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Abschlussarbeit

Diese Seite soll einen Überblick über die Durchführung, das Aussehen und die Organisation von Abschlussarbeiten am Institut für Meteorologie verschaffen.

Weiter unten finden sich momentane Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten der verschiedenen AGs, dem GFZ Potsdam, dem Observatorium Lindenberg und dem Hans-Ertl-Zentrum.

Überblick

Die Abschlussarbeit ist wohl das größte Projekt eures Studiums. Es wird empfohlen, sich ein Gitlab repository dafür einzurichten.

Dies hat zwei große Vorteile: 

  1. Externe Sicherung eurer Daten, falls eure lokale Ablage beschädigt oder nicht mehr verfügbar ist.
  2. Versionsverwaltung - ihr könnt jederzeit auf ältere Versionen eurer Dateien zugreifen.

Die offizielle Dokumentation zum Arbeiten mit Gitlab und ein Tutorial für Studierende der Meteorologie sind sehr lesenswert.

Im GitLab findet ihr ein Template für Abschlussarbeiten am Institut für Meteorologie.

Es gibt nun drei Möglichkeiten:

1. Template als zip-Datei downloaden unter 

https://gitlab.met.fu-berlin.de/magro/Abschlussarbeit-Template.git 

und lokal arbeiten.

2. Den repository klonen mit

$ git clone https://gitlab.met.fu-berlin.de/magro/Abschlussarbeit-Template/-/archive/master/Abschlussarbeit-Template-master.zip

und lokal weiterarbeiten.

3. Den repository klonen und in ein eigenes repository pushen (empfohlen!)
  1. Neues repository Abschlussarbeit unter eurem user auf https://gitlab.met.fu-berlin.de anlegen

  2. Terminal öffnen

  3. $ git clone --mirror https://gitlab.met.fu-berlin.de/magro/Abschlussarbeit-Template/-/archive/master/Abschlussarbeit-Template-master.zip
  4. $ cd Abschlussarbeit-Template.git
  5. $ git push --mirror https://gitlab.met.fu-berlin.de/user/Abschlussarbeit.git 
  6. $ cd ..
  7. $ git clone https://gitlab.met.fu-berlin.de/user/Abschlussarbeit.git 
  8. $ rm -Rf Abschlussarbeit-Template.git 

Vorschläge: Unten finden sich momentane Themenvorschläge für Bachelor- und Masterarbeiten.

Oder: Vorbringen eines eigenen Vorschlags direkt bei Mitarbeitenden einer AG.

Zu beachten ist: 

Macht euch rechtzeitig Gedanken über euer Thema! Eine umfassende Literaturrecherche ist sehr zeitintensiv.

Sind die gewünschten Betreuer*innen auch prüfungsberechtigt? Ist das nicht der Fall, müsst ihr euch um eine*n weitere*n (oder sogar beide) Gutachter*in selber kümmern. Nach Beschluss des Prüfungsausschusses (anders als in der Prüfungsordnung zu lesen) muss für die Bachelorarbeit mindestens ein*e Gutachter*in prüfungsberechtigt sein. Für die Masterarbeit müssen dagegen beide prüfungsberechtigt sein. 

Für die Anmeldung der Abschlussarbeit gibt es ein entsprechendes Formular vom Prüfungsbüro. Dieses muss der oder die prüfungsberechtigte Betreuer*in unterschreiben und danach beim Prüfungsbüro in Lankwitz abgeben werden. Dort wird dann das Datum für die Abgabefrist festgelegt. Die Bewilligung dieses Antrags sollte im Allgemeinen keine Hürde darstellen, sodass ihr ab jetzt für die Bachelorarbeit 18 Wochen und für die Masterarbeit 21 Wochen Bearbeitungszeit habt.

Bewilligung des Antrags der Anmeldung

Wurde der Antrag vom Prüfungsauschuss bewilligt, erhaltet ihr postalisch die endgültige Bestätigung der Anmeldung der Abschlussarbeit vom Prüfungsbüro. Die Daten stehen auch nochmal im Campus Management.

