Bachelor- und Masterarbeiten

Polynomial absorption parameterisation (Hauke Damerow)

In climate research, it is often necessary to efficiently calculate atmospheric radiation fluxes and heating rates. The radiative transfer simulator ARTS uses an absorption lookup table to speed up such calculations. However, the interpolation from such a table is still cumbersome in practice.

The goal of this Master thesis is to explore the option to convert an absorption lookup table into a polynomial representation, which would be much easier to use and much more efficient. It will contribute directly to the evolution of ARTS and to important applications in climate models.

Steps:

• Read up on the absorption lookup table, on polynomial absorption parameterisations, and on very simplified parameterizations (Jeevanjee, N. (2023), Climate sensitivity from radiative-convective equilibrium: A chalkboard approach, Am. J. Phys., 91(9), 731–745, doi:10.1119/5.0135727.
• Learn how to generate a lookup table in ARTS, and how to explore it with Python.
• Develop and test a new polynomial model in Python.
• Write up thesis. This also includes making the code for the polynomial model fit for other people to understand and use, and either add it to one of the existing ARTS packages or create a new one.

Direkte Beobachtungen der Abhängigkeit des OLR Spektrums von der bodennahen Lufttemperatur (Sven Katenkamp)

In den letzten Jahren gab es einige spannende modellierede Forschungsartikel zum Spektrum der Outgoing Longwave Radiation. Ziel der Arbeit ist es, dies in Beobachtungen des Satelliteninstruments AIRS nachzuvollziehen.

Schritte:

• Einlesen: Flo Römer, Koll & Cronin, Stevens & Kluft
• Arbeit mit dem AIRS Datensatz von Xiangley Huang
• Reproduktion von Abb. 3 in Koll & Cronin mit echten Beobachtungen (s.u.)
• Interpretation, Zusammenschreiben

Supergreenhouse (Leonie Nellesen)

Kann man in den heißesten Regionen des "Tropical Warm Pools" beobachten, dass sich die abgestrahlte Infrarotstrahlung (OLR) von der Oberflächentemperatur entkoppelt?

Dies soll mit CERES OLR und ERA5 Temperaturdaten untersucht werden.

Schritte:

• Einlesen: Koll & Cronin, Supergreenhouse papers
• Vertraut machen mit CERES und ERA5
• Reproduziere Koll & Cronin Abb. 1 (s.u.)
• Analyse mit Fokus auf den wärmsten Temperaturen
• Zusammenschreiben

Warming in the Pipeline (Sebastian Singer)

Eine interessante Größe des Klimasystems ist das "Zero Emission Commitment". Es gibt an, um wieviel sich die Erde noch erwärmen würde, wenn wir alle anthropogenen Treibhausgasemissionen sofort beenden würden.

In Mauritsen und Pincus (2017) wurde dieser Wert aus Beobachtungen abgeschätzt auf ca. 1°C (relativ zur vorindustriellen Zeit).

Ziel der Arbeit ist es, diesen Wert fünf Jahre später mit denau der gleichen Methodik zu aktualisieren.

Schritte:

• Einlesen: Mauritsen und Pincus, 2017; MacDougall et al., 2020; Rogelj et al., 2019
• Einarbeiten in die Python Skripte von Thorsten Mauritsen
• Aktualisierung der Eingangsdaten
• Auswertung, Vergleich mit dem damaligen Ergebnis
• Zusammenschreiben

Der direkte Einfluss von CO₂ auf FAT / PHAT (Merit Carstensen)

In einer wärmeren Welt verschieben sich die Ambosswolken in den Tropen nach oben, so dass sie ungefähr bei der gleichen Temperatur bleiben (FAT/PHAT Mechanismus). Der Grund dafür liegt in der Strahlungskühlung, die durch die Temperatur limitiert wird, da diese den Wasserdampfgehalt limitiert. In der Arbeit soll untersucht werden, inwieweit der direkte Strahlungseffekt von CO₂ diesen Mechanismus beeinflusst.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Hartmann&Larson, Zelinka/Hartmann, Harrop, B. E., D. L. Hartmann (2012), Testing the Role of Radiation in Determining Tropical Cloud-Top Temperature, J. Climate)
• Analysiere der abrupten 4*CO₂ Simulationen in CMIP5. Wie entwickelt sich die Wolkenhöhe mit der Zeit?

Ein neuer Datensatz für den “Ice Water Path” (Lorena Kowalczyk)

Der Ice Water Path (IWP) ist der vertikal integrierte Gehalt der Atmosphäre an gefrorenem Wasser (in kg/m^2). Holl et al. (2014) haben eine Technik entwickelt, diese Größe aus der Kombination von zwei verschiedenen Satellitensensoren (Mikrowelle und Infrarot) zu gewinnen. Der Name des Verfahrens ist "SPARE-ICE”. Kürzlich wurde das Verfahren in der Master Arbeit von John Mrziglod noch verfeinert. In der neuen Masterarbeit soll das Verfahren jetzt genutzt werden, um einen IWP Datensatz über möglichst viele Jahre zu gewinnen und zu validieren.

Schritte:

• Einlesen (Holl Artikel, Mrziglod Masterarbeit)
• Download der benötigten AVHRR Daten
• Aufsetzen der Prozessierungskette mit den von Mrziglod entwickelten Werkzeugen
• Prozessierung der Daten
• Validierung durch Vergleich mit anderen verfügbaren Messungen (z.B. CloudSat)
• Zusammenfassung der Ergebnisse, Publikation des Datensatzes

Spektrale Klimarückkopplungen in CMIP5 (Florian Römer)

In der Arbeit soll untersucht werden, wie sich das Spektrum der ausgehenden langwelligen Strahlung ändert, wenn sich die Oberflächentemperatur der Erde ändert. Die Werkzeuge dazu sind die Klimamodelldaten aus dem CMIP5 Archiv (die Basis des letzten IPCC Berichts) und das Strahlungstransfermodell RTTOV. Leitfragen sind: Wie unterscheiden sich die verschiedenen Modelle? Haben die Rückkopplungs-Spektren Vorhersagekraft für die Klimasensitivität des jeweiligen Modells? Die Arbeit ist hochaktuell, da sie zur Vorbereitung der Satellitenmission FORUM beiträgt.

