Wolken und Niederschlag sind entscheidende Komponenten des Klimasystems, jedoch sind Schlüsselprozesse bisher nicht ausreichend verstanden.
In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir innovative Messverfahren, um Wolken- und Niederschlagseigenschaften zu charakterisieren.
Forschungsprofil
Die Forschungsgruppe drOPS beschäftigt sich mit innovativen Verfahren, um Niederschlag und Wolkeneigenschaften besser mit Fernerkundungs- und In-Situ-Verfahren messen zu können.
Das Ziel ist es, die für die Bildung von Niederschlag verantwortlichen Prozesse innerhalb von Wolken mithilfe der verbesserten Messungen besser zu verstehen und zu analysieren. Weiterhin wird untersucht wie Wolken mit externen Faktoren zum Beispiel mit Aerosolen interagieren. Dafür werden innovative Messverfahren entwickelt, die mithilfe von Machine Learning Methoden die Information von verschiedenen Messgeräten verbinden, um Wolken- und Niederschlagseigenschaften zu charakterisieren. Bei Schneefall können die Messungen der Fernerkundungsgeräte mit der eigens entwickelten VISSS Schneefallkamera evaluiert werden.
Forschungsschwerpunkte
Aktuelle Schwerpunkte der Forschung sind:
- die Charakterisierung der räumlichen Variabilität von arktischen Mischphasenwolken und
- ein besseres Verständnis des Bereifungsprozesses.
Laufende Forschungsprojekte
Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023
Der Planet Erde hat sich in den letzten 150 Jahren im Durchschnitt um 0,87 K erwärmt. In der Arktis ist die Erwärmung viel stärker, was in den letzten Jahrzehnten besonders deutlich wurde. Derzeit übersteigt die Erwärmung der Arktis den Anstieg der oberflächennahen Lufttemperatur in den mittleren Breiten um etwa 2 K. Dieses Phänomen wird allgemein als arktische Verstärkung bezeichnet.
Synergie von Polarimetrischen Radarbeobachtungen und Atmosphärenmodellierung (PROM) – Verschmelzung von Radarpolimetrie und numerischer Atmosphärenmodellierung für ein verbessertes Verständnis von Wolken und Niederschlagsprozessen.
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Wolken- und Niederschlagsprozesse sind seit Jahrzehnten die Hauptquelle von Unsicherheiten in der Wettervorhersage und in Projektionen zum Klimawandel. Ein Großteil dieser Unsicherheiten kann auf fehlende Beobachtungen zurückgeführt werden, die geeignet sind, die Darstellung von Wolken- und Niederschlagsprozessen in atmosphärischen Modellen zu hinterfragen. Die gesamte Atmosphäre über Deutschland wird seit kurzem von 17 hochmodernen polarimetrischen Doppler-Wetterradaren überwacht, die alle fünf Minuten 3D-Informationen über die flüssigen und gefrorenen Niederschlagsteilchen und deren Bewegungen mit einer Sub-Kilometer-Auflösung liefern, die auch von den Atmosphärenmodellen für Wettervorhersagen und Klimastudien herangezogen wird. Die Datenassimilation führt Beobachtungen und Modelle zur Zustandsschätzung als Voraussetzung für die Vorhersage zusammen und kann als intelligente Interpolation zwischen Beobachtungen betrachtet werden, wobei die physikalische Konsistenz der atmosphärischen Modelle als mathematische Randbedingung genutzt wird. Es bestehen jedoch erhebliche Wissenslücken sowohl in der Radarpolarimetrie als auch in den atmosphärischen Modellen, die die volle Ausnutzung des Dreiecks Radarpolarimetrie - atmosphärische Modelle - Datenassimilation behindern und eine koordinierte interdisziplinäre Anstrengung erfordern. Das Schwerpunktprogramm wird die Synergie der neuen Beobachtungen und modernster atmosphärischer Modelle nutzen, um feuchte Prozesse in der Atmosphäre besser zu verstehen und ihre Darstellung in Klima- und Wettervorhersagemodellen zu verbessern. Das Programm wird unser wissenschaftliches Verständnis an den Grenzen der drei Disziplinen für bessere Vorhersagen von niederschlagbringenden Wolkensystemen erweitern, indem es die folgenden Ziele anspricht.
Teilprojekt: Charakterisierung von orographisch beeinflusster Bereifung und sekundärer Eisproduktion und deren Auswirkungen auf Niederschlagsraten mittels Radarpolarimetrie und Dopplerspektren (CORSIPP)
Laufzeit: 01.01.2022 – 30.06.2025
Team: Veronika Ettrichrätz, Dr. Maximilian Maahn
Das Ziel des Projekts „CORSIPP“ in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Jun-Prof. Dr. Heike Kalesse-Los ist es, die Interaktion von Eiskristallen und flüssigen unterkühlen Wolkentröpfchen besser zu verstehen. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf die Bereifung und sekundäre Eiskristalle, die z.B. beim Bereifungsprozess abbrechen können, gelegt.
