bluuebunny/crossref_metadata_2025 huggingface dataset:
Verursacht der Klimawandel eine sprunghafte Veränderung in der Pflanzenentwicklung ?
Authors: Plückhahn Bianca , Engels Anja , Ehlig Andreas
Published: December 2021

Betrachtung der Verschiebung phänologischer Phasen am Beispiel der
historischen phänologischen Beobachtungsdaten aus Geisenheim (1896 bis heute)

Die Pflanzenwelt reagiert sensibel auf Temperaturschwankungen. So ist wenig verwunderlich, dass sich der Klimawandel deutlich auf die Pflanzenentwicklung auswirkt. Besonders auffällig ist der immer frühere Vegetationsbeginn. Diese Veränderungen in der Pflanzenentwicklung lassen sich anhand langer phänologischer Beobachtungsreihen dokumentieren. Hierbei werden die Entwicklungsstadien in der Pflanzenwelt im Jahresverlauf beobachtet, wie zum Beispiel Beginn der Blüte, Blattentfaltung oder Fruchtreife ausgewählter Pflanzen. Eine Besonderheit sind lange phänologische Datenreihen, zu denen vom gleichen Standort auch Wetterbeobachtungsdaten vorliegen.

Durch das Königlich Preußische Meteorologische Institut wurde bereits 1884 eine Klimastation an der Lehranstalt für Obst und Weinbau in Geisenheim eingerichtet. Ab 1896 wurden dort auch systematisch phänologische Beobachtungen durchgeführt. Während des 2. Weltkrieges kam es zu vorübergehenden Ausfällen, im Großen und Ganzen konnte jedoch die Beobachtungsreihe bis heute fortgeführt werden. Insgesamt liegt damit – von wenigen Ausfällen abgesehen – eine Datenreihe vom Standort Geisenheim vor, die seit 1896 bis heute einen Zeitraum von mehr als 120 Jahren abdeckt.

Mit der viel beschriebenen und inzwischen unumstrittenen Verfrühung von phänologischen Phasen geht eine Verlängerung der Vegetationsperiode einher. Bei genauer Betrachtung der Geisenheimer Datenreihe fällt auf, dass diese Veränderungen in der Pflanzenentwicklung nicht unbedingt ein kontinuierlicher Prozess sind. Vielmehr ist bei der Betrachtung einzelner Pflanzenphasen ein regelrechter Sprung in der Datenreihe zu sehen. Die Gründe hierfür werden näher beleuchtet. Dabei werden neben den phänologischen Beobachtungen auch die meteorologischen Daten berücksichtigt. Ein besonderes Augenmerk gilt der verfrühten Pflanzenentwicklung im Frühjahr und Frühsommer.
Ein LES-basiertes System zur Kurzfrist-Vorhersage von Böen und Nebel im Umfeld von Flughäfen
Authors: Knoop Helge , Maronga Björn
Published: December 2021