Schritte:

• Einlesen (Klimarückkopplungen, Infrarotstrahlung, CMIP)
• Aufsetzen der Skripte für die Berechnung der Spektren
• Analyse der Ergebnisse, Vergleich mit der Klimasensitivität

Warum sind die Trockenzonen in der oberen Troposphäre so trocken?

Schaut man sich Karten der “Upper Tropospheric Humidity” (UTH) an, so fällt auf, dass es kleine Gebiete extremer Trockenheit gibt. In der Arbeit soll untersucht werden, wie die extrem niedrigen relativen Feuchten dort (im Vergleich zu benachbarten Gebieten) zustande kommen. Als Arbeitshypothese könnte man annehmen, dass die relative Feuchte nur von der lokalen Temperatur und der tiefsten Temperatur, die die Luftmasse in letzter Zeit erlebt hat, abhängt.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (FAT Hypothese, Relative Feuchte)
• Auswahl eines Kontrollgebiets
• Besorgen, von Rückwärts-Trajektorien
• Diskussion der Ergebnisse

Was sagen Klimamodelle über die Zukunft von ENSO? (Fiona Fix)

Leitfragen dieser Arbeit sind: Werden El Niño-Ereignisse in Zukunft seltener oder häufiger auftreten? Werden sie stärker oder schwächer ausgeprägt sein? Was kann man analog über La Niña-Ereignisse sagen? Zur Beantwortung bieten sich verschiedene Methoden der Spektralanalyse an: Fourier-Analyse, Wavelets, oder Empirical Mode Decomposition (EMD).

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Wahl der Analyse-Methode (oder eventuell -Methoden)
• Analyse der Daten verschiedener Klimamodelle aus dem IPCC-Archiv
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse
• Diskussion der historischen Entwicklung in Relation zu den Modelldaten

GPM und OceanRAIN (Max Ringel)

OceanRAIN ist ein Referenzdatensatz von Niederschlag über dem Ozean. Er soll in dieser Arbeit benutzt werden, um einen bekannten globalen Satellitendatensatz zu validieren, den der Global Precipitation Mission (GPM).

Schritte:

• Literaturrecherche und einlesen in GPM, OceanRAIN, und in die Vergleichsmethodik die bereits für einen anderen Satellitendatensatz (HOAPS) entwickelt wurde
• Finden von Co-Lokationen
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse. Sind die beiden Datensätze konsistent? Verpasst der Satellit leichten Niederschlag, und wenn ja, wie viel?

Nur Bachelorthema: Tropische Trends (Alena Pils)

Wie viele Jahre braucht es, bis verschiedene tropische Klimatrends statistisch signifikant werden? Das soll anhand einer statistischen Method aus der Literatur untersucht werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Weatherhead, E. C., G. C. Reinsel, G. C. Tiao, X.-L. Meng, D. Choi, W.-K. Cheang, T. Keller, J. DeLuisi, D. J. Wuebbles, J. B. Kerr, A. J. Miller, S. J. Oltmans, and J. E. Frederick (1998), Factors affecting the detection of trends: Statistical considerations and applications to environmental data, J. Geophys. Res., 103(D14), 17149–17161, doi:10.1029/98JD00995)
• Analyse von CMIP5 Daten: Natürliche Variabilität aus Kontrolllauf, Trend aus 1%/Jahr
• Zu untersuchende Parameter: Tropopausenhöhe, Hadley Zelle, Walker Zirkulation

Einmomenten- und zweimomenten-Wolkenmikrophysik-Schemas (Theresa Szyszka)

Die Mikrophysik ist eine wichtige Komponente jedes Wetter- und Klimamodells. Der technisch aktuelle Stand sind sogenannte Zweimomentenschemas, bei denen für jeden Hydrometeortyp zwei Variablen prognostiziert werden. Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, welcher Mehrwert mit einem solchen Schema verbunden ist. Modellläufe dazu sind bereits vorhanden.

Schritte:

• Einlesen zum Zweimomentenschema
• Einarbeiten in das Datenformat der Modellläufe
• Analyse der Unterschiede zwischen den Modellläufen mit verschiedenen Schemas

Nur Masterthema: Eine neue Sichtweise auf die mit Satelliten gemessene Feuchte in der oberen Troposphäre (Theresa Lang)

Feuchte in der oberen Troposphäre ist ein beliebtes Satellitenprodukt, ist aber traditionell mit einigen Problemen behaftet. In der Arbeit soll eine neue Definition von UTH erarbeitet werden, die: a) Für Infrarot und Mikrowellenmessungen gleichermaßen anwendbar ist, und b) sich für lange Klimazeitreihen eignet. Zur Definition und Entwicklung sollen simulierte Messungen für CMIP Klimamodelläufe genutzt werden.