Um die erforderlichen Daten zu erhalten, werden ein 94 GHz Wolkenradar und eine VISSS Schneefallkamera im Winter 2022/23 nach Colorado geschickt, um an der internationalen SAIL Kampagne teilzunehmen.
Die Schneefallforschung ist in einer bildreichen Story multimedial aufbereitetet.
Untersuchung mikrophysikalischer Prozesse bei der Schneefallformation in mittleren Breiten
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Laufzeit: 01.09.2023 – 31.08.2026
Team: Nils Pfeifer, Dr. Maximilian Maahn
Niederschlag ist eine wichtige, aber wenig erforschte Komponente unseres Klimasystems. In einem sich erwärmenden Klima wird erwartet, dass die Niederschlagsmengen und Extremereignisse, einschließlich starker Schneefälle, zunehmen (Quante et al. 2021), aber die genauen Größenordnungen sind mit großen Unsicherheiten behaftet (Lopez-Cantu et al. 2020). Dies liegt daran, dass die Wege, über die Eiskristalle, flüssiges Wasser, Wolkendynamik und Aerosolpartikel während der Niederschlagsbildung zusammenwirken, nicht gut verstanden werden, was zu Lücken bei der Darstellung dieser Prozesse in numerischen Modellen führt. Dieses mangelnde Prozessverständnis schränkt auch die Erkenntnisse über die Prozesse der Wolkenentwicklung ein, denn durch Schneefall wird der Atmosphäre Wasser entzogen.
Ziele
Ziel des EMPOS-Projekts ist es, unser Verständnis der mikrophysikalischen Vorgänge bei der Schneefallbildung durch die Kombination neuartiger In-situ-Schneefallbeobachtungen mit hochentwickelten Modellierungsinstrumenten zu verbessern. Wir gehen davon aus, dass dies durch den Vergleich der beobachteten Beiträge von Riming, Aggregation und Ablagerungswachstum zu Masse und Häufigkeit des Schneefalls mit atmosphärischen Modellen erreicht werden kann. Durch den gezielten Einsatz einzelner Prozesse wird sichergestellt, dass festgestellte Abweichungen im Modell auf einzelne Schneefälle zurückgeführt werden können und das Modell dort verbessert werden kann, wo es am wichtigsten ist.
Die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele dieses Projekts sind im Einzelnen
- Ziel S1: Quantifizierung, wie Riming-, Verdichtungs- und Ablagerungswachstumsprozesse an der Schneefallbildung in Bezug auf die Häufigkeit des Auftretens und die Gesamtschneemasse beteiligt sind.
- Ziel S2: Verständnis dieser Wolkenprozesse in Abhängigkeit von makrophysikalischen Wolkeneigenschaften wie Wolkentiefe und synoptischen Einflüssen.
Um die wissenschaftlichen Ziele zu erreichen, werden wir die folgenden technischen Ziele verfolgen:
- Ziel T1: Quantifizierung von Riming- und Aggregationsprozessen anhand von VISSS-Messungen.
- Ziel T2: Evaluierung und Verbesserung der Schneefallsimulation in ICON im Standard-Zweimomentschema und im mikrophysikalischen P3-Schema
SIGnificance of secoNdary ice to Arctic snowfall
Förderung: Alexander-von-Humboldt-Stiftung
Laufzeit: 01.08.2023 – 31.07.2025
Team: Dr. Haoran Li
Der Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Quantifizierung der mikrophysikalischen Prozesse in Wolken und Niederschlag mit Fernerkundungsinstrumenten. Eine Synergie aus Fernerkundung und Oberflächenbeobachtungen wird genutzt, um die Auswirkungen sekundärer Eisprozesse auf den arktischen Schneefall zu quantifizieren. Neuartige Algorithmen zur Ermittlung der Eiszahlkonzentration werden eingesetzt, um den Beitrag des sekundären Eises zur Akkumulation von Schneefall an der Oberfläche zu quantifizieren. Dieses Projekt soll unser Verständnis darüber vertiefen, wie mikrophysikalische Wolkenprozesse den Schneefall über der sich rasch erwärmenden Arktis beeinflussen.
