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Masterarbeitsthemen

Zuletzt aktualisiert am:  07.10.2020

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.

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

Auswirkungen einer neuen Quelle von CFC-11 und eines zukünftigen Grand Solar Minimums auf die Erholung der Ozonschicht

Betreuer: Prof. Ulrike Langematz, Dr. Tobias Spiegl

Beschreibung:

Das Montrealer Protokoll zum Schutz der Ozonschicht trat zum 1. Januar 1989 in Kraft. Seither wurde das Übereinkommen sukzessive überarbeitet und regelt heute den schrittweisen Bann von nahezu 100 anthropogen verursachten ozonzerstörenden Substanzen. Das Montrealer Protokoll gilt dabei als multilateraler Meilenstein, wurde es doch von sämtlichen Mitgliedsstaaten der Vereinten Nationen bestätigt. Ein besonders hohes Ozonabbaupotential weist der Fluorchlorkohlenstoff CFC-11 auf, weshalb ein weltweiter Verzicht auf die Substanz zum Jahr 2000 auf der Londoner Konferenz (1990) beschlossen wurde (WMO 2018).

2018 konnten Montzka et al. zeigen, dass der Abbau von CFC-11 in der Atmosphäre langsamer abläuft als dies unter einer vollen Berücksichtigung des Montrealer Protokolls zu erwarten wäre. Der Grund für diese verzögerte Entwicklung liegt in einer neuen Quelle von CFC-11. Auf Basis der Untersuchungen von Rigby et al. (2019) konnte die Quelle dieser neuen Emissionen innerhalb des Nordostens von China (Provinz Hubei) verortet werden. Die Wiederaufnahme der Produktion von CFC-11 stellt einen Verstoß gegen das Montrealer Protokoll dar. Werden die zusätzlichen Emissionen im Rahmen von Simulationen mit Klima-Chemie-Modellen berücksichtigt, ergibt sich in Abhängigkeit vom zugrundeliegenden Projektionsszenario eine verspätete Erholung des Totalozons von wenigen Jahren bis zu mehr als einem Jahrzehnt (u.a. Dhomse et al.,2019; Fleming et al., 2020; Keeble et al., 2020).

Neben einer vom Menschen verursachten Verschleppung der Erholung der Ozonschicht können auch natürliche Einflussfaktoren zu einer verzögerten Entwicklung beitragen. Ein solcher Faktor ist eine mögliche Rückkehr der Sonnenaktivität zu einem Grand Solar Minimum (GSM) innerhalb der nächsten Jahrzehnte. Ein GSM geht mit einer deutlichen Abschwächung der solaren Strahlkraft einher und kann zu einer Überprägung des anthropogenen Klimawandels in der Troposphäre und der mittleren Atmosphäre beitragen (u.a. Spiegl und Langematz, 2020). Je nach Intensität des angenommenen GSM, zeigt sich aufgrund der geringeren Einstrahlung im UV-Bereich des solaren Spektrums, eine breitengradabhängige Verzögerung der Totalozonerholung um mehrere Jahrzehnte (Anet et al., 2013; Spiegl, 2017).

Während der individuelle Einfluss (zusätzliches CFC-11 oder ein zukünftiges GSM) auf das Timing der zukünftigen Ozonerholung bereits im Modell untersucht wurde, steht eine Kombination der beiden Effekte noch aus. Ziel der Masterarbeit ist somit die (angeleitete) Durchführung geeigneter Simulationen mit dem Klima-Chemie-Modell EMAC (u.a. Jöckel et al., 2010) für den Projektionszeitraum 2020 bis 2100.

Aufgaben:

•    Entwicklung geeigneter Zukunftsszenarien in Bezug auf zusätzliche CFC-11 Emissionen (insbesondere Auswertung der verfügbaren Literatur).

•    Durchführung und Verwaltung von EMAC-Simulationen (Postprocessing) nach ausführlicher Einweisung.

•    Analyse der Rückkehrjahre zu den Werten des Totalozons von 1960 und Quantifizierung der individuellen Einflussfaktoren CFC-11 vs. GSM (einzeln und kombiniert).