Starke Windböen gelten als größtes Sicherheitsrisiko in der Luftfahrt. Besonders gefährlich werden sie für Flugzeuge in unmittelbarer Nähe des Flughafens während des Starts und der Landung. Um eine Vorhersage der bodennahen Böen bei Starkwind-Wetterlagen zu erhalten, verlässt sich die Luftfahrt derzeit noch auf empirische Böen-Parametrisierungen, die ausschließlich auf mesoskaligen und regionalen numerischen Wettervorhersagedaten basieren. Diese Modelle haben derzeit Gitterauflösungen in der Größenordnung von 1 Kilometer und lösen die lokale Topographie und Vegetation nicht ausreichend auf. Dies ist besonders problematisch, da diese lokalen Hindernisse eine Hauptquelle für oberflächennahe Turbulenz sind. Die oberflächennahe Turbulenz ist maßgebend für die Dauer und Stärke der bodennahen Windböen, sie kann aber durch mesoskalige und regionale numerischen Wettervorhersage-Modelle nicht aufgelöst werden und muss vollständig parametrisiert werden. Folglich vernachlässigen die empirischen Böen-Parametrisierungen die realen lokalen Hindernisse um einen bestimmten Flughafen vollständig, was zu erheblichen Unsicherheiten in der Gefährdungsprognose führt. Die hochauflösende Large-Eddy-Simulation (LES) ist ein angemessenerer und physikalischer Ansatz, um lokale Hindernisse zu berücksichtigen und die durch sie verursachte Turbulenz explizit aufzulösen. Mit dem hochauflösenden LES-Modell PALM untersuchen wir, wie sich Windböen, die durch lokale Hindernisse verursacht werden, auf den bodennahen Luftraum des Frankfurter Flughafens auswirken. Wir vergleichen diese LES-Ergebnisse mit hochauflösenden Windmessungen von mehreren Standorten am Flughafen, und quantifizieren die Vorhersagequalität des LES-Ansatzes im Vergleich zur Vorhersagequalität der traditionellen empirischen Böen-Parametrisierungen. Schließlich skizzieren wir, wie PALM als Lupe in mesoskalige Modelle eingebettet werden kann, um ein neues und verbessertes Vorhersagesystem für Gefahren durch Windböen an Flughäfen bereitzustellen. Dieses neue Vorhersagesystem kann verwendet werden, um bestehende empirische Böen-Parametrisierungen zu verbessern, und es kann in einem operationellen Umfeld angewendet werden, um verbesserte Gefährdungsprognosen zu Windböen zu liefern.
Windwurf-Modellierung von Stadtbäumen eingebettet in das LES-Modell PALM
Authors: Knoop Helge , Maronga Björn , Gross Günter
Published: December 2021

Stürme können extreme Kräfte entwickeln, die ganze Bäume beschädigen können. Bei solchen Starkwind-Wetterlagen können Baumschäden auftreten, die von einzelnen abgebrochenen Ästen bis hin zum Abknicken ganzer Baumstämme oder der Entwurzelung des ganzen Baumes reichen. Besonders im urbanen Umfeld kann durch diesen sogenannten Windwurf, neben dem eigentlichen Holzschaden, auch erheblicher Sachschaden oder sogar Lebensgefahr für die Stadtbevölkerung entstehen. Daraus resultiert ein besonderes Interesse von Stadtverwaltungen und Stadtplanern, möglichst realistisch vorhersagen zu können, welche Stadtbäume der größten Gefahr durch Windwurf ausgesetzt sind. Computersimulationen sind ein gutes Hilfsmittel um Windwurf vorherzusagen und entsprechende präventive Maßnahmen zu planen. Neben möglichst genauen Informationen über die Beschaffenheit der Bäume selbst, ist eine möglichst gute Vorhersage der Windgeschwindigkeitsspitzen unbedingte Voraussetzung um Sturmschäden an Stadtbäumen vorhersagen zu können. Während Starkwind-Wetterlagen sind Windböen als lokales turbulentes Phänomen die Ereignisse mit den höchsten Windgeschwindigkeiten. Um die lokale Turbulenz in der Größenordnung einzelner Bäume und typischer urbaner Strukturen aufzulösen, wird heutzutage die hochauflösende Large-Eddy-Simulation (LES) als ein angemessenerer und physikalischer Ansatz betrachtet. Das Stadtklimamodell PALM ist ein hochauflösendes LES-Modell, das in der Lage ist, komplexe urbane Umgebungen zu simulieren. Wir haben PALM um ein Windwurf-Modell erweitert und anschließend untersucht, wie sich Windböen, die durch die lokale urbane Umgebung verursacht werden, auf die Windwurf-Gefährdung einzelner Stadtbäume auswirken. Dabei haben wir besonderen Fokus darauf gelegt, wie sich die Windwurf-Gefährdung einzelner Bäume in Baumgruppen während anhaltender Starkwind-Wetterlagen verändert, nachdem Nachbarbäume bereits gefallen sind.
The impact of gravity wave drag modifications on stratospheric pathways of Arctic-midlatitude linkages using deep learning
Authors: Mehrdad Sina , Karami Khalil , Handorf Dörthe , Quaas Johannes , Höschel Ines , Jacobi Christoph
Published: December 2021

