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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. Mit diesem Energieüberschuss werden bedeutende Komponenten der allgemeinen atmosphärischen Zirkulation angetrieben, 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, aber 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 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. Diese komplexen Prozesse werden in globalen Wettervorhersagemodellen nicht aufgelöst bzw. nicht richtig wiedergegeben. In der bisher umfangreichsten Studie zur Wettervorhersagbarkeit von Gewitterregen in Westafrika zeigen Vogel et al. (2018), dass neun globale Vorhersagemodelle keine besseren Prognosen liefern als eine aus Beobachtungen abgeleitete statistische Prognose. Umgekehrt beeinflussen großskalige tropische und extratropische Wellenphänomene die Auslösung und Organisation dieser Gewitterkomplexe. Dies zeigen mehrere Studien, welche Mitarbeiter der AG „Atmosphärische Dynamik“ jüngst für Südostasien (van der Linden et al. 2016; van der Linden et al. 2017) und Westafrika (Engel et al. 2017; Knippertz et al. 2017) veröffentlicht haben.

Ein innovativer Forschungsansatz, welche die AG zusammen mit Kollegen aus der angewandten Mathematik verfolgt ist es nun zu testen, ob die bessere Vorhersagbarkeit der Wellenphänomene über statistische Verfahren nicht für eine bessere Vorhersagbarkeit von (Extrem-)Niederschlägen am Boden genutzt werden kann. Fortschritte würden von unmittelbarem Nutzen für die Kleinbauern im tropischen Afrika und Südostasien sein.

Spezielle Interessensgebiete

 

Atlantische Winterstürme verursachen die höchsten volks- und versicherungswirtschaftlichen Schäden in Mitteleuropa. Bekannte Beispiele für Deutschland sind die Orkane „Lothar“ im Dezember 1999, „Kyrill“ im Januar 2007 und „Friederike” im Januar 2018. Dementsprechend steht die Erforschung und Vorhersagbarkeit auf verschiedenen Zeit und Raumskalen seit Jahrzehnten im Mittelpunkt der Meteorologie (Pantillon et al. 2017).

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 diabatischen Antrieb der Winterstürme wurden in letzter Zeit im Angesicht einer sich erwärmenden und daher potentiell mehr Feuchte enthaltenden Atmosphäre viel Aufmerksamkeit geschenkt. Beispielsweise konnten Mitarbeiter der AG „Atmosphärische Dynamik“ zeigen, dass sich Lothar stärker diabatisch und Kyrill in klassischer Weise stärker baroklin intensiviert hat. 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).

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 eines 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.

 

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, andererseits 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.

Forschungen der letzten 10-15 Jahre, an denen die AG “Atmosphärische Dynamik” maßgeblich beteiligt war, haben die Prozessketten entschlüsselt, die zu tropischen Wolkenfahnen und Trockenzeitniederschlägen in Westafrika führen (Knippertz und Fink 2008 ; Davis et al. 2013). Eine bedeutende Rolle der Extratropen für den Zeitpunkt des Beginn des westafrikanischen Monsuns wird diskutiert (Knippertz et al. 2017). In der Arbeit von van der Linden et al. (2017) wird vermutet, dass eine bisher nicht dokumentierte Form der tropisch-extratropischen Wechselwirkung zu einer erhöhten Vorhersagbarkeit eines katastrophalen Niederschlagsereignisses in Nordvietnam im Sommer 2015 führte.

Die AG arbeitet im Kontext der tropischen-extratropischen Wechselwirkungen in führender Position an Fragen, inwieweit diese Vorhersagbarkeit von Tropenregen, aber auch von Hitzewellen auf Zeitskalen von Wochen in Europa verbessern könnten.

Spezielle Interessensgebiete

 

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 somit indirekt den Energiehaushalt. (3) Sie enthalten Eisen und Phosphor, die bei Deposition in Ozeanen oder Regenwäldern 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 , Pantillon et al. 2016). 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 findet man auch im 2014 erschienenen Buch „Mineral Dust - A Key Player in the Earth System“  von P. Knippertz und J.-B. W. Stuut.