Hinweis: Diese Reihenfolge ist einer von vielen Wegen der nach Rom führt!
  1. Literaturrecherche (Bibliothek, bereits veröffentlichte Paper oder Abschlussarbeiten, ...).
  2. Sichtung der euch gegebenen Daten und der eventuell zur Auswertung zu benutzenden Programme - müsst ihr euch erst einarbeiten in eine Programmiersprache? Ist das Programm schon fertig und kann es direkt benutzt werden?
  3. Anwendung des Datensatzes auf eure Statistik/Auswertung der Daten. Als Tipp: Haltet kontinuierlich Kontakt mit euren Betreuer*innen! Ihr könnt ein regelmäßiges Treffen, z.B. einmal pro Woche, vorschlagen.
  4. Niederschreiben der Arbeit.
  5. Gegenlesen. Plant dafür mehrere Wochen ein.
  6. Der Vortrag im gemeinsamen Seminar.  Der Vortrag über die Bachelorarbeit ist unbenotet und darf zu jedem Zeitpunkt stattfinden. Oft bringt die Diskussion im gemeinsamen Seminar neue Ansätze. Der Vortrag über die Masterarbeit ist benotet und darf erst nach deren Abgabe stattfinden. Dieser macht 5 LP der 30 LP aus. 

[Eventueller Antrag auf Verlängerung]

Solltet ihr also wider Erwarten mit der vorgegebenen Bearbeitungszeit nicht zurechtkommen, könnt ihr begründet einen Antrag auf Verlängerung stellen. Hierbei sollten nachvollziehbare Gründe aufgezählt werden und sicherlich nicht Urlaub o.Ä., der euch in Zeitbedrängnis brachte. Der Antrag muss von eurer oder eurem Betreuer*in und auch vom Vorsitzenden des Prüfungsausschusses unterschrieben werden.

Steht die Endfassung eurer Abschlussarbeit fest, kann es ans Drucken- und Bindenlassen gehen. Beides könnt ihr bei diversen Copy-Shops erledigen lassen oder bei der ZEDAT in der Rost- und Silberlaube. Bedenkt, dass ihr drei (!) Exemplare später abgeben müsst und eine beschriftete CD mit der digitalen Fassung eurer Arbeit.

Anschließend geht es mit den gedruckten Exemplaren und der CD nach Lankwitz ins Prüfungsbüro.

Achtung: Erkundigt euch langfristig vorher, ob und wann das Prüfungsbüro geöffnet ist, vor allem während der Semesterferien! Rechnet also mit Urlaub oder sehr knappen Öffnungszeiten.

In den meisten Fällen erfährt man nach einigen Wochen via Campus Management die Note der Abschlussarbeit. Diese setzt sich aus dem arithmetischen Mittel der Noten der beiden Gutachter*innen zusammen.

Bachelorarbeitsthemen

Zuletzt aktualisiert am: 16.03.2022

Durch welche Mechanismen vertiefen sich Europäische Extremzyklonen?

Betreuung: Dr. Jens Grieger, Prof. Dr. Uwe Ulbrich

Beschreibung: Mit Hilfe der Drucktendenzgleichung lässt sich die Entwicklung extra-tropischer
Tiefdruckgebiete bestimmten Mechanismen zuordnen. Diese sind hauptsächlich durch Baroklinität
und diabatische Prozesse bestimmt. In dieser Arbeit sollen Europäische Extremzyklonen eines Ereigniskataloges untersucht und dabei die verschiedenen Beiträge zur Intensivierung bestimmt werden.

Datengrundlage: ERA-20C Reanalyse, Zyklonenzugbahnen, Drucktendenzdaten

Vorkenntnisse: CDO, R und eventuell NCL

Untersuchung des Zusammenhanges von NAO und Wärmeinhalt des Nordatlantiks auf der dekadischen Zeitskala

Betreuung: Thomas Moran

Beschreibung: Es existieren Untersuchungen, die einen Zusammenhang zwischen großräumigen atmosphärischen Zirkulationsmustern, insbesondere der NAO und Meeresoberflächentemperaturen des Nordatlantiks zeigen. Dabei scheint vor allem die Atmosphäre die Temperaturverteilung im Ozean zu beeinflussen. Andere Studien zeigen, dass auch der Ozean die Atmosphäre beeinflusst. Im Rahmen eines Projektes, das in der Arbeitsgruppe bearbeitet wird, wurde bereits der Zusammenhang zwischen dem Ozeanwärmeinhalt und der dekadischen Variabilität von Winterstürmen über Europa und dem Nordatlantik untersucht. In der Bachelorarbeit soll die Wechselwirkung von Ozeanwärmeinhalt im Nordatlantik und der NAO auf der dekadischen Zeitskala in einem Ensemble aus gekoppelten Modellsimulationen analysiert werden.