Schritte:

• Einlesen
• Eine neue UTH Definition anhand der Höhe der durch Strahlungskühlung verursachten horizontalen Divergenz der Atmosphäre
• UTH im sich ändernden Klima, Korrektur der Änderung des Temperaturgradienten
• Prozessierung von UTH aus FIDUCEO FCDR Daten
• Analyse der Ergebnisse

ERA-Interim Residuen für Projekt FIDUCEO (Marc Prange)

Bei der Assimilation von Satellitendaten in ein Zirkulationsmodell erhält man als interessante Diagnostische Größe die mittlere Abweichung der Daten vom Modell, das wir hier Residuum nennen wollen. Dies ist eine wertvolle Information für die Interkalibrierung der Sensoren auf verschiedenen Satelliten. Ziel der Arbeit ist es, die Residuen vom Europäischen Zentrum für Mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) so aufzubereiten, dass Sie von uns genutzt werden können, und eine erste Analyse der Residuen für verschiedene Sensoren durchzuführen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Beschaffung der Residuen (mit unterstützung der Arbeitsgruppe)
• Analyse der Daten für verschiedene Instrumente / Satelliten
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse

Nur Masterthema: Einfluss des Strahlungseffekts von hohen Wolken auf die Organisation von Konvektion im tropischen Atlantik (Andreas Beckert)

Die Organisation von Konvektion ist ein spannendes und hochaktuelles Thema der Klimaforschung. Man denkt, dass die Strahlungswirkung von Wolken dabei eine wichtige Rolle spielt. Hier soll speziell der Einfluss hoher Wolken (die aus Eisteilchen bestehen) untersucht werden. Diese wärmen die obere Troposphäre (positive Heating Rate), weil sie Infrarotstrahlung vom Boden absorbieren. Das macht die Troposphäre insgesamt stabiler. Andererseits macht es die Schichtung in den Wolken selber instabiler, weil am Oberrand der Wolke gekühlt, und am Unterrande geheizt wird.

Untersucht werden soll der Einfluss der Wolken mit Hilfe von Simulationen des tropischen Atlantiks mit dem ICON Modell. Denkbar ist z.B, vier verschiedene Setups zu untersuchen: (a) Referenz; (b) ohne Strahlungseffekt hoher Wolken; (c) wie b, aber mit addiertem mittleren Strahlungseffekt; (d) wie a, aber mit subtrahiertem Strahlungseffekt. Diese Methode wurde von Harrop und Hartmann entwickelt, man kann dadurch den lokalen Effekt der Wolken vom mittleren Effekt trennen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (ICON Simulationen, Harrop und Hartmann Paper)
• Aufsetzen und Durchführen der Simulationen
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Sieht man Änderung in der räumlichen Struktur der Wolken zwischen den verschiedenen Läufen? Wie ändert sich der Organisationsgrad (den man durch verschiedene Indizes messen kann).

Nur Bachelorthema: Strahlungswirkung von FCKWs (Hanna Dunke)

Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKWs) absorbieren Infrarotstrahlung, und sind daher Teibhausgase, wenn auch wesentlich schwächere als zum Beispiel Wasserdampf oder Kohlendioxid. Vor kurzem wurde in unserem Stahlungstransfermodell ARTS ein neues Modul zur Berechnung der Absorption durch FCKWs eingeführt. Ziel der Arbeit ist es, dieses Modul zu validieren, und abzuschätzen, wie wichtig FCKWs für unser Klima sind.

Schritte:

• Literaturrecherche
• Strahlungstransferrechnungen mit ARTS
• Analyse der Ergebnisse

Verbesserung von Satelliten-Eiswassersäulen-Retrievals für mittlere Breiten (John Mrziglod)

SPARE-ICE (Holl et al. 2014) ist ein Satellitenprodukt aus Infrarot- und Mikrowellendaten. Es beschreibt die Säulendichte von Eis in der Atmosphäre (Ice Water Path). Eine frühere Masterarbeit zeigt Defizite von SPARE-ICE in mittleren Breiten. Ziel der Arbeit ist es, diese zu verstehen, und wenn möglich zu beheben.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Einlesen von kolokierten SPARE-ICE und CLOUDSAT/CALIPSO Daten
• Neues Training des SPARE-ICE Algorithmus mit diesen Daten
• Auswertung der Ergebnisse
• Eventuell Test, wie gut der Algorithmus mit höher aufgelösten Infrarotdaten funktioniert

Der Tagesgang im Organisationsgrad von Konvektion (Henning Franke)

In der Arbeit soll untersucht werden, in wie weit der Organisationsgrad von Konvektion einen typischen Tagesgang aufweist. Dazu soll ein vorhandener Wolkendatensatz aus Daten des Meteosat SEVIRI Instruments benutzt werden. Als Maß für die Organisation soll die räumliche Korrelationsfunktion benutzt werden (genauer gesagt deren erstes Minimum).

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (SEVIRI CLARA Datensatz, Härter Papers)
• Besorgen, Einlesen, und Darstellen der SEVIRI Daten
• Berechnung der Korrelationsfunktion
• Diskussion der Ergebnisse

Analyse von Flügen des ISMAR Instruments auf FAAM und Vergleich mit Modelldaten (Henning Dorff)

ISMAR ist der Prototyp einer neuen Generation von Satelliteninstrumenten: Ein Mikrowellen-Radiometer mit Kanälen im Submillimeter-Wellenlängenbereich. Das Instrument wurde bisher auf einigen wenigen Forschungsflügen eingesetzt. Ziel der Arbeit ist es, die Messungen des Instruments während einiger ausgewählter Flüge zu analysieren und interpretieren. Dabei sollen sie auch mit verfügbaren Wettermodelldaten verglichen werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen - ISMAR Instrument und Messverfahren
• Auswahl der zu analysierenden Flüge
• Graphische Aufbereitung der Flugzeug- und Modelldaten
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse

Hydrometeor Profilretrieval für ISMAR (Maximilian Schaper)

ISMAR (International SubMillimetre Airborne Radiometer) ist ein Radiometer für Millimeter- und Submillimeterwellen, das auf dem Britischen Forschungsflugzeug FAAM eingesetzt wird. Aus der Messung lassen sich Informationen über Hydrometeore, also Tröpfchen und vor allem Eisteilchen in der Atmosphäre, gewinnen.

