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Die Tropen, d.h. das Gebiet zwischen den Wendekreisen des Krebses und des Steinbocks, umfassen etwa 40% der Erdoberfläche. In dieser Region gewinnt das System Erde-Ozean-Atmosphäre ganzjährig Energie, welche bedeutende Komponenten der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation antreibt, darunter die Hadleyzellen, das „El Niño-Southern Oscillation (ENSO)“ Phänomen, die Monsune der Erde und nicht zuletzt tropische Wirbelstürme. Werden die vom asiatischen Monsun beeinflussten, subtropischen Gebiete Nordindiens und Ostasiens hinzu gezählt, so leben in der tropischen Klimazone die meisten Menschen der Erde – mit steigender Tendenz. In vielen, von der Landwirtschaft geprägten Ländern dieser Region hängt die Ernährungssicherheit und Lebensgrundlage von ausreichenden und nicht zu extremen Niederschlägen ab. Niederschlag ist daher der sozioökonomisch wichtigste Klimaparameter der Tropen. Dessen Vorhersagbarkeit auf Zeitskalen von wenigen Stunden bis zu mehreren Tagen, in vielen Regionen auch auf Jahreszeiten und Jahrzehnten, ist aber erstaunlich gering. Ein gutes Beispiel ist die Region des westafrikanischen Monsuns, einer der Forschungsschwerpunkte der AG „Atmosphärische Dynamik“. Hier treten während des Nordsommers ausgedehnte und langlebige Gewitterkomplexe auf, von denen einige nach der Überquerung der westafrikanischen Küste zu Keimzellen von atlantischen Hurrikanen werden. Die Simulation dieser, oft mehr als 100.000 km2 umfassenden Wolkenkomplexe erfordert u.a. eine genaue Kenntnis und Wiedergabe der Energieflüsse an der Erdoberfläche, der turbulenten Energie- und Impulsflüsse in der Grenzschicht und in den Gewitterwolken, sowie der durch Saharastaub und anthropogene Aerosole beeinflussten wolkenphysikalischen Prozesse. Diese gewaltigen Tropengewitter verursachen eine effiziente Wechselwirkung zwischen kleinskaligen Prozessen in Bodennähe und der großskaligen Zirkulation. Umgekehrt beeinflussen großskalige tropische und extratropische Wellenphänomene die Auslösung und Organisation dieser Gewitterkomplexe. Die fallweise variierende Bedeutung der einzelnen Mechanismen stellt eine ebenso große Herausforderung an die tropische Meteorologie dar wie die Identifizierung derjenigen Mechanismen, die Gewitterkomplexen erlauben, sich zu gefährlichen tropischen Zyklonen zu entwickeln. Hierzu haben Mitarbeiter der AG „Atmosphärische Dynamik“ die These postuliert, dass die Eigenschaften tropischer Gewitterkomplexe nur in Jahrzehnten mit ungünstigen Entstehungsbedingungen im tropischen Ostatlantik relevant sind, wie sie z.B. in den 1970er und 1980er Jahren vorgeherrscht haben (Fink et al. 2010).