Grundlagen: Ensemble von Modellsimulationen Voraussetzungen: CDO, R, Statistik (Zeitreihenanalyse)

COSMO-Reanalysen: Charakteristika von Niederschlagsereignissen

Betreuung: Dr. Martin Göber, Edmund Meredith

Beschreibung: Im Cosmo-Reanalyseprodukt des Hans-Ertel-Zentrums (Uni Bonn) werden intensive Niederschlagssysteme untersucht. Sie werden als zusammenhängende Gebiete mit Überschreitungen eines Perzentilwerts identifiziert. Die Auswertung untersucht die Häufigkeitsverteilung von Ausdehnung, mittlerer (Perzentil-)Intensität, der (Perzentil-)Maxima und der Zahl der Extrema innerhalb des Gebiets, sowie die Beziehungen zwischen diesen Größen. Es wird untersucht, ob sich innerhalb Deutschlands und im Jahresgang Unterschiede in den Charakteristika zeigen.

Datengrundlage: COSMO-Reanalysen.

Vorkenntnisse: CDO und R/Matlab Kenntnisse erforderlich

Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Winterstürmen und Ozeantemperaturen in einem Klimamodell

Betreuung: Ines Höschel

Beschreibung: Da Winterstürme zu den schadensträchtigsten Wetterextremen in Europa zählen, besteht ein großes Interesse an deren längerfristigen Vorhersagbarkeit und dem Verständnis involvierter Prozesse, z.B. im Ozean. Im Rahmen eines am Institut durchgeführten Projektes wurde in Reanalysedaten ein Zusammenhang zwischen der Häufung Europäischer Winterstürme und den Meeresoberflächentemperaturen im Pazifik und Atlantik des Vorjahres nachgewiesen. In dieser Arbeit soll untersucht werden, ob dieser Zusammenhang auch in den Gleichgewichtssimulationen eines Klimamodells zu finden ist und mit welchen Anomalien und räumlichen Mustern im Wärmeinhalt des Ozeans die Häufung von Stürmen im Modell verbunden ist.

Datengrundlage: u- und v-Wind (6-stündlich), Meeresoberflächentemperaturen und Wärmeinhalt des Ozeans (monatlich) des Gleichgewichtslaufes des Erdsystemmodells des MPI Hamburg (MPI-ESM-LR)

Vorkenntnisse: CDO, R, Unix/Linux

Die Rolle von Zyklonen bei Starkniederschlagsereignissen

Betreuung: Dr. Katrin Nissen

Beschreibung: Im Rahmen des EU RAIN Projektes wurden Starkniederschlagsereignisse in Europa für den Zeitraum von 1981-2010 identifiziert. In der Bachelorarbeit soll untersucht werden welche Rolle Zyklonen für die Ereignisse gespielt haben. Ein Katalog von Zyklonenzugbahnen, die mit Hilfe des ERA Interim Reanalyse Datensatzes bestimmt wurden, liegt vor. Für die Arbeit soll ein Algorithmus, der für die Zuordnung von Stürmen zu Zyklonen entwickelt wurde, so angepasst werden, dass eine Zuordnung der Niederschlagsereignisse zu Zyklonen erfolgt. In der Arbeit sollen dann die charakteristischen Eigenschaften von Zyklonen, die extremen Niederschlag in Europa ausgelöst haben, untersucht werden (z.B. Stärke der Zyklonen, Geschwindigkeit, Lage zum Niederschlagsereignis). Weiterhin soll analysiert werden, welche Niederschlagsereignisse bevorzugt von Zyklonen ausgelöst werden (z.B. Auftrittsort, Jahreszeit, Niederschlagsdauer).

Datengrundlage: Katalog von extremen Niederschlagsereignissen, Katalog von Zyklonen, Fortranprogramm zur Zuordnung von Extremereignissen zu Zyklonen.

Vorkenntnisse: Fortran (wer kein Fortran mag, kann das existierende Programm auch gerne als nur als Anhaltspunkt verwenden und ein eigenes in R schreiben), R.

Vergleich eines automatischen Verfahrens zur Unterscheidung der Niederschlagsphasen (fest/flüssig, flüssig/flüssig) mit der Wetterbeobachtung an der FU-Berlin

Betreuung: Bernd Bartels (DWD, Luftfahrtberatungszentrale Ost , Berlin), Eckhard Lanzinger (DWD), Dr. Klaus Müller, Thomas Schartner

Beschreibung: Quantitativer Vergleich des am DWD entwickelten Algorithmus zur Bestimmung der Niederschlagsphase mit den entsprechenden Wetterbeobachtungen an der FU-Berlin. Überblick über die zugehörigen Zeitreihen. Systematische Analyse von Abweichungen, insbesondere auf Basis der Eingangs-Größen des Algorithmus und der synoptischen Meldungen.

Datengrundlage: Zeitreihen der Wetterbeobachtung und der Messdaten (insb. des Disdrometers) an der Station Dahlem.