In der Arbeit soll ein vorhandener Algorithmus, um aus diesen Daten Höhenprofile der Hydrometeore zu gewinnen getestet und weiterentwickelt werden. Ausserdem soll der Algorithmus auch auf echte gemessene ISMAR Daten angewendet werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (ISMAR, Retrievalalgorithmen, Brath, Wang und Jimenez Papers)
• Idealisierte Retrievals mit simulierten Daten
• Anwendung auf echte Messdaten
• Auswertung und Analyse der Ergebnisse

Astronomische Beobachtungsbedingungen in der Atacama Wüste und ENSO (Johannes Lutzmann)

Die Erfahrung zeigt, dass während und nach starken El Nino Events in der Atacama Wüste wesentlich mehr Wolken und auch Niederschlag auftreten, was die Beobachtungsbedingungen für die zahlreichen astronomischen Observatorien dort verschlechtert. Ziel der Arbeit ist es, diese These zu belegen, mit Hilfe von Reanalysedaten und lokalen Wetterdaten. Speziell als Masterthema wäre weiterhin Anhand von Klimamodellläufen im IPCC Archiv zu untersuchen, wie die langfristige Zukunftsperspektive für die astronomischen Beobachtungen in der Atacamawüste aussieht.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Reanalysedaten, EOF Analyse zur Untersuchung von ENSO)
• Analyse der natürlichen Variabilität und der Korrelation zwischen Beobachtungsbedingungen und ENSO
• Einarbeiten in die CMIP5 Daten
• Analyse der Langfristperspektive

Organisation von flacher Passat-Konvektion (Theresa Mieslinger)

Flache Konvektion in den Passatwindzonen spielt eine große Rolle für das Klima der Erde. Zum Beispiel hat die Tiefe der Passat-Grenzschicht in Klimamodellen einen großen Einfluss auf die Klimasensitivität. In der Arbeit sollen einzigartig hochauflösende Bilder des ASTER Satelliten verwendet werden, um statistische Aussagen über die Passat-Wolken zu treffen, die später zur Verbesserung von Zirkulationsmodell-Parametrisierungen herangezogen werden können.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Umgang mit ASTER Bildern
• Statistische Analyse nach Zhao
• Briant Gamma Index (Shallowness Index)
• Totaler Bedeckungsgrad und Organisation

Strahlungsgetriebene Kaltluftseen in Passatregionen (Theresa Lang)

Neue Simulationsergebnisse auf der LES Skala deuten darauf hin, dass strahlungsgetriebene Kaltluftseen in Passatregionen eine Wichtige Rolle bei der Organisation der Konvektion spielen. Die Luft sinkt dort durch Strahlungskühlung ab, so dass Konvektion unterdrückt ist. Durch die starke Kühlung an der Oberkante der Wolken in der Grenzschicht bildet sich in den Simulationen eine flache Zirkulation aus, die Feuchte (eigentlich Most Static Energy) entgegen des Gradienten transportiert, und so zu einer Selbstorganisation führt. Bisher sind diese Simulationen sehr idealisiert. In der Arbeit geht es darum, solche Kaltluftseen in Beobachtungsdaten zu suchen, und sie so weit wie möglich zu charakterisieren, zum Beispiel nach ihrer typischen horizontalen Ausdehnung und Vertikalstruktur. Die Gebiete sollten relativ groß sein (ca. 100 km) und eine hohe Infrarot-Abstrahlung (OLR) aufweisen.

• Literaturrecherche und Einlesen
• Suche Kaltluftseen in Satellitendaten (MODIS, Megha-Tropiques, SEVIRI)
• Datenanalyse
• Interpretation und Diskussion der Ergebnisse

Wie ändert sich die Wasserdampf-Skalenhöhe im sich ändernden Klima? (Laura Dietrich)

In einem aktuellen theoretischen Paper leiten die Autoren her, dass in einer wärmeren Welt die Skalenhöhe von Wasserdampf größer wäre, auch wenn das Profil der relativen Feuchte gleich bleibt. Ziel der Arbeit ist es zu prüfen, ob die IPCC Klimamodelle auch dieses Verhalten zeigen. Weiterhin wäre es interessant zu untersuchen, wie sich zonale Mittel der “Upper Tropospheric Humidity” (UTH) ändern, da diese unter anderem von der Skalenhöhe abhängen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Aufsetzen der Berechnung von Wasserdampf-Skalenhöhe und Temperaturgradient aus dem Klimamodell
• Durchführung der Rechnung für verschiedene Klimamodelle
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse, Vergleich mit simulierter UTH
• Eventuell Vergleich mit UTH Messdaten und Diskussion

Natürliche Kalibrationsziele für Mikrowellensensoren (Marc Prange)

Satellitendaten werden immer wichtiger für die Klimaforschung. Um lange Zeitreihen analysieren zu können, müssen daher vor allem ältere Daten sorgfältig kalibriert und homogenisiert werden. Damit beschäftigt sich das EU Projekt FIDUCEO. In der Arbeit soll es darum gehen, für Mikrowellendaten der Atmosphärischen Feuchte lange Zeitreihen natürlicher Kalibrationsziele zu erstellen und zu analysieren. Als Kalibrationsziele sollen konvektionsfreie Gebiete der Ozeane verwendet werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Vertraut machen mit den Mikrowellendaten (einlesen, plotten)
• Mittelung für die Ozeangebiete
• Analyse der Ergebnisse

Abschätzung der Verdunstungsrate aus Schiffsmessungen (Simon Michel)

Ziel der Arbeit ist die Abschätzung der Verdunstungsrate aus Schiffsmessungen von Meerestemperatur, Windgeschwindigkeit und anderen meteorologischen Parametern. Das ist wichtig um die bereits mit dem Schiff durchgeführten Niederschlagsmessungen zu komplementieren. Aus Niederschlag minus Verdunstung ergibt sich der Süßwassereintrag in den Ozean, welcher Gegenstand einer laufenden DFG Forschergruppe (FOR 1740) ist.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Auswahl und Einlesen der Schiffsdaten
• Entwicklung eines Algorithmus zur Berechnung der Verdunstung
• Berechnung der Verdunstung für die Schiffsdaten
• Eventuell erster Vergleich mit Satellitendaten (HOAPS)
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse

