Springe direkt zu Inhalt

Masterarbeitsthemen

Zuletzt aktualisiert am: 14.06.2022

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einem Masterarbeitsthema in der AG Klimadiagnose und meteorologische Extremeregnisse wenden Sie sich bitte an Herrn Prof. Ulbrich (ulbrich@met.fu-berlin.de).

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.

Analyse der Unsicherheiten bei der Berechnung von Trajektorien

Betreuer: Ingo Kirchner, Stephan Pfahl

Beschreibung: Die offline Berechnung von Trajektorien beruht auf einem vorliegenden Stroemungsfeld. Die raeumliche und zeitliche Aufloesung dieses Stroemungsfeldes verursacht Unsicherheiten. Zur objektiven Abschaetzung dieser Fehler soll auf der Grundlage der ERA5 Daten untersucht werden, welchen Einfluss die zeitliche und raeumliche Aufloesung des Stroemungsfeldes auf den Verlauf der Trajektorien haben. Dabei werden folgende Nebenbedingungen betrachtet:
- Wetterlage
- Region
- Hoehenschicht
- Laufzeit
Die Untersuchung soll sich auf typische Wetterlagen fuer Europa im Zeitraum 1979 bis 2019 beziehen. Zur Beurteilung des Fehlers wird der raeumliche Abstand der Trajektorien bei gleicher Laufzeit herangezogen. Verglichen werden Trajektorien, die zeitgleich an den gleichen Raumpunkten ansetzen, jedoch unterschiedlich aufgeloeste Stroemungsfelder verwenden. Zur Berechung der Trajektorien wird LAGRANTO benutzt.

Literatur:

  • Sprenger, M. and Wernli, H. (2015): The LAGRANTO Lagrangian analysis tool - version 2.0, Geosci. Model Dev., 8, 2569–2586, doi:10.5194/gmd-8-2569-2015.
  • Wernli, H. and Davies, H. C. (1997): A Lagrangian-based analysis of extratropical cyclones. I: The method and some applications. Q. J. R. Meteorol. Soc., 123, 467–489. doi:10.1002/qj.49712353811.

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.

Circumglobal teleconnection pattern in warm and cold climate

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Large-scale atmospheric circulation in the extratropics fluctuates in its own dynamics, involving nonlinear interaction among eddies with various horizontal scales and a wide range of time scales. The circumglobal teleconnection (CGT) is a major teleconnection pattern in the northern hemisphere in boreal summer and is characterized by several geographically-anchored action centers along the upper-tropospheric westerly jet stream (Ding and Wang, 2005). Alternative names for the CGT also exists in literature, such as the “Silk Road pattern”, “European wave train” for the Eurasian segments, and the “Tokyo–Chicago express” for the Pacific segment. The CGT has important impacts on the mid-latitude temperature, precipitation, and extreme weather (Bothe et al., 2011). In addition, the CGT is closely related to the monsoonal circulation in the tropics (Saeed et al., 2011). For example, there is a chain of interactions between the CGT and the Indian monsoon rainfall variability: one interaction involves the wave train that develops over the North Atlantic and modulates the monsoon rainfall activity, and another interaction involves anomalous monsoon heating influencing the downstream development of the CGT (Ding and Wang, 2005). For the paleo case, the changes in CGT under different climatic forcings, its connection to the Asian monsoons, and its impact on surface climate are not clear. In this project, we suggest exploring changes in CGT for the Pliocene (3 Ma) and the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) compared to pre-industrial. The Pliocene is considered as a past analogue of future warm climate (Haywood et al., 2016) and the LGM is an example of a colder-than-present climate (Braconnot et al., 2007). Possible research questions:

  1. How do slowly varying components of the climate, such as sea surface temperature (SST), greenhouse gas concentrations, ice sheets, etc. affect large-scale circulation variability and the westerly jet stream?
  2. How do changes in the North Atlantic pressure gradient affect the CGT?
  3. What is the relationship between the surface climate in Asia and the GCT in warm and cold climates?

Vorgehen: We propose to investigate changes in CGT using General Circulation model (GCM) ECHAM5 experiments with boundary conditions for pre-industrial (year 1850), the Pliocene (~3 Ma), and the Last Glacial Maximum (LGM, ~21 ka). Emphasis is on analyzing completed model simulations rather than creating new model runs. Student will be asked to analyze climatological midlatitude circulation in the Northern Hemisphere based on, for example, high-level geopotential height and winds anomalies. For MSc thesis, a temporal variation of the Northern Hemisphere pressure systems will be studied using the empirical orthogonal function (EOF) analysis.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in global atmospheric circulation and paleoclimate and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret, ncl) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

  • Bothe, O., Fraedrich, K. and Zhu, X.: Large-scale circulations and Tibetan Plateau summer drought and wetness in a high-resolution climate model, Int. J. Climatol., 31(6), 832–846, doi:10.1002/joc.2124, 2011.