Vorkenntnisse: Statistik (Zeitreihenanalyse)

Wetterauswirkungen auf Vegetationsstörungen im Bahnnetz

Betreuung: Henrike Lorenz, Nico Becker, Uwe Ulbrich

Beschreibung: Vegetationsstörungen wie Baumstürze und Astbrüche verursachen Schäden an der Bahninfrastruktur, Zugkollisionen und Verzögerungen im Betriebsablauf der Bahn. Insbesondere hohe Windgeschwindigkeiten, aber auch andere Einflussgrößen wie Temperatur oder Bodenfeuchte können zu solchen Störungen führen. Anhand eines Datensatzes der Deutschen Bahn sollen Beziehungen zwischen Vegetationsstörungen und verschiedenen meteorologischen Parametern untersucht werden. Hierbei ist die Anwendung unterschiedlicher statistischer Methoden bzw. Machine Learning Methoden möglich bspw. logistische Regression oder Decision Trees.

Vorkenntnise: R

Zeitpunkt und Intensität von jährlichen Extremniederschlägen

Betreuer: Patrick Pieper, Stephan Pfahl

Beschreibung: Verschiedene Niederschlags-Beobachtungsdatensätze stimmen größtenteils überein bezüglich des monatlich aufgelösten klimatologischen Zeitpunkts von jährlichen extremen Niederschlägen (Abb. 1). Der täglich aufgelöste klimatologische Zeitpunkt von jährlichen extremen Niederschlägen wird hingegen nicht überall widerspruchsfrei wiedergeben (Abb. 2). Da Unterschiede im Zeitpunkt von jährlichen extremen Niederschlägen bereits in der Klimatologie nachgewiesen wurden, sollten derartige Unterschiede in zwischenjährlichen Schwankungen noch stärker zutage treten. Neben dem Zeitpunkt könnten sich solche Unterschiede zudem auch in zwischenjährlichen Schwankungen des täglich aufgelösten Jahresganges der Intensität von jährlichen extremen Niederschlägen widerspiegeln. Falls Unterschiede in der zwischenjährlichen Schwankung der Intensität auftreten, dann ist ferner davon auszugehen, dass sich diese Unterschiede im langzeitlichen klimatologischen Mittel nicht hinreichend herausmitteln. Demzufolge könnte ebenfalls der klimatologische Jahresgang der Intensität von jährlichen extremen Niederschlägen Unterschiede aufweisen. Diese Arbeit untersucht Unterschiede in täglich aufgelösten jährlichen extremen Niederschlägen zwischen verschiedenen Beobachtungsdatensätzen hinsichtlich: (i) zwischenjährlicher Zeitpunktsschwankungen, (ii) zwischenjährlicher Intensitätsschwankungen, und (iii) dem klimatologischen Jahresgang der Intensität.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an Klimatologie und meteorologischen Extremereignissen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden. Die Arbeit kann wahlweise entweder in deutscher oder auch in englischer Sprache verfasst werden.

Lebenszyklus einer blockierenden Hochdrucklage

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung: Blockierende Hochdrucklagen (auch als "atmospheric blocking" bezeichnet) sind ein wichtiger Faktor für die Variabilität des Wetters in den mittleren Breiten. Es ist allerdings schwierig, diese Lagen objektiv zu identifizieren, auch da sich ihre synoptische Struktur im Laufe ihres Lebenszyklus ändern kann. Dies führt dazu, dass es in der Literatur eine Vielzahl unterschiedlicher Indizes zur Identifizierung von blockierenden Hochdrucklagen gibt, die auch mit unterschiedlichen Klimaänderungs-Signalen einhergehen (siehe Woollings et al., 2018). Um den Zusammenhang zwischen Blocking-Identifizierung und -Lebenszyklus besser zu verstehen, soll in dieser Arbeit eine ausgewählte blockierende Hochdrucklage synoptisch untersucht und mit zwei unterschiedlichen Blocking-Indizes in Verbindung gebracht werden.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an atmosphärischer Dynamik und Synoptik. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

  • Sousa, P. M. et al., 2021: A new combined detection algorithm for blocking and subtropical ridges. J. Climate 34, 7735-7758, doi:10.1175/JCLI-D-20-0658.1.
  • 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.

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.