Strahlungstransfer mit Streuung (Jakob Dörr)

Ziel der Arbeit ist die Verbesserung der Streu-Algorithmen im Strahlungstransfermodell ARTS. Konkret soll in einem ersten Schritt die Konvergenz des sogenannten DOIT (Discrete Ordinate Iterative solution method) Algorithmus verbessert werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Entwicklung von Ideen, wie die Konvergenz beschleunigt werden kann
• Testen der Ideen in ARTS, Darstellung der Testergebnisse
• Wahl der am besten funktionierenden Methode und Implementation
• Diskussion und gut verständliche Dokumentation der neuen Methode

Tropische Klima Muster in der Feuchte der oberen Troposphäre (Miriam Tivig, Nicole Albern)

Upper Tropospheric Humidity (UTH) ist wichtig für die Strahlungsbilanz und ein wichtiger Indikator für die Dynamik in den Tropen. Innerhalb unserer Arbeitsgruppe wurde ein Satellitendatenprodukt von UTH entwickelt. Zusammen mit Klimamodell-Daten aus dem Archiv des letzten IPCC Berichts (CMIP5) ergeben sich Möglichkeiten für mehrere Arbeiten:

1. Die Expansion der Tropen durch die Klimaerwärmung
2. Größe der Trockenzonen in UTH, gibt es Trends? (Miriam Tivig)
3. UTH als Indikator für die Stärke der Hadley (Walker) Zirkulation (Nicole Albern)

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Was sagen die CMIP5 Daten?
• Vergleich Satellitendaten
• Analyse der Ergebnisse

Hyperspektrale Mikrowellenmessungen (Lukas Kluft)

Operationelle Mikrowellen-Satellitensensoren (zum Beispiel MHS auf den Metop Satelliten) haben zur Zeit nur einige wenige Kanäle. Im Infrarotbereich war das früher auch so, dort gibt es aber inzwischen hyperspektrale Instrumente wie IASI, die mit hoher spektraler Auflösung die Strahlung über einen großen Frequenzbereich messen, und damit tausende von Messwerten anstatt einiger weniger Werte pro Pixel liefern.

"Kinetic Inductance Detectors" (KID) ist eine neue Technologie, die das auch im Mikrowellenbereich ermöglicht. Ziel der Arbeit ist es, zu zeigen, wie gut ein solches KID instrument Temperatur und Wasserdampfgehalt der Atmosphäre messen könnte.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Vertraut machen mit der Mathematik der "Optimal Estimation"
• Aufsetzen des Retrievals mit ATMLAB
• Durchführung von Retrieval Simulationen
• Interpretation der Ergebnisse und vergleich mit traditionellen Sensoren

Oberflächentemperatur und statische Stabilität

Man nimmt an, dass das Temperaturprofil in den Tropen im Wesentlichen einer Feuchtadiabate entspricht. In einer wärmeren Welt wäre die Troposphäre daher etwas stabiler geschichtet als in einer kälteren. Ziel der Arbeit ist es eine Bestandsaufnahme der statischen Stabilität in Reanalysedaten und Messungen zu machen, und auszuwerten.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Hartmann&Larson, Zelinka/Hartmann, Bony Stability Iris Paper)
• Einarbeiten in GPS Daten und ERA Reanalyse
• Erstellen von Karten der statischen Stabilität in der oberen Troposphäre.
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Wie groß ist die Variabilität in den Tropen? Wird die Stabilität von der höchsten Oberflächentemperatur in der Umgebung gesetzt? (Bony Argument zur Stabilitäts-Iris überprüfen)

Der Tagesgang der Feuchte in der oberen Troposphäre: Nutzen hochauflösender Modellierung

In konventionellen Modelle repräsentiert die Feuchte einen Mittelwert zwischen bewölkten und wolkenfreien Gebieten. Da nur in letzteren die Feuchte mit Satellitendaten gemessen werden kann, entsteht beim Vergleich ein systematischer Fehler (siehe Abbildung). In der Arbeit soll daher untersucht werden, ob in hochauflösenden Zirkulationsmodellen der Tagesgang der Feuchte besser mit Beobachtungen vergleichbar ist, als in traditionellen GCMs.

Schritte:

• Einlesen (Kottayil Paper, ICON)
• Lesen und Darstellen der ICON Daten
• Konvolution zu Mittelwerten und Auswertung der verschiedenen Tagesgänge
• Analyse der Ergebnisse
• Bei Master: Evtl. Vergleich mit Satellitendaten

Figure: The diurnal cycle of upper tropospheric humidity (roughly the mean relative humidity beween 500 and 200 hPa) in the African ITCZ region in CAM-5 global circulation model simulations. Different colors show curves with different cloud fraction threshold applied. The black line represents the true diurnal cycle, which cannot be directly compared to satellite measurements that involve cloud clearing. (Kottayil 2016, Figure 2, 10.3390/rs8040325)

Cooling to Space

Ein Strahlungsschema berechnet, wie die Atmosphäre durch Strahlung lokal geheizt oder gekühlt wird. Es ist eine wichtige Komponente jedes Zirkulationsmodells und kann einen erheblichen Teil der Rechenzeit verbrauchen. Kürzlich veröffentlichten Jeevanjee und Fueglistaler die Idee zu einem genial einfachen neuen Strahlungsschema, das auf der Idee beruht, nur die Kühlung direkt in den kalten Weltraum zu berücksichtigen. Das Schema lässt sich dadurch mit einfachen analytischen Gleichungen ausdrücken. Ziel der Arbeit ist es, dieses Schema in der Sprache Python zu implementieren, es zu validieren, und möglicherweise auch noch damit zu experimentieren. Je nach Umfang der Arbeit (Master oder Bachelor) sind unterschiedlich aufwändige Experimente denkbar.