Ein Windgeschwindigkeitsradar Wolkenmesser zur Beobachtung von Winden, Wolken und Niederschlag weltweit
Förderung: European Space Agency (ESA)
Genaue Wettervorhersagen sind wichtig für unser tägliches Leben und insbesondere zur Unterstützung des Notfallmanagements bei Unwetterereignissen. Wind, Wolken und Niederschlag gehören zu den grundlegenden Variablen in NWP-Modellen, und die Weltorganisation für Meteorologie (WMO) hat insbesondere das Fehlen weltweit verteilter direkter Windbeobachtungen als eines der Hauptdefizite des derzeitigen globalen WMO-Beobachtungssystems definiert. WIVERN wird die erste weltraumgestützte Mission sein, die wolkeninterne Winde liefert und damit dazu beiträgt, die Lücke im aktuellen WMO Global Observing System zum Nutzen der NWP und der Klimaforschung zu schließen. WIVERN wird auch hochauflösende Reflektivitätsprofile von Regen-, Schnee- und Eiswasser liefern, die für eine bessere Quantifizierung des Wasserkreislaufs und des Energiehaushalts der Erde genutzt werden können, da die Stichprobenfehler im Vergleich zu den derzeitigen und künftigen Wolkenradarmissionen erheblich reduziert werden.
Teilprojekt: WIVERN – Mission Performance and Requirement Consolidation Activity (EE11 Ph.A)
Laufzeit: 15.04.2024 – 15.09.2025
Team: Sabine Hörnig, Dr. Maximilian Maahn
Die Arbeitsgruppe ist daran interessiert, wie Wolken- und Niederschlagsmessungen aus dem Weltraum mit WIVERN weiterentwickelt werden können.
Abgeschlossene Forschungsprojekte
Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen
Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft
Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023
Der Planet Erde hat sich in den letzten 150 Jahren im Durchschnitt um 0,87 K erwärmt. In der Arktis ist die Erwärmung viel stärker, was in den letzten Jahrzehnten besonders deutlich wurde. Derzeit übersteigt die Erwärmung der Arktis den Anstieg der oberflächennahen Lufttemperatur in den mittleren Breiten um etwa 2 K. Dieses Phänomen wird allgemein als arktische Verstärkung bezeichnet.
- Teilprojekt B08: Charakterisierung der räumlichen Variabilität von Eiswassergehalt in und unter Mischphasenwolken
Team: Dr. Maximilian Maahn, Nina Maherndl
Messinstrumente
Das VISSS ist ein in der AG drOPS entwickeltes optisches Gerät mit dem Größe, Form und Fallgeschwindigkeit von Schneeflocken bestimmt werden können.
Das VISSS hat ein recht großes, freistehendes Beobachtungsvolumen, wodurch eine große Anzahl von Schneeflocken ohne Beeinträchtigung des Windfeldes mit hoher Auflösung vermessen werden kann. Das erste VISSS wurde speziell für MOSAiC gebaut, eine verbesserte Version wurde 2021 in Ny-Ålesund aufgestellt.
Kampagnen:
| CORSIPP Beitrag zu SAIL (Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory) | Gothic, Colorado, | 2022/23 |
| (AC)3 SYNCLOUD (Synergistic long-term observations of vertically resolved cloud properties using a novel microwave radiometer/radar for Arctic) | Ny-Ålesund Norway | seit 2021 |
| CRIOS (Combining Radar and Imagining Observations for Snowfall measurements) | Hyytiälä Finnland, | 2021/22 |
MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) | Arkticher Ozean | 2019/20 |
Hersteller: Radiometer Physics GmbH
Mittenfrequenz: 94 GHz (λ = 3,19 mm) ± 100 MHz typical
IF-Bereich: 0,35 to 4,5 MHz
Dieses Radar wurde für die Atmosphärenforschung entwickelt. Es arbeitet bei einer Wellenlänge von 3,2 Millimetern, wodurch eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Baugröße des Gerätes erreicht werden kann. Das Radar liefert Entfernungsprofile von Parametern, die Informationen über Streuer in der Atmosphäre wie Wolkenpartikel, Regentropfen, Schneeflocken und Insekten enthalten. Das Radar verwendet frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (FMCW) und hat daher eine hohe Entfernungsauflösung bis zu 1 m. Die Doppler- und polarimetrischen (optionalen) Fähigkeiten des Radars bilden eine gute Grundlage für eine Klassifizierung von Partikeln und eine quantitative Charakterisierung von Hydrometeoren.
Anwendungsbereiche:
- Kalibrierung von Niederschlags- und Wolkenradaren einschließlich satellitengestützter Systeme
- Abschätzung von Ausbreitungseffekten für Satellitenverbindungen
- Niederschlag und Nebel Nowcast
- Hydrometeor-Klassifizierung
- Quantitative Niederschlagsabschätzung
- Abfrage von Windrichtung und -geschwindigkeit
- Profilierung von flüssigem Wasser
- Mikrophysikalische Analyse von Wolken und Niederschlag
Kampagnen:
| CORSIPP Beitrag zu SAIL (Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory) | Gothic, Colorado, | 2022/2023 |
| HALO-(AC)3 | Svalbard, Norway | Frühling 2022 |