Der Zusammenhang zwischen Fronten und extremen Niederschlägen

Betreuer: Stephan Pfahl, George Pacey, Florian Ruff

Beschreibung: Extreme Niederschläge treten häufig in Zusammenhang mit Fronten auf. Es ist allerdings nicht klar, wie dabei der genaue räumliche Zusammenhang aussieht, also ob z.B. mehr extreme Niederschläge in der pre-frontalen Luftmasse oder direkt an der Front auftreten. In dieser Arbeit soll dieser Zusammenhang klimatologisch untersucht werden, in dem ein Datensatz zu Kaltfronten in Europa während der warmen Jahreszeit mit Niederschlagsdaten kombiniert wird.

Voraussetzungen Interesse an Klimatologie und meteorologischen Extremereignissen. Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (R, Python), die zur Datenauswertung verwendet werden kann, sind von Vorteil, können aber auch während der Arbeit erworben werden.

Literatur:

  • Catto J. L. and Pfahl S. (2013). The importance of fronts for extreme precipitation. J. Geophys. Res. 118, 10791–10801, doi:10.1002/jgrd.50852.

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.

Klimatische Kennzahlen für Berlin und deren Änderungen im Klimawandel

Betreuung: Henning Rust, Daniela Schoster

Beschreibung: Klimatische Kennzahlen wie Jahresmittel- oder maximumtemperaturen, Niederschlagssummen oder Anzahl Tropennächte für Orte oder Länder werden regelmäßig publiziert und in den Medien kommuniziert, z.B. um ein vergangenes Jahr vor dem Hintergrund eines sich wandelnden Klimas einzuordnen. Auch für die Station Berlin-Dahlem gibt es solche Zahlen. Ziel dieser Arbeit ist es die Auswahl dieser Kennzahlen sinnvoll zu erweitern, z.B. mit Indizes wie vom ETCCDI vorgeschlagen, und deren Berechnung zu automatisieren. Kennzahlen für die vergangenen Jahre sollen vor dem Hintergrund des Klimawandels analysiert werden.

In Zusammenarbeit mit unserer Referentin für Öffentlichkeitsarbeit sollen die Indizes für die vergangenen Jahre dann automatisiert und mit regelmößigen updates auf unserer Webseite veröffetnlicht werden.

Grundlage: Daten der Station Berlin-Dahlem und ggf. weiteren lokalen Stationen, Berechnungsvorschriften der ETCCDI-Indizes. Unterstützung bei der Darstellung auf der Webseite.

Voraussetzung: Kenntnisse in R und/oder Python und Freude an statistischer Datenauswertung

Feuerwehreinsätze bei Starkregenereignissen über Berlin: Einfluss von meteorologischen, geographischen und demographischen Faktoren

Beschreibung: Feuerwehreinsätze aufgrund von Wasserschäden treten in Großstädten wie Berlin häufig im Zusammenhang mit Starkregenereignissen auf. Hierbei spielen beim Ausmaß der Feuerwehreinsätze verschiedene Faktoren eine Rolle. Deshalb soll in dieser Arbeit untersucht werden, welchen Einfluss bei extremen Niederschlagsereignissen großskalige meteorologische Faktoren, wie z.B. die Wetterlage oder die Anströmrichtung über Berlin auf die Anzahl der Feuerwehreinsätze haben. Zudem sollen aber auch geographische und demographische Faktoren, wie z. B. den Versiegelungsgrad des Bodens und die Bevölkerungsdichte, bei der Analyse miteinbezogen werden.

Grundlage: Katalog der Starkregenereignisse (CatRaRE) des DWD inkl. ereignisspezifischen Attributen, sowie meteorologischen, demo- und geographischen Daten, Datensatz der Berliner Feuerwehr mit allen Wasserschaden bedingten Einsätzen und Reanalysedaten.

Vorkenntnisse: Kenntnisse in R (oder Python) und CDO

Literatur: Lengfeld, K., Walawender, E., Winterrath, T., Becker, A.: CatRaRE: A Catalogue of radar-based heavy rainfall events in Germany derived from 20 years of data, Meteorologische Zeitschrift, DOI:10.1127/metz/2021/1088, 2021

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

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

Untersuchungen verschiedener Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des Pazifik-Nordamerika Telekonnektionsmusters (PNA) mithilfe der harmonischen Analyse des Geopotentials

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Verschiedene Phasen der Nordatlantischen Oszillation (NAO) und des Pazifik-Nordamerika-Telekonnektionsmusters (PNA) sind durch unterschiedliche Aktivität planetarer Wellen gekennzeichnet. Es sollen mit Hilfe der harmonischen Analyse über unterschiedliche globale Wellenkonfigurationen ein Zusammenhang von NA0 und PNA herausgearbeitet werden.

Grundlagen: Zur Verfügung stehen die ERA-Interim Reanalysen sowie das Programm zur Berechnung der Fourier-Koeffizienten der harmonischen Analyse.