Schritte:

• Einlesen: Jeevanjee, N. and S. Fueglistaler (2020), Simple Spectral Models for Atmospheric Radiative Cooling, J. Atmos. Sci., 77(2), 479–497, doi:10.1175/JAS-D-18-0347.1
• Validation des Modells durch Vergleich mit Unserem eigenen Modell ARTS
• Umsetzung des Modells in Python
• Je nach verfügbarer Zeit noch einfache oder komplexere Experimente, zum Beispiel Berechnung des Strahlungsantriebs bei CO₂ Verdopplung
• Zusammenschreiben

Ein schnelles Python Strahlungsschema mit ARTS

Die Methode der repräsentativen Frequenzen ermöglicht es, Strahlungsflüsse sehr genau mit nur wenigen Frequenzen zu berechnen.

Dies soll genutzt werden, um ein schnelles Strahlungsschema mit ARTS/Python aufzusetzen. Die Bausteine hierfür sind bereits vorhanden.

Schritte:

• Einlesen: Simulated Annealing, Gasteiger, Paulina
• Aufsetzen des Schemas in Python
• Test mit KONRAD, je nach Zeitverfügbarkeit
• Zusammenschreiben

Die Größenverteilung von Regen über dem Ozean

Das OceanRAIN-Projekt liefert seit einigen Jahren wertvolle und einzigartige Distrometerdaten über den Ozeanen. Damit lässt sich untersuchen, ob traditionelle Parametrisierungen der Größenverteilung der Tröpfchen als Funktion der Regenrate auch über den Ozeanen gültig sind.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Vergleich etablierter Größenverteilung (z.B. Marshall-Palmer) mit den Messdaten
• Analyse, eventuell Erarbeitung einer neuen Parametrisierung

Tagesgang der Meeresoberflächentemperatur

Ziel der Arbeit ist die Abschätzung des Tagesgangs in der Meeresoberflächentemperatur. Was weiss man aus Satellitendaten, was aus Schiffsmessungen? Dann soll aus dem OceanRAIN Datensatz eine neue Abschätzung des Tagesgangs abgeleitet werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Satellitendaten, Schiffsmessungen)
• Analyse der OceanRAIN Daten
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Wie groß sind die Tagesgänge?

HATPRO Retrievals

Das MI hat ein HATPRO Mikrowellenradiometer. Zu dem kommerziellen Instrument gehört auch eine “Black Box” Auswertungssoftware. Ziel der Arbeit ist es, HATPRO Retrievals für Temperatur und Feuchte mit unserer hauseigenen Software ARTS/QPack aufzusetzen. Dieses Setup soll dann für zukünftige Lehrexkursionen und/oder Forschungsarbeiten eingesetzt werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Erstellen der ARTS/QPack Konfiguration
• Testretrievals mit simulierten Daten
• Eventuell Auswertung von bei der letzten LEX durchgeführten HATPRO Messungen
• Analyse und Diskussion

Cirrus-Bedeckungsgrad, Meerestemperatur, Vertikalgeschwindigkeit, und Organisationsgrad

In einem aktuellen Artikel zeigen Bony et al., dass es thermodynamische Argumente gibt, nach denen der Cirrus-Bedeckungsgrad in einer wärmeren Atmosphäre zurückgehen sollte. Ziel der Arbeit ist es, zu prüfen, ob sich dieses Verhalten in Beobachtungsdaten wiederfinden lässt. Dabei müssen andere Faktoren, die den Cirrus-Bedeckungsgrad ebenfalls beeinflussen, sorgfältig kontrolliert werden, insbesondere die Meerestemperatur, die Vertikalgeschwindigkeit, und den Organisationsgrad der Konvektion.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Umgang mit Cloudsat / Calipso Daten und/oder SEVIRI Daten
• Datenanalyse (Cirrus-Bedeckungsgrad als Funktion der anderen Größen)
• Interpretation und Diskussion der Ergebnisse

Einfluss der Sphärizität der Atmosphäre auf langwellige Strahlungskühlungsraten

Die Atmosphäre kühl sich durch Abstrahlung im infraroten Spektralbereich. Ein Strahlungstransfermodell (ARTS) erlaubt es, diese Abkühlungsraten zu berechnen. Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, ob die sphärische Geometrie der Erde einen Einfluss auf die Kühlungsraten hat. Alle Klimamodelle rechnen nämlich bisher mit einer planparallelen Atmosphäre. In einer sphärischen Atmosphäre ist der Raumwinkel des kalten Himmels größer, also vielleicht auch die Abkühlungsrate?

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Strahlungsbudget, RF-MIP, Strahlungstransfer)
• Aufsetzen und Durchführen von ARTS Simulationen
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Ist die sphärische Geometrie wichtig?

IASI Wasserdampfretrieval

In der Arbeit sollen aus IASI Satellitendaten Profile von Wasserdampf für die NARVAL-2 Flugzeugkampagne gewonnen werden. Diese sollten dann mit anderen Kampagnendaten verglichen werden. Ein interessanter Aspekt für das Retrieval ist, wie mit Korrelationen zwischen Feuchte und Temperatur umzugehen ist. Feuchte Schichten finden sich oft im Zusammenhang mit Temperaturinversionen. Dies könnte ein Grund sein, warum existierende Retrievals diese Schichten manchmal übersehen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Lukas Masterarbeit, IASI Retrievalpapers)
• Idealisierte Retrievals mit simulierten Daten
• Anwendung auf echte Messdaten
• Diskussion der Ergebnisse

Radiointerferenz bei AMSU-B

Der Satellitensensor AMSU-B auf einigen Satelliten litt an Radiointerferenz. Immer wenn Daten zur Bodenstation gefunkt wurden, verschlechterte sich dadurch die Messgenauigkeit. Dank des EU Projekts FIDUCEO verfügen wir über eine Datenbank mit Kolokationen verschiedener Satelliten, wo zwei Satelliten gleichzeitig die selbe Stelle beobachten. Dieses soll benutzt werden, um eine verbesserte Korrektur für die Radiointerferenz zu entwickeln.