The global warming has been observed to be more severe in the Arctic compared to the rest of the world. This enhanced warming i.e. Arctic Amplification is not just the result of local feedback processes in the Arctic. The stratospheric pathways of Arctic-midlatitude linkages and large-scale dynamical processes can contribute to the Arctic Amplification. The polar stratospheric dynamics crucially depends on the atmospheric waves at all scales. The winter polar vortex can be disturbed by gravity waves in the middle atmosphere. To investigate the sensitivity of the polar vortex dynamics, large-scale dynamical processes, and the stratospheric pathways of the Arctic-midlatitude linkages to the modification of gravity wave drag, we conduct sensitivity experiments using the global atmospheric model ICON-NWP (ICOsahedral Nonhydrostatic Model for Numerical Weather Prediction). These sensitivity experiments are performed by imposing a repeated annual cycle of the year 1986 for sea surface temperatures and sea ice as lower boundary conditions and for greenhouse gas concentrations as external forcing. This year is selected as both El-Nino Southern Oscillation and Pacific decadal oscillation were in their neutral phase and no explosive volcanic eruption has occurred. Hence, lower boundary and external forcing conditions in this year can serve as a useful proxy for the multi-year mean condition and an estimate of its internal variability. We performed simulations where in the control simulation the sub-grid parameterization scheme for both orographic and non-orographic gravity wave drags are switched on. The other two experiments are identical to the control simulation except that either orographic or non-orographic gravity wave drags are switched off.

Recently, deep learning has extraordinarily progressed our ability to recognize complex patterns in big datasets. Deep neural networks have shown great capabilities to capture the dynamical process of the atmosphere. Applying deep learning algorithms on experiments’ results, the impact of gravity wave drag modifications on large-scale mechanisms of the Arctic Amplification will be analyzed. Special emphasis will be put on the effects of gravity wave drag modifications on the polar vortex dynamics.
Modeling the Tropospheric Multiphase Chemistry of Biomass Burning Trace Compounds Using the Chemical Aqueous Phase Radical Mechanism (CAPRAM)
Authors: He Lin , Hoffmann Erik H. , Tilgner Andreas , Herrmann Hartmut
Published: December 2021

Biomass burning (BB) is a significant contributor to air pollution on global, regional and local scale with impacts on air quality, public health and climate. Anhydrosugars and methoxyphenols are key tracers emitted through BB. Once emitted, they can undergo complex multiphase chemistry in the atmosphere contributing to secondary organic aerosol (SOA) formation. However, their chemical multiphase processing is not yet well understood and investigated by models. Thus, the present study aimed at a better understanding of the multiphase chemistry of these BB tracers by detailed model studies with a new developed CAPRAM biomass burning module (CAPRAM-BBM).This module was developed based on the kinetic data from our laboratory measurements at TROPOS and other literature studies. The developed CAPRAM-BBM includes 2991 reactions (9 phase transfers and 2982 aqueous-phase reactions). By coupling with the multiphase chemistry mechanism MCMv3.2/CAPRAM4.0 and the extended CAPRAM aromatics (CAPRAM-AM1.0) and halogen modules (CAPRAM-HM3.0), itis being applied for residential wood burning cases in Europeand wildfire cases in the US. Our model results show that levoglucosan and vanillin are effectively oxidized under cloud conditions. Furthermore, the results demonstrate that the chemistry of BB tracers can affect the budgets of key oxidants such as H2O2, and contribute to the SOA formation especially by increasing the fraction of brown carbon and substituted organic acids.
Transport and transformation of atmospheric aerosol across Central Europe with emphasis on anthropogenic sources 
Authors: Arora Shubhi , Lhotka Radek , Ondracek Jacub , Pokorna Petra , Poulain Laurent , Herrmann Hartmut
Published: December 2021