Untersuchung des meridionalen Temperaturgradienten auf der Nordhalbkugel mithilfe der harmonischen Analyse

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Der meridionale Temperaturgradient ist ein wichtiges Maß für die Baroklinität und Zyklonenaktivität der Westwindzone der mittleren Breiten. Es soll mit Hilfe der harmonischen Analyse des meridionalen Temperaturgradienten die globale Struktur wellendynamisch untersucht werden und ein Zusammenhang zu der Wellenstruktur des Geopotentials hergestellt werden.

Grundlagen: Zur Verfügung stehen die ERA-Interim und NCE-Reanalysen sowie das Programm zur Berechnung der Fourier-Koeffizienten der harmonischen Analyse.

Untersuchung der Beziehung zwischen dem Dynamischen Zustandsindex (DSI) und Prozessen auf der konvektiven Skala

Betreuung: Dr. Anette Müller, PD Dr. Peter Névir

Beschreibung: Der dynamische Zustandsindex (DSI) wurde in der Arbeitsgruppe Theoretische Meteorologie entwickelt. Er beschreibt Abweichungen eines Grundzustandes. Es konnte bisher gezeigt werden, dass der Index stark mit diabatischen Prozessen wie beispielsweise Niederschlag korreliert ist. Zusammenhänge zu weiteren Prozessen und bekannten meteorologischen Größen sollen datenbasiert untersucht werden. 

Grundlagen: Zur Verfügung stehen berechnete DSI-Daten sowie die REA2 und die REA6 Reanalysen für Deutschland und Europa.

Evaluierung der Luftqualitätsvorhersage von LOTOS-EUROS innerhalb CAMS

Betreuer: Prof. Martijn Schaap, Dr. Sabine Banzhaf

Beschreibung: Innerhalb die Europäische Copernicus Atmosphäre Monitoring Service (CAMS: http://atmosphere.copernicus.eu/) werden Luftqualitätsvorhersagen erstellt für Feinstaub, Ozon und NO2. Es gibt derzeit 7 Modelle die zusammen ein Ensemble bauen, unter deren das LOTOS-EUROS Modell das am FUB mitentwickelt wird. Ziel dieses Themas ist die Validierung der Vorhersagen von LOTOS-EUROS anhand Beobachtungsdaten. Die Frage ist in wie weit sich der Modellskill sich unterscheiden von der andere Modelle und ob es Erklärungen dafür gibt. Die Validierung findet statt anhand standard statistischen Parameter. Studien könnten separat über Ozon, Feinstaub und NO2 gemacht werden.

Grundlagen: Literatur und Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von TNO, Holland. 

Evaluierung der Herkunft von NO2 in Berlin

Betreuer: Prof. Martijn Schaap, Dr. Sabine Banzhaf

Beschreibung: NO2 ist schädlich für die Gesundheit. Derzeit gibt es Fragen zum Herkunft von NO2-Konzentration innerhalb Berlin. Vor allem nächtliche Werte sind manchmal erhöht ohne das es direkte Quellen gibt. Ziel dieses Themas ist anhand Messdaten und ein LOTOS-EUROS Lauf inklusive Quellenzuordnung die Variabilität in der Herkunft des NO2 zu bestimmen.

Grundlagen: Literatur und Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von TNO, Holland.

Analyse von der natürlichen chemischen Zusammensetzung der Erdatmosphäre

Betreuer: Prof. Peter Builtjes

Beschreibung: Die Bestimmung der natürlichen Konzentrationen von Spurengasen und Aerosolen ist wichtig, um die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre bestimmen zu können. Neben dieser wissenschaftlichen Fragestellung/Neugier ist die Kenntnis auch wichtig für Untersuchungen im Themengebiet Luftreinhaltung. Wenn bekannt ist wie groß der Beitrag von biogenen und geogenen Emissionen zur auftretenden Konzentration ist, kann man den Einfluss von anthropogenen Emissionen ableiten. Basiert auf einer Literaturanalyse von Messkampagnen (z.B. in Eisbornkernen), Laboruntersuchungen und theoretischen Betrachtungen der Entwicklung der Erdatmosphäre und mit Hilfe von Modellergebnisse kann man eine Abschätzung über die natürlichen Konzentrationen von Spurengasen und Aerosolen machen. Studien können über Stoffe wie CH4, CO2, SO2, NO2, NH3, O3, VOC, Aerosolen (PM) gemacht werden.

Grundlagen: Literatur und einige Modellergebnisse sind vorhanden

Bemerkung: Betreuung teilweise von Holland aus 

Derzeit bietet die AG Atmosphärendynamik keine Abschlussarbeiten an.
Mehr Infos zum Projekt WEXICOM gibt es hier.