Schritte:

• Einlesen
• Vergleich der “Sender ein” mit “Sender aus” Daten in der Kolokationsdatenbank
• Analyse der Ergebnisse, Entwicklung einer Korrektur

Variabilität der Verdunstung innerhalb eines Satellitenpixels mit OceanRAIN Schiffsdaten

Im Vergleich zum zeitlich und räumlich stark variablen Niederschlag, verteilt sich die Verdunstung über dem Ozean relativ homogen über die Fläche eines Satellitenpixels (z.B. der HOAPS Satellitenklimatologie). Dennoch stellt sich die Frage, wie stark die Verdunstung innerhalb eines Satellitenpixels variiert und welche Parameter sie am stärksten beeinflussen?

Schritte:

• Literaturrecherche OceanRAIN, Co-Lokationen
• Einarbeiten in OceanRAIN
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse. Wie stark schwankt die Verdunstung entlang einer OceanRAIN Schiffsspur? Die Messgenauigkeit welches Parameters müsste verbessert werden, um die Genauigkeit der Verdunstung zu erhöhen?

Algorithmus nach Tucker (1961) — Ableitung von Niederschlagsraten aus Schiffswetterbeobachtungen

Die Qualität der Ableitung von Niederschlagsraten aus den Wetterbeobachtungen an Bord von Schiffen (nach Tucker, 1961, doi: 10.1002/qj.49708737204) soll mit Hilfe des OceanRAIN Datensatzes überprüft werden. Dazu dienen 1-minütliche Niederschlagsraten aus Disdrometerdaten sowie dreistündliche Wetterbeobachtungen von mehreren Forschungsschiffen.

Schritte:

• Literaturrecherche OceanRAIN, Tucker (1961), WW-codes
• Einarbeiten in OceanRAIN und Erarbeiten einer Zuordnungsmethodik
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse. Ist der Algorithmus von Tucker auch heute noch brauchbar? Gibt es klimatische Regionen, in denen er sich besonders gut oder schlecht eignet? Kann man ihn gegebenenfalls auf Basis des Vergleichs mit OceanRAIN verbessern?

Wie Simpsonisch ist die Erdatmosphäre? (Und warum nicht mehr?)

Im Jahr 1928 publizierte Simpson ein einfaches Modell für die aus der Erdatmosphäre entweichende Wärmestrahlung. Nach diesem Modell sollte die Strahlung in den Wasserdampf-Absorptionsbändern unabhängig von der Temperatur sein. Die echte Atmosphäre verhält sich nicht so. In der Arbeit soll untersucht werden, was der Hauptgrund dafür ist. Das verspricht wichtige Einsichten in die Funktionsweise unseres Klimas. Die Untersuchung erfolgt mit dem 1D Strahlungs-Konvektionsgleichgewichtsmodell KONRAD. Als Arbeitshypothese soll angenommen werden, dass die Druckabhängigkeit der Absorption hauptverantwortlich für die nicht-Simpsonität der Atmosphäre ist.

Schritte:

• Einlesen (Ingram, QJRMS, 2010; Kluft et al. 2018)
• Einarbeiten in das 1D Strahlungs-Konvektionsgleichgewichtsmodell KONRAD
• Modifikation des Modells, so dass die Absorption nur noch vom Wasserdampf abhängt, und nicht mehr von Druck und Temperatur
• Analyse der Ergebnisse, eventuell weitere Experimente

OceanRAIN - Abhängigkeit der Niederschlagsintensität von der Meerestemperatur

Man erwartet, dass die durchschnittliche und maximale Niederschlagsintensität mit steigender Meerestemperatur zunimmt, allerdings unterschiedlich stark. Auch zwischen stratiformem und konvektivem Niederschlag sollte man unterscheiden. OceanRAIN ist ein einzigartiger Datensatz von Niederschlag über den Ozeanen, der sich gut zur Untersuchung dieses Zusammenhangs eignet.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen - Welcher Zusammenhang ist theoretisch zu erwarten
• Analyse der OceanRAIN-Daten
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse

Instrumentencharakterisierung mit Hilfe des Mondes

Beobachtungen der Erdatmosphäre mit Mikrowelleninstrumenten (Wellenlängen im mm- und cm-Bereich) auf Satelliten in polaren Umlaufbahnen werden mittels einer kalten und einer warmen Referenz geeicht. Als kalter Vergleichsstandard dient die 3 K Hintergrundstrahlung, deren Messung jedoch gelegentlich durch das Eindringen des Mondes in das Blickfeld gestört wird. Aus der dabei gemessenen “Lichtkurve” des Mondes lassen sich Informationen über die genaue Blickrichtung des Instruments, seine Beugungsfigur etc. gewinnen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Analyse der Daten für verschiedene Instrumente / Satelliten: Berechnung von Positionierungsgenauigkeit und “Keulenbreite”
• Diskussion und Interpretation der Ergebnisse: Abweichungen zwischen der Charakterisierung im Flug und auf dem Boden

Nur Bachelorthema: Die Geschichte der Köhler Gleichung

Recherchiere und dokumentiere die Geschichte der Köhler Gleichung. (Das schließt auch die physikalische Herleitung und Interpretation ein.)