Voraussetzungen:

Interesse an der Ozonschicht und der Dynamik der mittleren Atmosphäre sowie der Auswertung und Durchführung von Klimamodellsimulationen. Für die Auswertung der Modellsimulationen sind Grundkenntnisse in R, Python notwendig sowie für die Durchführung eigener Simulationen Grundlagen in Fortran von Vorteil.

Einführende Literatur:

Anet, J. G., Rozanov, E. V., Muthers, S., Peter, T., Brönnimann, S., Arfeuille, F., ... & Schmutz, W. K. (2013), Impact of a potential 21st century “grand solar minimum” on surface temperatures and stratospheric ozone. Geophysical Research Letters, 40(16), 4420-4425.

Dhomse, S. S., et al. (2019), Delay in recovery of the Antarctic ozone hole from unexpected CFC-11 emissions. Nature communications 10.1 (2019): 1-12.

Fleming, E. L., Newman, P. A., Liang, Q., & Daniel, J. S. (2020), The Impact of Continuing CFC‐11 Emissions on Stratospheric Ozone. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125(3), e2019JD031849.

Jöckel, P., Kerkweg, A., Pozzer, A., Sander, R., Tost, H., Riede, H., ... & Kern, B. (2010), Development cycle 2 of the modular earth submodel system (MESSy2). Geoscientific Model Development, 3, 717-752.

Keeble, J., Abraham, N. L., Archibald, A. T., Chipperfield, M. P., Dhomse, S., Griffiths, P. T., & Pyle, J. A. (2020), Modelling the potential impacts of the recent, unexpected increase in CFC-11 emissions on total column ozone recovery. Atmospheric Chemistry and Physics, 20(12), 7153-7166.

Montzka, S. A., Dutton, G. S., Yu, P., Ray, E., Portmann, R. W., Daniel, J. S., ... & Nance, J. D. (2018), An unexpected and persistent increase in global emissions of ozone-depleting CFC-11. Nature, 557(7705), 413-417.

Rigby, M., Park, S., Saito, T., Western, L. M., Redington, A. L., Fang, X., ... & Fraser, P. J. (2019), Increase in CFC-11 emissions from eastern China based on atmospheric observations. Nature, 569(7757), 546-550.

Spiegl, T., & Langematz, U. (2020), Twenty-First-Century Climate Change Hot Spots in the Light of a Weakening Sun. Journal of Climate, 33(9), 3431-3447.

Spiegl, T. C. (2017), Die Auswirkungen eines potentiellen Grand Solar Minimum auf das Klimasystem vor dem Hintergrund des anthropogenen Klimawandels (Dissertation).

WMO (World Meteorological Organization) (2018), Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2018, Global Ozone Research and Monitoring Project–Report No. 58, 588 pp., Geneva, Switzerland.

 

 

Einfluss der QBO und des 11-jährigen Sonnenzyklus auf die Madden-Julian-Oscillation (MJO) in der tropischen Troposphäre

Betreuer: Prof. Ulrike Langematz, Dr. Markus Kunze

Beschreibung:

Die Madden-Julian-Oscillation ist die dominierende Komponente der intrasaisonalen Variabilität in der tropischen Troposphäre (u.a. Wunderlich, 2016). Es handelt sich dabei um eine nach Osten wandernde Kelvinwelle der Wellenzahl 1-2 mit einer Periode von 50-70 Tagen. Die MJO wird insbesondere über dem Indischen Ozean, dem maritimen Kontinent und dem tropischen Pazifik sichtbar, wo bei aktiver MJO benachbarte großräumige Gebiete mit starker konvektiver Aktivität im Wechsel mit wolkenfreien Regionen nach Osten wandern. Es ist bekannt, dass die troposphärische MJO die Intensität der stratosphärischen Polarwirbels im Nordwinter beeinflussen kann (Garfinkel et al., 2012).