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Atlantische Winterstürme verursachen die höchsten volks- und versicherungswirtschaflichen Schäden in Mitteleuropa. Beispiele, welche einer breiten Öffentlichkeit in Deutschland noch gut in Erinnerung sind, sind die Orkane „Lothar“ im Dezember 1999 und „Kyrill“ im Januar 2007. Dementsprechend steht die Erforschung und Vorhersagbarkeit auf verschiedenen Zeitskalen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Meteorologie und verwandter Wissenschaften. Bekannte „Zutaten“ für die Entstehung extremer Winterstürme über dem Atlantik sind starke Temperaturgradienten zwischen Subtropen und sub-polaren Breiten in der mittleren Troposphäre (ca. 5 km), d.h. eine starke Baroklinität, ein sich daraus ergebendes, eng gebündeltes Starkwindband in etwa 9 km Höhe und der Einbezug bodennaher warmfeuchter und damit energiereicher Luftmassen subtropischer oder sogar tropischer Herkunft. Diesem letztgenannten, so genannten diabatischen Antrieb der Winterstürme wurden in letzter Zeit im Angesicht einer sich erwärmenden und daher potentiell mehr Feuchte enthaltender Atmosphäre einige Aufmerksamkeit geschenkt. Beispielsweise konnten Mitarbeiter der AG „Atmosphärische Dynamik“ jüngst zeigen, dass Lothar stärker diabatisch und Kyrill in klassischer Weise stärker baroklin angetrieben war. Auch die Stürme Klaus im Januar 2009 und Xynthia im Februar 2010 profitierten überdurchschnittlich von hohen Feuchten zum Teil tropischen Ursprungs (Fink et al. 2012). Die Frage diabatisch geprägter explosiver Zyklogenese und ihre klimatische Bedeutung ist Gegenstand aktueller Forschungen. Weitere aktuelle Forschungsfragen betreffen kleiner-skalige Phänomene an Fronten. In die Kaltfront von Kyrill über Ostdeutschland waren starke Schauer- und Gewitterkomplexe eingelagert, was möglicherweise die extremen und heterogen verteilten Spitzenböen erklärt. Der Orkan Christian brachte in Schleswig-Holstein und Dänemark im Oktober 2013 Rekordböen von bis zu 180 km/h, was mit der Bodenberührung eins so genannten „sting jets“ (dt.: „Stacheljet“) zu tun haben könnte. Verlässliche raumzeitliche Vorhersagen von Spitzenböen extratropischer Winterstürme stellen derzeit eine große Herausforderung an das Prozessverständnis und für die Modellierung dar.

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Lange Zeit herrschte die Vorstellung vor, dass die Tropen kaum Auswirkungen auf das Wetter und Klima der Extratropen haben. Dies rührte einerseits von der Vorstellung einer abgeschlossenen tropischen Hadleyzelle her, anderseits stellt in der linearen, adiabatischen Theorie der Übergang von extratropischen Westwinden zu äquatorialen Ostwinden eine Barriere für Rossbywellen dar. Mit Aufkommen von Satellitenbildern in den 1970er Jahren wurden schräg in die Extratropen reichende Wolkenbänder, sogenannte „tropical plumes“, als sichtbare Phänomene tropisch-extratropischer Wechselwirkungen identifiziert. In den 1980er und 1990er Jahren zeigten mehrere Arbeiten, dass nach Südostasien gerichtete sibirische Kaltluftausbrüche heftige Tropenregen über dem indonesisch-malaysischen Inselarchipel auslösen. Ein weiteres Beispiel sind in die Westwindzone einschwenkende tropische Zyklonen, welche die Vorhersagbarkeit im Mittelfristbereich in den Extratropen deutlich herabsetzen. Forschungen der letzten Jahre haben darüber hinaus gezeigt, dass diabatisch amplifizierte Tröge aus den Extratropen weit in die Tropen eindringen und die Entstehung tropischer Wolkenfahnen auslösen können. Worin liegen heute die Herausforderungen im Bereich tropisch-extratropischer Wechselwirkungen? Einerseits zeigen Arbeiten, dass Zirkulationsanomalien im atlantisch-europäischen Raum, wie z.B. diejenigen in Zusammenhang mit dem Schneewinter 2005/06, durch großräumig anomale Heizraten in Verbindung mit tropischen Gewitterkomplexen über Südamerika angeregt werden können. Hier liegt also ein Potential für eine Jahreszeitenvorhersage in unseren Breiten. Umgekehrt entschlüsselten Arbeiten von Mitarbeitern der AG „Atmosphärische Dynamik“ Prozessketten, welche eine Vorhersagbarkeit von Trockenzeitniederschlägen in Westafrika von ca. einer Woche durch extratropische Rossbywellenzüge ergeben (Knippertz und Fink 2008 ; Davis et al. 2013 ). Die Frage ist, ob sich dadurch ebenso eine erhöhte Vorhersagbarkeit während des westafrikanischen Sommermonsuns in bestimmten Wettersituationen ergibt. Dies wäre zur Vorhersage von Trocken- und Überschwemmungsperioden von hoher sozio-ökonomischer Relevanz.