The trend in PM10 concentrations in Europe has stagnated over the last two decades, showing only limited annual changes even though there are continued reductions in PM emissions. Possible reasons could be linked to both the aging processes of the particles in the atmosphere and their long-range transport. Therefore, better understanding the multiple origins of the atmospheric aerosol, their sources apportionment at different places are necessary for the development of efficient mitigation strategies. The ultimate objective of the project TRACE is to assess the transport and transformation of atmospheric aerosol across Central Europe with emphasis on anthropogenic sources (including coal and wood combustion) using synergic measurement methods (offline and online) and state-of-the art modelling tools including receptor-oriented models and Chemical transport models. Measurements were performed during winter and summer periods in 2021 simultaneously at three sampling places (Melpitz, DE, Kosetice, CZ, and Frydland, CZ) using state-of-the-art online and offline comprehensive chemical characterization of the atmospheric aerosol. Preliminary results from Scanning Mobility Particle Sizer (SMPS) showed peaks as high as 50 µg/m³ mass concentration during a dust event. Moreover, results from Aerosol Mass Spectrometer (AMS) and receptor modeling (RF) via Positive Matrix Factorization (PMF) from the winter campaign will be presented. 
Bestimmung von Verkehrsemissionsfaktoren für ultrafeine Partikel aus mehrjährigen Partikelflussmessungen mittels Eddy-Kovarianz in Berlin
Authors: Straaten Agnes , Nguyen Minh-Hien , Weber Stephan
Published: December 2021

Ultrafeine Aerosolpartikel (Dp < 100 nm, UFP) können über die Atemwege in den menschlichen Körper gelangen und dort akute und chronische Gesundheitsbeeinträchtigungen herbeiführen. In Städten stellt der Straßenverkehr eine der wichtigsten Quellen ultrafeiner Partikel dar. Die Quellstärke des städtischen Straßenverkehrs kann mithilfe von Emissionsfaktoren quantifiziert werden, die eine wichtige Eingangsgröße für Simulationsmodelle zur Berechnung städtischer Schadstoff-/Partikelausbreitung darstellen. Eine Möglichkeit zur Berechnung von Verkehrsemissionsfaktoren ergibt sich aus der Kombination von turbulenten Partikelflüssen mit flächenbezogenen Verkehrsstärken im Quellbereich der Flussmessungen. Da die Anzahl an Partikelflussmessungen im urbanen Bereich, besonders für Langzeitmessungen größenklassifizierter Partikelflüsse, derzeit noch relativ gering ist, sind insgesamt nur wenige Vergleichsdaten verfügbar.

In der vorliegenden Studie wurde ein 3-jähriger Datensatz größenklassifizierter Partikelflussmessungen aus Berlin herangezogen (Teilprojekt im Modul 3DO+M, Verbundprojekt 'Stadtklima im Wandel'), um Emissionsfaktoren für das Verkehrsflottenmittel im Quellbereich der Partikelflüsse zu berechnen. Aufgrund der größenklassifizierten Flussmessungen können Emissionsfaktoren für unterschiedliche Partikelfraktionen, z.B. < 30 nm, < 100 nm (UFP) sowie < 200 nm, berechnet und mit Literaturwerten verglichen werden. Die Emissionsfaktoren werden für einzelne Untersuchungsjahre bestimmt, um annuelle Variabilität und Änderungen der Faktoren diskutieren zu können. Erste Ergebnisse zeigen robuste Resultate bei Anwendung der Methodik zur Berechnung von Emissionsfaktoren aus Eddy-Kovarianzdaten für Berlin, die in der Größenordnung u.a. mit einem Standort in Stockholm, Schweden, vergleichbar sind.
Impact of aerosols on photovoltaic energy production using a spectrally resolved model chain: A case study for Sub-Sahara West-Africa
Authors: Meilinger Stefanie , Herman-Czezuch Anna , Zemo Mekeng Armelle , Kimiaie Nicola , Barry James
Published: December 2021