  • Braconnot, P., Otto-Bliesner, B., Harrison, S., Joussaume, S., Peterchmitt, J.-Y. J.-Y., Abe-Ouchi, A., Crucifix, M., Driesschaert, E., Fichefet, T., Hewitt, C. D. and others: Results of PMIP2 coupled simulations of the Mid-Holocene and Last Glacial Maximum–Part 1: experiments and large-scale features, Clim. Past, 3(2), 261–277 [online] Available from: http://www.clim-past.net/3/279/2007/cp-3-279-2007-relations.html, 2007.

  • Ding, Q. and Wang, B.: Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer, J. Clim., 18(17), 3483–3505, 2005.

  • Haywood, A. M., Dowsett, H. J., Dolan, A. M., Rowley, D., Abe-Ouchi, A., Otto-Bliesner, B., Chandler, M. A., Hunter, S. J., Lunt, D. J. and Pound, M.: The Pliocene model intercomparison project (PlioMIP) phase 2: scientific objectives and experimental design, Clim. Past, 12(3), 663–675, 2016.

  • Saeed, S., Müller, W. A., Hagemann, S. and Jacob, D.: Circumglobal wave train and the summer monsoon over northwestern India and Pakistan: The explicit role of the surface heat low, Clim. Dyn., 37(5), 1045–1060, doi:10.1007/s00382-010-0888-x, 2011.

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.

Bewertung von Extremereignissen in Raum und Zeit -- Wie lässt sich "Extremität" messen?

Betreuung: Henning Rust, Felix Fauer in Kooperation mit Maik Haistermann Uni Potsdam

Projektanbindung: ClimXtreme

Beschreibung: Nach relevanten extremen Wetterereignissen, wie nach dem extremen Niederschlagsereigniss im Juli 2021, taucht die Frage auf, wie extrem diese Ereignisse waren. Diese Bewertung ist relevant um das Ereignis mit anderen extremen Ereignissen in der Vergangenheit oder an anderen Orten zu vergleichen. Im Univariaten Fall, also für Größe wie die Niederschlagsmenge an einem Ort für eine feste Ereignisdauert ist das im Rahmen der Extremwertstatistik leicht zu erreichen. Auch ist eine Erweiterung auf verschiedene Dauerstufen konsistent machbar mittels sogenannter IDF Kurven (siehe Literatur). Wie aber kann die räumliche Ausdehnung eines Ereignisses mit einbezogen werden? Müller und Kaspar (Literatur) machen dazu einen Vorschlag, der im Rahmen dieser Arbeit diskutiert und innerhalb der Extremwertstatistik verändert werden soll.

Grundlagen: Vorschlag einer Bewertung, siehe Literatur. Niederschlagsdaten von Stationen, aus Reanalysen und Radar-Produkten.

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R und Freude an statistischer Auswertung.

Literatur:

  • Müller, M. and Kaspar, M.: Event-adjusted evaluation of weather and climate extremes, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 14, 473–483, https://doi.org/10.5194/nhess-14-473-2014, 2014.
  • Fauer, F. S., Ulrich, J., Jurado, O. E., and Rust, H. W.: Flexible and consistent quantile estimation for intensity–duration–frequency curves, Hydrol. Earth Syst. Sci., 25, 6479–6494, https://doi.org/10.5194/hess-25-6479-2021, 2021.

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).

Atmosphärischer Transport von Mineralstaub in den hohen Breiten

Betreuung: Kerstin Schepanski

Beschreibung: Die Auswirkungen von Mineralstaub auf die polare und subpolare Umwelt sind vielfältig, und trotz neuerer Forschungen ist das Wissen über Staubquellen in den hohen Breiten begrenzt. Im Rahmen des Projektes HiLDA konnten wir von 2020 bis 2022 Daten zu lokalen Staubkonzentrationen an verschiedenen Standorten in Island sowie Faröer, Jan-Mayen, Norwegen und Spitzbergen sammeln (https://gomera.geo.tu-darmstadt.de/wordpress/). Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen die Daten hinsichtlich der Fragestellung des atmosphärischen Transports ausgewertet werden.

Grundlagen: Stationsdaten für Niederschlag, ggf. Reanalysedaten 

Vorraussetzungen: Interesse an interdisziplinärem Arbeiten, Lust auf das Thema und Grundkenntnis im Programmieren mit Python (R geht auch).

Bemerkung: Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Konrad Kandler, TU Darmstadt

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einer Masterarbeit in der AG Strahlung und Fernerkundung kontaktieren Sie bitte Frau Prof. Dr. Kerstin Schepanski (kerstin.schepanski@fu-berlin.de).

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

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.

Derzeit bietet die AG Atmosphärendynamik keine Abschlussarbeiten an. 

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).