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Mineralstaub in der Atmosphäre besteht aus Partikeln im Mikrometerbereich, die durch starke Winde in den Wüstenregionen dieser Erde aufgewirbelt und über Tausende von Kilometer verfrachtet werden, immer wieder auch mal nach Deutschland wie z.B. im April 2014. Jedes Jahr gelangen mehrere Megatonnen solcher Partikel in die Atmosphäre. Mineralstaub ist damit massenmäßig der wichtigste Anteil am globalen Aerosolhaushalt. Die winzigen Mineralstaubpartikel haben eine Reihe von wichtigen Auswirkungen im Klimasystem der Erde: (1) Sie reflektieren und absorbieren solare und terrestrische Strahlung und greifen daher in den Energiehaushalt der Atmosphäre ein. Dies kann zu Veränderungen in regionalen Zirkulationssystemen und der atmosphärischen Grenzschicht führen, die letzten Endes bodennahe Wind- und Temperaturmuster sowie Wolken und Niederschlag verändern. (2) Sie können in Wolken die Kondensation von Flüssigwasser und die Bildung von Eispartikeln befördern und damit Wolkeneigenschaften wie Helligkeit, Lebensdauer und Niederschlagseffizienz beeinflussen und indirekt wiederum den Energiehaushalt. (3) Sie enthalten Eisen und Phosphoranteile, die bei Deposition in Ozeane oder Regenwälder durch Düngung biologische Aktivität verstärken und damit den Kohlenstoffkreislauf der Erde beeinflussen können. Darüber hinaus spielt Staub eine wichtige Rolle in der Verringerung von Luftqualität, vor allem in Kombination mit anthropogenen Emission wie z.B. in China, und für die horizontale Sichtweite, die u.a. für die Flugsicherheit wichtig ist. Dennoch sind viele Aspekte des globalen Staubhaushaltes derzeit unzureichend quantifiziert. Dies reicht von physikalischen Eigenschaften wie Größe, Absorptionsverhalten und Benetzbarkeit über chemische Zusammensetzung zu meteorologischen Bedingungen für Emission, Transport und Deposition. Die Expertise der AG „Atmosphärische Dynamik“ liegt vor allem in der Analyse von Staubstürmen und deren Wiedergabe in numerischen Modellen (Knippertz und Todd, 2012 ). Staubstürme treten in verschiedensten Formen und Größen auf, vom Staubteufel mit wenigen Metern Durchmesser bis hin zu fast kontinentalskaligen Ausbrüchen im Zusammenhang mit Hoch- und Tiefdruckgebieten. Mitglieder der Gruppe haben unlängst zum ersten Mal Beiträge von durch Gewitter erzeugten „Cold Pools“ über Afrika zur Staubemission quantifiziert und schwerwiegende Probleme in der Modellierung nachgewiesen (Marsham et al. 2011 , Heinold et al. 2013 ). Fast alle Mechanismen der Staubemission zeigen einen ausgeprägten Tagesgang, der u.a. mit der Bildung und Auflösung von nächtlichen „Low-Level-Jets“ zusammenhängt (Fiedler et al. 2013 ). Die meisten stellen eine erhebliche Herausforderung an das dynamische Verständnis und die Modellierung dar.
Weitere Informationen zum Thema Mineralstaub finden Sie auch im 2014 erschienenen Buch „Mineral Dust - A Key Player in the Earth System“  von P. Knippertz und J.-B. W. Stuut.