Feuerwehreinsätze bei Starkregenereignissen über Berlin: Einfluss von meteorologischen, geographischen und demographischen Faktoren

Beschreibung: siehe AG Statistische Meteorologie

Variabilität der oberflächennahen Winde in aktuellen atmosphärischen Reanalysen und deren Einfluss auf die simulierte windgetriebene Ozeanzirkulation

Betreuer: Dr. Henryk Dobslaw (dobslaw@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Die windgetriebene Zirkulation im Weltozean hat insbesondere auf Zeitskalen von Tagen bis hin zu Dekaden einen großen Einfluß auf regionale und lokale Änderungen des Meeresspiegels. Prädiktionen der zeitvariablen windgetriebenen Dynamik werden regelmäßig aus Simulationsexperimenten mit globalen numerischen Ozeanmodellen gewonnen, die mit Atmosphärendaten aus globalen NWP-Analysen oder Reanalysen angetrieben werden. Ausgehend von vier aktuellen globalen soll der Ensemble-Spread der oberflächennahen Windgeschwindigkeiten und -schubspannungen für verschiedene Frequenzbänder bestimmt und in seinen räumlichen Mustern diskutiert werden, um Sensitivitätsexperimente mit einem globalen Ozeanzirkulationsmodell unter realistisch verrauschten Windschubspannungen vorzubereiten.

Anforderungen: Theorie der windgetriebenen Ozeandynamik; Kenntnisse der CDO's (Climate Data Operators); Grundkenntnisse in Matlab oder R.

Untersuchung der raumzeitlichen Variabilität globaler Niederschläge in GPCC- Analysen

Betreuer: Dr. Robert Dill (dill@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz- potsdam.de)

Beschreibung: Das beim Deutschen Wetterdienst angesiedelte Weltzentrum für Niederschlag (Global Precipitation Climatology Centre; GPCC) sammelt und archiviert alle weltweit verfügbaren Beobachtungen zu Niederschlagsmengen und -ereignissen und erstellt routinemäßig globale Rasterdatensätze mit unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Auflösungen. Zur Vorbereitung von Vergleichen bzw. zur Kombination von klassischen Niederschlagsbeobachtungen und Änderungen des terrestrisch gespeicherten Wassers aus Daten der Satellitenschwerefeldmission GRACE sollen in dieser Arbeit die verschiedenen aktuell verfügbaren Produkte des GPCC analysiert und zur späteren Nutzung als Antriebsdaten des globalen Landoberflächenmodells LSDM vorbereitet werden.

Anforderungen: Grundkenntnisse in R or Matlab; Kenntnisse der CDO's (Climate Data Operators)

Analyse von atmosphärischen und hydrosphärischen Auflastdeformationen an GPS-Permanentstationen in Hinblick auf eine 3D Erdstruktur

Betreuer: Dr. Volker Klemann (volker.klemann@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Untersucht werden sollen Auflastdeformationen, die durch zeitvariable Massenverteilungen an der Erdoberfläche verursacht werden und Messungen an GPS- Stationen beeinflussen. So müssen vor allem für Stationen nahe an der Küste oder an einem Fluss die verursachenden atmosphärischen, ozeanischen oder hydrologischen Auflasten in hoher räumlicher Auflösung betrachtet und die lokale Erdstruktur berücksichtigt werden. An Hand bereits vorhandener Übertragungsfunktionen, welche die Deformationsantwort einer 1D Erdstruktur charakterisieren, und dem Vergleich mit der Deformationsantwort eines 3D Erdmodelles sollen die verwendeten Übertragungsfunktionen evaluiert werden.

Anforderungen: Grundkenntnisse in Fortran/Matlab/Shell Programmierung und Interesse an numerischen Fragestellungen

Entwicklung der Beringstraße während des letzten glazialen Zyklus

Betreuer: Dr. Volker Klemann (volker.klemann@gfz-potsdam.de), Prof. Dr. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Beschreibung: Während eines glazialen Zyklus fällt der Meeresspiegel um bis zu 130 m. Diese Änderung ist nicht homogen, sondern wird von der isostatischen Antwort der festen Erde auf die zeitlich variierende Lastverteilung überprägt. Die damit verbundene Veränderung des Meeresspiegels soll anhand der zeitweisen Öffnung der Beringstraße beispielhaft untersucht werden. Mit Hilfe vorhandener Modell-Ensembles, die die Abhängigkeit des Meeresspiegels von der Erdstruktur und der Eisgeschichte abbilden, sollen Unsicherheiten und Variabilitäten in der Rekonstruktion dieser Wasserstraße untersucht werden.