Neuere Studien postulieren nun einen alternativen, nach unten gerichteten Zweig der Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre: Analysen von Beobachtungsdaten legen die Vermutung nahe, dass die Intensität der MJO durch die Stratosphäre moduliert wird. Demnach ist die MJO stärker, wenn sich die stratosphärische Quasi-Biennial Oscillation (QBO) in ihrer Ostphase und der 11-jährige Sonnenzyklus im Minimum befinden (u.a. Yoo et al., 2016; Hood, 2017). Als möglicher Auslöser einer solchen Kopplung zwischen Stratosphäre und Troposphäre wurden Temperaturanomalien in der unteren tropischen Stratosphäre vorgeschlagen, die sich in Abhängigkeit der Phasen von QBO und Sonnenzyklus einstellen und die Intensität der Konvektion in den Tropen modulieren (Kodera et al., 2019). Über eine veränderte Ausbreitung von Rossby-Wellen beeinflusst eine derart modulierte MJO sogar das intrasaisonale Klima bis in die mittleren Breiten (Hood et al, 2020).

In der Masterarbeit soll nun anhand von bereits vorhandenen und noch durchzuführenden Modellsimulationen mit dem EMAC Klima-Chemiemodell (Jöckel et al., 2010) untersucht werden, ob dieser auf Beobachtungen basierende Zusammenhang in einem Modell reproduziert werden kann. Dabei sollen die Einflüsse von QBO und solarer Variabilität auf die MJO in den Tropen separiert und die Mechanismen identifiziert werden.

Methoden und Analysen:

Analyse und Durchführung von Simulationen mit dem EMAC-Klima-Chemiemodell, Identifikation der MJO, Korrelations-, Regressions-, Kompositanalysen, dynamische Analysen (TEM)

Voraussetzungen:

Interesse an der dynamischen Kopplung zwischen Troposphäre und Stratosphäre und der Auswertung und Durchführung von Klimasimulationen. Für die Auswertung der Modellsimulationen sind Grundkenntnisse in R, Python notwendig sowie für die angeleitete Durchführung eigener Simulationen Grundlagen in Fortran von Vorteil.

Einführende Literatur:

Collimore, C. C., D. W. Martin, M. H. Hitchman, A. Huesmann, and D. E. Waliser (2003), On The Relationship between the QBO and Tropical Deep Convection. J. Climate, 16, 2552–2568, https://doi.org/10.1175/1520-0442(2003)016<2552:OTRBTQ>2.0.CO;2.

Garfinkel, C. I., Feldstein, S. B., Waugh, D. W., Yoo, C., and Lee, S. (2012), Observed connection between stratospheric sudden warmings and the Madden‐Julian Oscillation, Geophys. Res. Lett., 39, L18807, doi:10.1029/2012GL053144.

Hood, L. L. (2017), QBO/solar modulation of the boreal winter Madden-Julian oscillation: A prediction for the coming solar minimum, Geophys. Res. Lett., 44, 3849–3857, doi:10.1002/2017GL072832.

Hood, L. L., M. A. Redman, W. L. Johnson, and T. J. Galarneau (2020), Stratospheric Influences on the MJO-Induced Rossby Wave Train: Effects on Intraseasonal Climate. J. Climate, 33, 365–389, https://doi.org/10.1175/JCLI-D-18-0811.1.

Jöckel, P., Kerkweg, A., Pozzer, A., Sander, R., Tost, H., Riede, H., ... & Kern, B. (2010), Development cycle 2 of the modular earth submodel system (MESSy2). Geoscientific Model Development, 3, 717-752.

Kodera, K., Eguchi, N., Ueyama, R., Kuroda, Y., Kobayashi, C., Funatsu, B. M., and Claud, C. (2019), Implication of tropical lower stratospheric cooling in recent trends in tropical circulation and deep convective activity, Atmos. Chem. Phys., 19, 2655–2669, https://doi.org/10.5194/acp-19-2655-2019.

Wunderlich, F. (2016), Darstellung der Madden-Julian Oszillation und deren Einfluss auf die boreale Stratosphäre im Winter durch das Klima-Chemiemodell EMAC-O, Masterarbeit, Freie Universität Berlin.

Yoo, C., and S.-W. Son (2016), Modulation of the boreal wintertime Madden-Julian oscillation by the

stratospheric quasi-biennial oscillation, Geophys. Res. Lett., 43, 1392–1398, doi:10.1002/2016GL067762.

