Institut für Meteorologie und Klimaforschung

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Tropische Meteorologie

Während sich die Güte von Wettervorhersagen in den gemäßigten Breiten alle zehn Jahre um etwa einen Vorhersagetag in die Zukunft verbessert hat, ist diese Entwicklung in den Tropen leider nicht zu beobachten gewesen. Vogel et al. (2018; 2020) zeigen, dass aktuelle Wettervorhersagemodelle Niederschlagsauftreten und -menge in den Tropen für den Folgetag schlechter vorhersagen als klimatologische (d.h. aus vergangenen Beobachtungen gewonnene) Ensemble-Vorhersage. Dies gilt insbesondere für viele Regionen Westafrikas, für die wir zeigen konnten, dass ein einfaches statistisches Modell basierend auf räumlichen Korrelationen des Niederschlags sowohl die numerische als auch die klimatologische Vorhersage an Güte überbietet (Vogel et al. 2021). Grund dafür sind die kleinräumigen Prozesse in den Tropen, welche für die Auslösung, das Wachstum und die Organisation von Tropengewittern verantwortlich sind und welche in den dafür zu grobmaschigen Wettervorhersagemodellen nicht realitätsnah widergegeben werden können. Daher ist ein Gewinn an Vorhersagegüte in den ersten Stunden durch mehr Beobachtungen und daher besseren Anfangsbedingungen in Westafrika schon nach knapp 24 Stunden aufgebraucht (van der Linden et al. 2020). Derzeit arbeitet die AG in weltweit führender Position u.a. an der Fragestellung, inwieweit die längere Vorhersagbarkeit großskaliger tropischer Wellen, welche den Niederschlag in Westafrika nachweislich beeinflussen (Schlueter et al. 2019a,b), mit Hilfe von statistisch-dynamischen Modellen, unter ihnen auch neuronale Netzwerkansätze, zu einer Verbesserung der Vorhersage von Tropengewittern und dem Auftreten von Hurrikanen im Atlantik genutzt werden kann.

Zur Verbesserung der Wettervorhersage und glaubwürdigeren Projektionen des Niederschlags in Afrika, dessen säkulare Schwankungen seit Mitte des 19. Jahrhunderts wir in Zusammenarbeit mit Prof. Nicholson von der Florida State University dokumentiert haben (Nicholson et al. 2018a,b), untersuchen wir, zum Teil mit Hilfe von dedizierten Feldkampagnen (z.B. Flamant et al. 2018), Prozesse, welche die verschiedenen Typen von Niederschlagsereignissen in Afrika (Fink et al. 2006; Maranan et al. 2018; 2020) und Extremniederschlägen verstehen helfen (Engel et al. 2017; Maranan et al. 2019). Zu diesem Themenkomplex gehört auch die Auswirkung von niedriger Bewölkung und Aerosolen auf die Auslösung und Menge von Niederschlag (Kniffka et. al. 2019; Pante et al. 2021). In letzterer Studie werden Evidenzen dafür gezeigt, dass die zunehmende Luftverschmutzung in Westafrika zu einer Reduktion des Niederschlags in bestimmten Monaten der Regenzeit geführt haben könnte.

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Extratropische Meteorologie

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, wie sie z.B. mit Dopplerlidaren im Feld gemessen werden können (Pantillon et al. 2020). 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 (Eisenstein et al. 2020). Verlässliche raumzeitliche Vorhersagen von Spitzenböen extratropischer Winterstürme stellen derzeit eine große Herausforderung an das Prozessverständnis und für die Modellierung dar. Wettervorhersagemodelle zeigen z.T. erhebliche systematische Fehler, die durch aufwändige statistische Verfahren in Zusammenarbeit mit Mathematikern korrigiert werden (Pantillon et al. 2018).

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Tropisch-Extratropische Wechselwirkungen

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 extratropische 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; Taylor et al. 2018; Ward et al. 2021). 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. Pante und Knippertz (2019) konnten wiederum zeigen, dass eine verbesserte Simulation von Tropengewittern in Westafrika mit einem hochaufgelösten Modell die Vorhersagbarkeit des Wetters in Europa für einen Vorhersagezeitraum von mehr als fünf Tagen verbessert.

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Mineralstaub

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 hat damit massenmäßig den wichtigsten 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, Gasch et al. 2020). 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.

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