Dekadischer Trend in HIRS UTH und Vergleich mit AMIP

Vor kurzem erschien ein Artikel, der in der Feuchte der oberen Troposphäre (UTH) aus Daten des Infrarot-Satellitensensors HIRS einen signifikanten Dekadischen Trend (zwischen 2000-2009 und 1980-1989) fand (Gierens et al. 2014). Ziel der Arbeit ist es, selber die HIRS Daten zu analysieren und dann mit den Ergebnissen der AMIP Modellläufe im Archiv des IPCC zu vergleichen.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen
• Einlesen der HIRS Daten und sich mit ihnen vertraut machen
• Trendanalyse
• Einlesen der AMIP Modelldaten
• Erzeugen von modellsimulierten UTH-Daten (nutzt Expertise in der Arbeitsgruppe)
• Trendanalyse der Modelldaten
• Diskussion der Ergebnisse

Der Trend in der Höhe der tropischen Tropopause

Theoretische Überlegungen führen zu der Vorhersage, dass sich bei einer Erhöhung der 2-Meter Temperatur in den Tropen die Tropopause erhöht, mit einer Rate von ungefähr 300 m pro Kelvin Temperaturanstieg (Vallis et al., 2015). Das Phänomen ist auch robust in Klimamodellen zu beobachten. In der Arbeit soll untersucht werden, ob vorhandene Temperaturprofile aus Radio-Okkultationsmessungen das Phänomen ebenfalls belegen. Dazu soll die Zeitreihe der über die ganzen Tropen gemittelten Tropopausenhöhe aus den Daten berechnet, und mit der Zeitreihe der Mitteltemperatur verglichen werden.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Tropopausenhöhe, Radio-Okkultation)
• Berechnung der Mittelwerte und ihrer Zeitreihe
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Sieht man Trend oder statistische Korrelation? Sind diese signifikant?

Eine neue Methode zur Interkalibration von Satellitenmessungen

Seit mehr als 30 Jahren gibt es Polar-umlaufende Infrarot und Mikrowellen-Satellitensensoren, die die Feuchte in der oberen Troposphäre messen. Um diesen einzigartigen Datensatz für die Klimaforschung nutzen zu können, müssen die verschiedenen Instrumente sorgfältig kalibriert werden, so dass keine Sprünge von Instrument zu Instrument auftreten. Die größte Schwierigkeit hierbei ist es, geeignete Kalibrationsziele zu finden, d.h. Gebiete, die im gleichen Zeitraum von allen zu vergleichenden Sensoren überflogen werden, und die homogen und zeitlich stabil sind. Hier soll eine neue Methode erprobt werden, diese Gebiete zu finden, nämlich: Als warmes Gebiet den Kern der Atlantischen subtropischen Subsidenzzone. Dieser wandert umher, daher soll aus Geostationären Satellitendaten eine Zeitreihe der Eckkoordinaten des Kalibrationsgebiets ermittelt werden. In diesem sich bewegenden Fenster werden dann die Daten der Polar-umlaufenden Satellitendaten gemittelt.

Falls die Zeit reicht könnte auch noch untersucht werden, ob sich im Arktischen oder Antarktischen Winter Zonen finden lassen, die sich als kaltes Kalibrationsgebiet eignen. (Winter deshalb, weil in der Polarnacht keine Tagesgänge zu erwarten sind.)

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (John Artikel zu Interkalibrationsmethoden)
• Bestimmung des beweglichen Kalibrationsfensters aus geostationären Infrarotdaten
• Mitteln der polaren Mikrowellendaten im Kalibrationsfenster
• Analyse der so gewonnenen Zeitreihen für die verschiedenen Satelliten
• Auswertung: Funktioniert diese Kalibrationsmethode? Was könnte man noch optimieren

Tagesgang des Organisationsgrades von Konvektion über dem tropischen Ozean

Die Organisation von Konvektion ist ein spannendes und hochaktuelles Thema der Klimaforschung. Mit Satellitendaten lässt sich der Organisationsgrad beobachten (Methode von Tobin). Ziel der Arbeit ist es, zu untersuchen, ob sich mit dieser Methode ein Tagesgang im Organisationsgrad feststellen lässt. Der Fokus liegt dabei über dem Ozean. Dort gibt es bisher weniger Untersuchungen zum Tagesgang als über Land, wo die Tagesgänge sehr stark sind.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Tobin papers)
• Beschaffung der Geostationären Infrarotdaten
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse: Sieht man einen Tagesgang in der Intensität der Konvektion oder im Organisationsgrad?

Der Tagesgang von tiefer und überschießender Konvektion

Tiefe Konvektion spielt eine große Rolle für die Atmosphärische Dynamik in den Tropen. Sie hat starke Tagesgänge, die aus Tagesgängen in der Oberflächentemperatur resultieren. Ziel der Arbeit ist es, die bekannte Methode von Hong auf neue Daten (Megha-Tropiques) anzuwenden, die besonders gut zur Analyse der Tagesgänge geeignet sind. Dabei sollten verschiedene Regionen getrennt betrachtet werden, teils über Land, teils über Ozean.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Megha-Tropiques, Mikrowellenmethode von Hong)
• Viewing Angle Korrektur der Daten (auf Nadir-Helligkeitstemperaturen)
• Binnen der Daten und Berechnung des Bedeckungsgrades von tiefer und überschießender Konvektion
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse

Tiefe und überschießende Konvektion - Vergleich Darwin Radar mit Mikrowellen-Satellitendaten

Tiefe Konvektion spielt eine große Rolle für die Atmosphärische Dynamik in den Tropen. Gelegentlich überschießt sie sogar die Tropopause. In der Arbeit solle eine lange Radar Zeitreihe aus Darwin (aus der Arbeitsgruppe von Christian Jakob) mit Mikrowellen-Satellitendaten verglichen werden. Ziel ist es, die Interpretation von Mikrowellendaten auch ohne gleichzeitige Radarmessungen zu verbessern.

Schritte:

• Literaturrecherche und Einlesen (Radar, Mikrowellenmethode von Hong)
• Co-Lokation der Radar- und Mikrowellendaten
• Evaluation der Hong-Methode mit den Radardaten
• Analyse und Diskussion der Ergebnisse