West Africa has a great potential for the application of solar energy systems, as it combines high levels of solar irradiance with a lack of energy production. Southern West Africa is a region with a very high aerosol load. Urbanization, uncontrolled fires, traffic as well as power plants and oil rigs lead to increasing anthropogenic emissions. The naturally circulating north winds bring mineral dust from the Sahel and Sahara and monsoons - sea salt and other oceanic compounds from the south. The EU-funded Dynamics-Aerosol-Chemistry-Cloud Interactions in West Africa (DACCIWA) project (2014–2018), dlivered the most complete dataset of the atmosphere over the region to date. In our study, we use in-situ measured optical properties of aerosols from the airborne campaign over the Gulf of Guinea and inland, and from ground measurements in coastal cities.

Based on an analysis of the aerosol optical properties form the DACCIWA measurement campaign, the impact of aerosol on PV power is investigated for polycrystalline silicon and amorphous silicon technology using a spectrally resolved model chain. The model considers both spectral effects on global irradiance due to different aerosol properties as well as the spectral response of different PV technologies. First, the contribution of various aerosol types (mineral dust, biomass burning and anthropogenic pollution) derived from a post-project classification is studied. Subsequently, differences between these imaginary aerosol scenarios and a real case during a biomass burning outbreak on July 13, 2016 in Benin are presented. The results show that aerosol emissions due to the biomass outbreak on the day of the case study in Cotonou lead to solar flux losses of up to 55% and photovoltaic power reduction of up to 81% for the polycrystalline cell and 78% for the amorphous cell. The relative impact of aerosols differs depending on aerosol type and concentration, being larger for low solar zenith angles than at noon. For the situation studied in Cotonou, Benin, we are able to show that the inclusion of spectral aspects leads to a significant effect when calculating the PV power. Comparing the effects of aerosols on the photovoltaic power of the two technologies, we find that the amorphous cell suffers a greater reduction in power during the morning and evening hours - when there is more diffuse irradiance - of 36% than the polycrystalline cell (27%). Conversely, in the middle of the day, we observe greater PV power reduction of the polycrystalline cell of 12% compared to the amorphous cell (8%).

Acknowledgements: Funding was provided by  the German BMWi under contract 0350009A and BMBF under contract 03SF0567A-.
Modellierung des Luftschadstofftransports zwischen Mesoskala und urbaner Mikroskala
Authors: Weger Michael , Heinold Bernd
Published: December 2021

