Modellierung eine besondere Bedeutung zu. In Prinzip kann die Gegenstrahlung mit Hilfe von Strahlungstransfermodellen innerhalb der Messunsicherheit von ca. 5 Wm-2  berechnet werden, vorausgesetzt die vertikalen Temperatur- und Wasserdampfprofile, sowie die vertikalen Profile von Kohlendioxid, Ozon, Aerosolen und weiterer aktiver Spurengase sind bekannt. Da dies weltweit nur an ganz wenigen Standorten der Fall ist, wird bei  nicht Vorhandensein dieser Profilmessungen die Gegenstrahlung mit Hilfe von so genannten Parametrisierungen modelliert, welche zur Berechnung der Gegenstrahlung routinemäßig gemessene Variablen wie die Lufttemperatur und Feuchte verwenden.   In dieser  Masterarbeit sollen für gut zehn Standorte in Deutschland bestehende Parametrisierungen optimiert werden, so dass die langwellige Gegenstrahlung an diesen Standorten möglichst innerhalb der Messunsicherheit modelliert werden kann. Die Optimierung und die Validierung der Parametrisierung erfolgt mit Hilfe von präzisen Messungen aus dem Bodenmessnetz des DWD.  Die Berechnungen sollen dann einerseits dazu dienen, den Strahlungseffekt der Wolken zu erfassen, anderseits sollen die Modelle wiederum Anwendung in der Qualitätssicherung der Messungen finden.

Grundlagen & Voraussetzungen: Grundkenntnisse in Strahlung und Strahlungstransfer; Grundkenntnisse in Programmierungssprachen (Python, IDL, R oder Matlab)


Fernerkundung der Ozonsäule mithilfe spektraler Messungen der UV-Strahlung mit einem Array Spektroradiometer

Betreuer: Dr. Lionel Doppler (MOL-RAO, DWD – Sachgebiet „Strahlungsprozesse“), NN (FUB)

Beschreibung:

Am Observatorium Lindenberg wird seit mehr als 30 Jahren die Ozonsäule mit dem Instrument Brewer gemessen. Der Brewer ist ein Spektrometer mit einem Monochromator, das sowohl die spektrale Bestrahlungsstärke in der direkten Sonnenrichtung („Direct“) als auch die spektrale Bestrahlungsstärke „Global“ (= Summe der direkten und diffusen Abwärtsflüsse) misst. Die Messmethode mit dem Brewer ist weltweit als Referenz anerkannt. Sie benutzt aber eine alte Technologie, die langsam und wartungstechnisch aufwendig ist. 

Seit Mitte 2019 hat das Observatorium Lindenberg zwei Array-Spektroradiometer BTS 2048 von der Firma Gigahertz-Optik in Betrieb. Diese moderne Technik erlaubt schnelle und präzise Messungen der spektralen Bestrahlungsstärke im UV Spektralbereich mit einem kompakten Gerät, das mit moderner Software betrieben wird. Ein Array-Spektroradiometer führt „Direct“ Messungen der spektralen Bestrahlungsstärke im UV durch, während das zweite Gerät die spektrale UV-Globalstrahlung erfasst.

Das Ziel der Masterarbeit ist die Entwicklung eines Algorithmus zur Ableitung der Ozonsäule aus den „Direct“ Messungen des Array Spectroradiometers. Der Algorithmus soll durch einen Vergleich mit den Brewer-Messungen der Ozonsäule validiert werden. Zusätzlich sollen die Messungen des UV-Spektrums „Global“ des zweiten Array Spektroradiometers mit Hilfe der Ozonsäule und zusätzlichen Messparametern (Wolken, Aerosol, Bodendruck) interpretiert werden.

Grundlagen & Voraussetzungen: Grundkenntnisse in Programmierungssprachen (Python, IDL, R oder Fortran), Lust auf Programmierung zu haben, Motivation neue Programmierungstechniken/Sprachen zu lernen, Grundkenntnisse in Strahlung, Aerosol und atmosphärische Komposition, Grundkenntnisse in Fernerkundung.





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