Monsunabhängigkeit induzierter Magnetfelder im Bereich des Indischen Ozeans

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

Beschreibung: Die Bewegungen großer leitfähiger Wassermassen durch das Erdmagnetfeld induzieren ozeanische Magnetfelder. Diese elektromagnetischen Signale sind zudem abhängig von Transport, Salzgehalt und Temperatur und ermöglichen damit eine interessante zusätzliche Beobachtungsquelle. Die kleine Amplitude der ozeanischen Signale und die Superposition mit anderen Magnetfeldern erschweren jedoch die Beobachtung. Für eine mögliche Separation ist eine gute Kenntnis des zeitlichen Verhaltens der ozeanisch induzierten Magnetfelder notwendig. Ziel dieser Arbeit ist daher eine Analyse zum besseren Verständnis der Zusammenhänge ozeanischer Magnetfelder im Bereich des Indischen Ozeans. Anhand verschiedenartiger Modelldaten können diese Magnetfelder simuliert und untersucht werden und anschließend im Hinblick auf zeitliche Oszillationen im Zusammenhang mit dem Monsun oder Sensitivitäten gegenüber der Temperatur und Salzgehalt weiter analysiert werden. 

Das Projekt ermöglicht Einblicke in unterschiedliche wissenschaftliche Bereiche durch das Arbeiten mit Daten aus der Ozeanmodellierung, das Simulieren elektrodynamischer Prozesse, und das Auswerten mittels statistischer Methoden. 

Voraussetzung: Interesse an Grundlagen sowie interdisziplinären und offenen Fragestellungen 

Von Vorteil: Gute Kenntnisse in Programmiersprachen wie Python und/oder R 

Generatives maschinelles Lernen in der Erdsystem-Modellierung

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

Beschreibung: Generative neuronale Netzwerke, wie z.B. GANs (Generative Adversarial Networks [1]), bieten spannende neue Möglichkeiten zur Datenerzeugung. So können etwa GANs gelernte Muster und Strukturen dynamisch miteinander kombinieren und beispielsweise detaillierte Bilder von Gesichtern erzeugen, ohne diese vorher „gesehen" zu haben [2]. Für die Erdsystem-Modellierung bietet diese Technologie ebenfalls hohes Anwendungspotential zur Erweiterung und Ergänzung klassischer numerischer Modelle von geophysikalischen und klima-relevanten Prozessen [3]. In dieser Masterarbeit soll die Nutzung von GANs im Hinblick auf (geo)physikalische Konsistenz untersucht werden. Zwei zentralen Fragen sind: (1) Wie können wir die bekannten Konzepte aus der KI-basierten Bildverarbeitung und -erzeugung in den Kontext der Erdsystem-Modellierung übertragen? (2) Wie könnten wir generative Netzwerke für die Analyse und Vorhersage geophysikalischer Prozesse verwenden und dabei sicherstellen, dass sie physikalische Rahmenbedingungen wie Erhaltungsgrößen nicht verletzen? Zur Beantwortung dieser Fragen sollen in der Masterarbeit einfache GANs konstruiert, mit vorhandenen Modelldaten trainiert und analysiert werden.

Voraussetzung: Interesse und Spaß an der Entwicklung kreativer Ideen im Hinblick auf die Integration von künstlicher Intelligenz in die Erdsystem-Modellierung

Von Vorteil: Kenntnisse in statistischen Skript- und Programmiersprachen (R, Python, o.ä.) sind notwendig. Grundkenntnisse über künstliche neuronale Netzwerke, typische Datenformate in der numerischen Modellierung (NetCDF, etc.) und Linux sind von Vorteil.

Literatur:

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 

Erfassung eines Algorthmus um den Bedeckungsgrad der Wolken mit All-Sky Kameras zu berechnen

Betreuer: Dr. Lionel Doppler & Dr. Stefan Wacker (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB)

Beschreibung: Die verschiedenen Kameras zur Verfügung sind: Ein Mobotix RGB Kamera, eine 6-Wellenlänge Strahldichtkamera in Sichtbar Cimel CE351 "Cam Lum"´, und ein thermal IR Breitbandkamera PMOD-WRC "IRCCAM". Der Algorithmus wird die Daten (RGB Bilder, Strahldichten oder Brightness Temperature) von einer oder mehreren der obengenannten Kameras prozessieren. Für jedes Himmelbild werden die Pixels als "Bewölkt" oder "nicht bewölkt" kennzeichnet. Zum Schluss wird der Bedeckungsgrad berechnet. Der Algorithmus wird geprüft beim Vergleichen der Ergebnisse mit den Ergebnissen anderer Messmethoden (Beobachtungen, Ceilometerprodukt, Ergebnisse der Algorithmen anderer Kameras).

Grundlagen: Daten der drei obergenannten All-Sky Kameras die am Observatorium Lindenberg betrieben werden.

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Programmiersprachen zur Daten- und Bildanalyse und -bearbeitung, Grundkenntnisse zur Strahlung in der Atmosphäre

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