Hochaufgelöste Luftqualitätssimulationen für urbane Räume beinhalten typischerweise eine verkettete Modellanwendung auf der Mesoskala und der Mikroskala. Letztere Skala ermöglicht mittels gebäudeauflösender Gitterweiten eine explizite Darstellung des turbulenten Transports, welche aber sehr rechenintensiv ist und daher in der praktischen Anwendung meist auf einzelne Stadtbereiche limitiert ist. Die Skalenlücke zwischen mesoskaligen horizontalen Gitterweiten (untere Grenze etwa 1km) und Gebäudeauflösung (wenige Meter) ermöglicht prinzipiell eine Kompromissfindung zwischen Genauigkeit und Rechenzeit der Simulation. Durch den Gegensatz zwischen expliziter Darstellung und Parameterisierung von Prozessen, als auch durch die uneinheitliche Repräsentation von Gebäudeeffekten im Modell, stellt diese Skalenlücke jedoch eine Grauzone in der Modellierung dar. 
In dem urbanen Dispersionsmodell CAIRDIO wird ein Ansatz verfolgt, Gebäude als diffuse Strukturen bei horizontalen Auflösungen im Bereich von etwa 20m - 50m darzustellen. Die diffusen Gebäude modifizieren durch die Einschränkung der effektiven Gitterzellen-Volumina und Austauschflächen auf konsistente Art die Erhaltungsgleichungen für den advektiven Transport. Turbulente Prozesse innerhalb der Rauhigkeitsschicht sind durch die diffusive Mischungslänge, welche in der Größenordnung von typischen Gebäudehöhen liegt, überwiegend parameterisiert. Darüber kann die Grenzschichtdynamik je nach Stabilität mit solchen Gitterweiten weiterhin explizit dargestellt werden. Die großräumige Orographie wird im Modell mittels eines bodenfolgenden Koordinatensystems berücksichtigt. Damit können auch Einflüsse des städtischen Umlandes in die hochaufgelöste Luftqualitätssimulation ganzer Städte einfließen, bzw. gestaltet sich die Simulation von Städten in Tallagen damit wesentlich numerisch effizienter. 
Die bisherige Anwendung von CAIRDIO erfolgte als nachgeschaltetes Downscaling-Modell für das mesoskalige Chemie-Transport-Modell COSMO-MUSCAT, welches vom meteorologischen Modell COSMO angetrieben wird. Es werden Simulationsergebnisse dieser kombinierten Anwendung für ausgewählte mittelgroße Städte präsentiert. Dabei werden die komplexen Zusammenhänge zwischen Bebauung, Orographie, Grenzschichtdynamik und Luftschadstoffkonzentration mittels geeigneter Sensitivitätsstudien diskutiert.
Bodenfeuchte als Indikator für die Klimaüberwachung in bewaldeten Gebieten: Eine Studie für Level II-Messstellen des Sachsenforstes, Sachsen Deutschland
Authors: Luong Thanh Thi , Petzold Rainer , Kronenberg Rico , Peters Alexander , Jacob Frank , Andreae Henning
Published: December 2021

Täglich aktualisierte und standortspezifische Informationen über die Bodenfeuchte, d. h. das in den oberen Bodenschichten gespeicherte Wasser, sind eine entscheidende Variable für eine Vielzahl von landwirtschaftlichen, hydrologischen und forstwirtschaftlichen Bewertungen und darauf basierenden Entscheidungen, wie z. B. die Bewertung der Wasserverfügbarkeit und der Trockenheit, den Einsatz von Technologien auf sensiblen Standorten, die Planung von Anpflanzungen und das Risikomanagement sowie die Prädisposition gegenüber Forstschädlingen usw. Der gesellschaftliche Nutzen von Informationen über die Bodenfeuchte ist daher enorm. Leider sind diese Informationen im Allgemeinen nur in geringem Umfang verfügbar und schwer und kostspielig abzuschätzen, insbesondere in regionalem oder großem Maßstab. In dieser Studie werden tägliche Wasserhaushaltsmodellierungen vorgestellt. Dabei konzentrieren sich die Auswertungen auf die Quantifizierung der Intensität und Dauer von Trockenheit in verschiedenen Waldbeständen innerhalb von Level-II-Messstellen in Sachsen.

Das genutzte Modell LWF-Brook90 benötigt klimatische Daten und verschiedene Parameter des Standortes und des Bestandes, die größtenteils physikalische Bedeutung haben und durch Messungen abgeleitet werden können. Die van-Genuchten-Bodenparameter des Modells wurden durch verschiedene Pedotransferfunktionen geschätzt. Es wird davon ausgegangen, dass im Boden Wasserstress auftritt, wenn das relative extrahierbare Bodenwasser (REW) oder das Verhältnis zwischen realer und potenzieller Transpiration oder der Wasserdruck unter einen bestimmten Schwellenwert fällt. Das Modell wurde nicht kalibriert, um die Robustheit der physikalisch begründeten Parameter zu testen. Hierfür wurden verfügbare Bodenfeuchtemessungen an Waldklimastationen (Grasvegetation) und Standorten mit unterschiedlichen Vegetations- und Klimabedingungen validiert.

