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Programm "Atmosphäre und Klima"

Programm Thema 1: Dynamik und Wolkenprozesse in der Troposphäre

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Die Entstehung und quantitative Vorhersage von Niederschlag in Bergregionen ist ein aktuelles Forschungsthema.

Regionale Änderungen der Wasserverfügbarkeit gehören zu den gravierendsten Folgen des Klimawandels. Daher wächst der Bedarf an wissenschaftlich fundierten Einschätzungen zu Szenarien mit verändertem regionalen Klima und Wasserkreislauf rasant. Die Forschung im Thema 1 konzentriert sich auf die Darstellung der atmosphärischen Komponenten des Wasserkreislaufs in regionalen hochauflösenden Klimamodellen und in Wettervorhersage-Modellen sowie auf die Validierung der Ergebnisse mit hochentwickelten statistischen Analysen.

Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung beteiligt sich mit seinen Abteilungen IMK-AAF, IMK-TRO und IMK-ASF am Thema 1. Die Expertise des IMK-AAF liegt im Bereich der Aerosol-Dynamik und deren Auswirkung auf das Klima und wird mit der einzigartigen Aerosol-Kammer AIDA gewonnen. Das IMK-TRO ist im Bereich der Dynamik der Troposphäre, der Konvektion und der mesoskaligen Wolkeprozesse sehr erfahren. Die langjährige Erfahrung des IMK-ASF mit Fernerkundung von operationellen Satelliten und bodengebundenen Instrumenten aus, vervollständigt das Forschungs-Portfolio. Die Forschungs-Strategie umfasst die Entwicklung und Anwendung von numerischen Modellen, angetrieben und validiert mit Daten aus umfangreichen Feld- und Kammer-Experimenten.

Voraussetzung für einen wissenschaftlichen Fortschritt sind u.a. umfangreichere und bessere Beobachtungsdaten von Flugzeugen, boden- und satellitengestützten GPS-Sensoren sowie Radar- und Lidar-Instrumenten. Laborexperimente und Prozess-Modelle ermöglichen die Verbesserung des Verständnises von Wolken- und Niederschlags-Prozessen. Die Experimente dienen dazu, die Effizienz von Aerosolen bei der Einleitung von Gefrierprozessen über heterogene Keimbildung zu beurteilen und die Prozesse der sekundären Eisbildung zu verstehen, während die Prozess-Modelle Einblicke in dynamische und hydrometeorologische Mechanismen ermöglichen. Die Untersuchungen befassen sich mit verbesserten Parametrisierungen von subgrid-skaligen Aerosol- und Wolken-Prozessen. Anwendungen unserer Arbeit sind die Quantifizierung der Grenzen der Vorhersagbarkeit und die Beurteilung von Gefahren und Risiken in einem sich wandelnden Klima.

Die Herausforderung die Komponenten des atmosphärischen Wasserkreislaufs darzustellen, erfordert eine erhebliche Verbesserung der regionalen Klimamodelle. Insbesondere werden eine deutlich höhere Auflösung, angepasste Prozessbeschreibungen und -parametrisierungen, sowie neuartige Beobachtungen mit besserer Auflösung benötigt. Außerdem sind Validierungsverfahren unter Nutzung von Daten, die über solche von operationellen Beobachtungs-Netzwerken hinausgehen, unerlässlich. Eine hohe räumliche Auflösung ist notwendig um die Auswirkungen der Orographie und Landnutzung zu berücksichtigen, sowie um Größen, die direkt von der Geländehöhe abhängen (Niederschlag und Temperatur), besser dazustellen und subgrid-skalige Parametrisierungen (für konvektive Prozesse) zu vermeiden. Hochauflösende Simulationen über mehrere Jahrzehnte müssen für sensitive Regionen in Europa und Afrika durchgeführt werden. Ein wichtiger Punkt ist die Quatifizierung der Unsicherheiten von Beobachtungen und Simulationsergebnissen. Daher müssen Ensemble-Simulationen durchgeführt und deren Ergebnisse statistisch ausgewertet werden.

Im IPCC Bericht 2007 heißt es im Bezug auf den Wasserkreislauf, dass die Veränderung der Wolken-Eigenschaften durch Aerosole noch nicht gut verstanden ist und die Stärke der damit verbundenen indirekten Strahlungs-Effekte nur unzureichend bestimmt ist. Schwierigkeiten bei der Messung von Niederschlag, Bodenfeuchte, der Gesamtwolkenbedeckung und der niedrigen Wolken sowie von Trends bei Extremereignissen, wie Hurrikans und konvektiven Ereignisssen, gehören zu den entscheidenden Unsicherheiten des Klimawandels.

Bessere Modelle erfordern daher ein verbessertes Verständnis von Wolken und Niederschlags-Prozessen. Die größte Herausforderung ist dabei die Analyse von Prozessen und Einflüssen, die zur Bildung und Erhaltung konvektiver Wolken führen. Diese Prozesse werden von einer Vielzahl atmosphärischer Aerosolpartikel und deren Eigenschaften sowie den hydro- und thermodynamischen Bedingungen bestimmt und hängen von den synoptisch- und mesoskaligen Rahmenbedingungen ab. Forschung auf verschiedenen Skalen ist an der Verbesserung von regionalen Wettervorhersagen und regionalen / globalen Klimamodellen beteiligt, um die Relevanz von mikrophysikalischen und nanoskaligen Wolken-Prozessen zu klären, um die komplexen Wechselwirkungen in Zusammenhang mit Partikeln in Wolken und Niederschlag aufzulösen, und um die Auswirkungen der meso- und synoptisch-skaligen Umgebungsbedingungen auf Wolken zu beurteilen. Dies erfordert Laborstudien und neuartige Fernerkundungsmethoden sowie numerische Modelle, welche die wesentlichen Prozesse der Entwicklung von Hydrometeoren und deren Rückkopplung mit der Dynamik beschreiben.

Ansprechpartner: Prof. Dr. Christoph Kottmeier, Prof. Dr. Thomas Leisner