Anforderungen: Programmierkenntnisse in Fortran, R oder Matlab, Shellprogrammierung und Interesse an numerischen Fragestellungen 

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einem Bachelorarbeitsthema am GFZ wendens Sie sich bitte an Herrn Prof. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Nutzung von Scintillometerdaten für die Qualitätsbewertung von Eddy-Kovarianzmessungen

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

Beschreibung: Auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg werden bodennahe Turbulenzmessungen sowohl mittels Ultraschall-Anemometer-Thermometer als auch  mittel Surface-Layer-Scintillometer durchgeführt, wobei die Mess- und Auswerteverfahren sich grundlegend unterscheiden. Unter Nutzung von Hersteller- bzw. Standard-Software erfolgt eine jeweils voneinander unabhängige Qualitätsbewertung der abgeleiteten turbulenten Flüsse. Mit der Arbeit soll untersucht werden, inwieweit Querbezüge zwischen der jeweiligen Bewertung der Datenqualität möglich sind.

Grundlagen: Datensatz turbulente Flüsse aus Sonic-/Scintillometerdaten vom GM Falkenberg. 

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

Vergleich von Grenzschichtmessungen mit Modellergebnissen aus der NWV für die morgendliche (abendliche) Übergangsperiode 

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

Beschreibung: Die morgendliche bzw. abendliche Übergangsperiode (engl.: morning transition period, evening transition period) sind vor allem an wolkenarmen Tagen durch rasche zeitliche Änderungen meteorologischer Variablen und damit eine starke Instationarität der Struktur der bodennahen Luftschichten gekennzeichnet. Ihre korrekte Simulation in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen stellt damit eine besondere Herausforderung dar. Auf dem Grenzschichtmessfeld des MOL-RAO in Falkenberg werden seit mehr als 20 Jahren zeitlich und vertikal hoch aufgelöste Messungen zur Struktur der unteren atmosphärischen Grenzschicht durchgeführt. Aus diesen Datensätzen sollen Situationen mit einer ausgeprägten Instationarität in den Morgen- bzw. Abendstunden identifiziert, die Messergebnisse der Energieflüsse und der Vertikalprofile von Wind, Lufttemperatur, Bodentemperatur und Luftfeuchte mit den Ergebnissen der NWV-Modelle des DWD verglichen und die Differenzen zwischen Messung und Modellsimulationen analysiert und diskutiert werden.

Grundlagen: Datensätze zur Struktur der bodennahen Luftschichten auf dem Grenzschichtmessfeld Falkenberg, Ergebnisse der NWV-Modelle des DWD 

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Datenanalyse und –bearbeitung, Grundkenntnisse zu Struktur und Prozessen der Atmosphärischen Grenzschicht

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.

Statistische Modellierung der Variabilität von Extremniederschlag mit Hilfe einer neuen Methode zur Parameterschätzung

Betreuung: Henning Rust, Jana Ulrich 

Projektanbindung: NatRiskChange P6ClimXtreme

Beschreibung: Wie verändert sich die Häufigkeit oder die Intensität von Starkregen mit der Erwärmung des Klimas? Um der Beantwortung dieser Frage näher zu kommen müssen wir modellieren, wie sich die Extremwertverteilung von Niederschlagmaxima verändert - bzw. genauer gesagt, wie sich die Parameter der Extremwertverteilung ändern. Eine Möglichkeit dafür ist die Modellierung der Parameter mit Hilfe von Covariaten. Dabei wird ein bestimmter Zusammenhang vorgegeben - zum Beispiel ein linearer Zusammenhang über die Zeit - und über die Maximum-Likelihood-Methode werden dann die Parameter geschätzt. In dieser Arbeit soll zu Schätzung der Parameter eine neue Methode ausprobiert werden, die es einerseits ermöglicht, dass die Parametern von dem vorgegebenen Zusammenhang abweichen können, bzw. andererseits ermöglicht, dass gar kein fester Zusammenhang sondern statt dessen Annahmen wie Glattheit oder Periodizität vorgegeben werden. Ziel ist es dabei auf diese Weise zeitliche Variationen der Extremwertverteilung von Niederschlagsmaxima - ggf. auch auf für verschiedene Niederschlagsdauern - zu modellieren.

Grundlagen: Stationsdaten für Niederschlag, ggf. Reanalysedaten 

Vorraussetzungen: Kenntnisse in R, Freude an statistischer Auswertung und Interesse an Extremwertstatistik.

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