Das Modell bildet die Dynamik der Bodenwasserentnahme und -anreicherung im Untersuchungszeitraum gut ab. Tägliche Schätzungen der Wasserhaushaltskomponenten ermöglichen die Berechnung von Dauer und Intensität von Dürreereignissen und die Ableitung von Stressindizes. Abschließend wird eine dendro-ökologische Anwendung vorgestellt. Diese ermöglicht eine retrospektive Analyse der Auswirkungen von Trockenheit auf das radiale Baumwachstum. Ebenso werden einige Einschränkungen und Anwendungsmöglichkeiten des Modells diskutiert.
Signatures of midlatitude heat waves in Rossby wave variability spectra 
Authors: Strigunova Iana , Blender Richard , Lunkeit Frank , Žagar Nedjeljka
Published: December 2021

This work aims at identifying extreme circulation conditions such as heat waves in modal space which is defined by eigensolutions of the linearized primitive equations. Here, the Rossby waves are represented in terms of Hough harmonics that are an orthogonal and complete expansion set allowing Rossby wave diagnostics in terms of their total (kinetic and available potential) energies. We expect that this diagnostic provides a more clear picture of the Rossby wave variability spectra compared to the common Fourier decomposition along a latitude belt. 

The probability distributions of Rossby wave energies are analysed separately for the zonal mean flow, for the planetary and synoptic zonal wavenumbers. The robustness is ensured by considering the four reanalyses ERA5, ERA-Interim, JRA-55 and MERRA. A single wave is characterized by Gaussianity in the complex Hough amplitudes and by a chi-square distribution for the energies. We find that the distributions of the energy anomalies in the wavenumber space are non-Gaussian with almost the same positive skewness in the four reanalyses.  The skewness increases during persistent heat waves for all energy anomaly distributions, in agreement with the recent trend of increased subseasonal variance in large-scale Rossby waves and decreased variance at synoptic scales. The new approach offers a selective filtering to physical space. The reconstructed circulation during heat waves is dominated by large-scale anticyclonic systems in northeastern Europe with zonal wavenumbers 2 and 3, in agreement with previous studies, thereby demonstrating physical meaningfulness of the skewness. 

 
ICON-seamless: die Entwicklung eines neuen Erdsystemmodells basierend auf ICON für alle Zeitskalen, von Wettervorhersagen bis Klimaprognosen
Authors: Potthast Roland , Müller Wolfgang , Früh Barbara , Korn Peter , Brienen Susanne , Fröhlich Kristina , Helmert Jürgen , Köhler Martin , Lorenz Stephan , Pham Trang Van , Pohlmann Holger , Schlemmer Linda , Schnur Reiner , Schulz Jan-Peter , Sgoff Christine , Vogel Bernhard , Wirth Roland , Zängl Günther
Published: December 2021

ICON-seamless entwickelt ein neues Erdsystemmodell, als Grundlage für Wettervorhersage, saisonale und dekadische Klimavorhersagen, bis hin zu Klimaprojektionen. Dabei nutzen wir die Expertise, die ICON-NWV als zuverlässiges Modell für numerische Wettervorhersage (NWV) betreibt und pflegt sowie die Erfahrungen mit der ersten ICON-Erdsystemversion basierend auf der Physik der MPI-Atmosphäre ECHAM. Das Ziel ist, gemeinsame Komponenten für alle meteorologischen Zeitskalen nutzen zu können. Der erste Schritt entwickelt ein Modell für saisonale und dekadische Zeitskalen.

ICON-seamless baut auf der Kopplung der Komponenten ICON-NWV (Atmosphäre) und ICON-O (Ozean) auf. Mit Hilfe des speziell entwickelten Kopplungs-Tools YAC können beide Komponenten Variablen austauschen, die für die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean wichtig sind. Auch die Parametrisierung von Meereis stellt einen wichtigen Baustein dar. Zur Wiedergabe eines geschlossenen hydrologischen Kreislaufs und um den Kohlenstoffkreislauf sauber darzustellen, wird ferner ein geeignetes Bodenmodell, ICON-L, an die Atmosphärenphysik von ICON-NWV gekoppelt. Zudem werden transiente Aerosolfelder, Treibhausgase, und Strahlungsantriebe neu in ICON-NWV eingelesen, um historische Zeiträume nachzuvollziehen. Parallel hierzu werden die ART Module (Aerosol and Reactive Trace gases), die eine dynamische Behandlung von Gasen und Aerosolen gestatten, an die modifizierte Modellphysik angepasst. Eine intensive Modelldiagnostik unterstützt das Tuning. Für die zukünftige Verwendung im Bereich der (Wetter- und) Klimavorhersagen wird parallel die gekoppelte Datenassimilation entwickelt.