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)
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




Untersuchung von Aerosol-Effekten und Grenzschichtprozessen bei Hochnebel zur verbesserten Hochnebelvorhersage

Betreuer: Dr. L. Doppler (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB)

Beschreibung: Im Rahmen des Projekts Photovoltaikertragsprognose zum besseren Management des Einflusses des atmosphärischen Aerosols auf die Stromnetze in Deutschland und Europa (PermaStrom) soll u.a. mit Hilfe von Fall- und Sensitivitätsstudien der Einfluss der Aerosol-Strahlung- und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen auf die Hochnebelvorhersage analysiert werden. Die Masterarbeit beinhaltet die Auswahl geeigneter Fallstudien, die Aufbereitung und Untersuchung der Beobachtungsdaten von gemesseneren Strahlungsprofilen sowie von bodengebundenen Fernerkundungsverfahren wie Ceilometer, Doppler-Lidar, Differential-Absorption-Lidar (DIAL), Raman-Lidar und Wolkenradar, sowie die Validierung der Experimente und Vorhersagen mit den Beobachtungsdaten.

Grundlagen: Datengrundlage sind die mehrheitlich im NetCDF-Format vorliegenden Messungen der genannten Fernerkundungssysteme und einer Strahlungssonde am Meteorologischen Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium.

Voraussetzungen: Gute Programmierkenntnisse in Python / Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Bearbeitung großer Datenmengen 




Untersuchungen zur Böigkeit des Windes in der konvektiven Grenzschicht

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

Beschreibung: Am MOL-RAO wurden Methoden zur Ableitung von Windböen aus zeitlich hoch aufgelösten Sonic- und Doppler-Lidar-Messungen implementiert. Erste Auswertungen fokussierten sich auf „klassische“ markante Windböen mit Vmax  12.5 m/s und (Vmax-Vmean)  5 m/s. Mit diesen Kriterien werden bestimmte Phänomene der Böigkeit des Windes (z.B. in der konvektivem Grenzschicht im Tagesgang) nicht erfasst. Im Rahmen der Arbeit soll auf der Basis von Sonic- und Doppler-Lidarmessungen in hoher zeitlicher Auflösung die Böigkeit des Windes in der konvektiven Grenzschicht untersucht und dabei u.a. die Abhängigkeit des Böenfaktors von den meteorologischen Bedingungen und seine Änderungen mit der Höhe untersucht werden 

Grundlagen: Rohdaten von Sonic- und Doppler-Lidar-Messungen für ausgewählte Fälle

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur wissenschaftlichen Datenanalyse und –bearbeitung für umfangreichere Datensätze




Abschätzung regional repräsentativer turbulenter Wärmeflüsse auf der Basis von Budget-Betrachtungen für Datensätze aus dem LITFASS-2003 Experiment

Betreuer: Dr. Frank Beyrich (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB) 

Beschreibung: Budget-Methoden erlauben unter bestimmten Annahmen die Abschätzung regional repräsentativer Wärmeflüsse in der konvektiv durchmischten Grenzschicht aus Datensätzen zur Entwicklung von deren Struktur und vertikaler Mächtigkeit (mittlere Temperatur und Feuchte in der Mischungsschicht, Mischungsschichthöhe). Für das LITFASS-2003 Experiment liegen derartige Datensätze aus Radiosonden-, RASS- und Lidar-Messungen mit relativ hoher zeitlicher Auflösung vor. Es soll auf der Basis von Fallstudien (Anzahl ca. 4-8) versucht werden, aus diesen Messungen die mittleren turbulenten Wärmeflüsse abzuschätzen, die Ergebnisse sind mit unabhängig aus mikrometeorologischen Boden-, Scintillometer- und Flugzeugmessungen erhaltenen Werten zu vergleichen

Grundlagen: Experimentdatensatz LITFASS-2003 

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur wissenschaftlichen Datenanalyse und –bearbeitung 

Kontaktiert bei Interesse Rene Preusker per Mail mit eindeutigem Betreff, sonst landet eure Anfrage im Spamfilter, aber am besten persönlich in Raum 159.