Wir geben einen Überblick über den aktuellen Stand der Entwicklung, der Experimente und potentieller Anwendungsbereiche.
Uncertainty assessment of open water evaporation measurements: case study in a tropical reservoir in Brazil
Authors: Rodrigues Gláuber , Raabe Armin , Vellame Lucas , de Araújo José Carlos , Holstein Peter
Published: December 2021

The Brazilian semiarid region covers about 1 million km² and is characterised by irregular rainfall and high potential evaporation (above 2000 mm per year of water loss). To overcome the lack of water, the population depends on man-made reservoirs, which are the main source of water during the dry season (8 months of the year). In the federal state of Ceará there is on average one dam every 5 km, totalling more than 20,000. It is, therefore, noteworthy how the accurate estimation of evaporation would improve the management of scarce water resources. Moreover, climate change scenarios predict impacts on water availability in this region and better accuracy in evaporation assessments are fundamental to foster such simulations, which itself works at an intra-day time resolution. We suggest the most precise measurements possible, close to the lake and preferably on top of the water body. We used between October-December 2019 two direct measurement sensors in floating pans on the reservoir. A newly developed one based on the echo sounder principle and a standard differential pressure meter. Both show that at the reservoir more than 6 mm evaporate per day on average in the dry period. Uncertainty analyses for a single measurement show good performance of the acoustic sensor (± 0.11 mm) compared to the standard sensor (± 0.6 mm), sensitive enough to record the daily course of evaporation. The field measurements show 3.7% of uncertainty comparing the acoustic sensor with the standard pressuremeter. The minimum number of measurements with the acoustic sensor to obtain such uncertainty is 307. In this case, for 1h step, the uncertainty is 1.1%. The wave movement caused by wind influences the quality and frequency of the measurement. These results serve as a basis for future approaches to assess spatial variation of evaporation and wind on the lake. This might highlight the minimal number of instruments needed to solve the issue of spatial variability of evaporation.
Vergleiche von Profilen der turbulenten kinetischen Energie in der Atmosphärischen Grenzschicht auf der Basis von Doppler-Lidar-Messungen mit Simulationsergebnissen des NWV-Modells ICON 
Authors: Becker Claudia , Päschke Eileen , Beyrich Frank
Published: December 2021

Bestandteil des Gleichungssystems im Wettervorhersage-Modell ICON des DWD ist neben den klassischen Gleichungen für die zeitliche Änderung der Temperatur, des Windes und des Wassergehaltes der Atmosphäre in allen drei Phasen auch eine prognostische Gleichung für die turbulente kinetische Energie (TKE). Hieraus ergibt sich zunehmend der Bedarf nach Messdaten zur Verifikation der Modellergebnisse auch für diese Variable. Operationelle Messungen der TKE werden in der Praxis nur an wenigen Standorten mittels 3D-Ultraschall-Anemometern durchgeführt und sind damit oft auf Höhen in Bodennähe, in Einzelfällen auf Mastmessungen bis etwa 200 m Höhe beschränkt.

Am Meteorologischen Observatorium Lindenberg – Richard-Aßmann-Observatorium des DWD wurde in den letzten Jahren ein in der Literatur beschriebenes Verfahren zur Ableitung von Profilen der turbulenten kinetischen Energie (TKE) aus Doppler-Lidar-Messungen implementiert, getestet und anhand mehrmonatiger Datensätze bewertet (vgl. Beitrag von Päschke et al., diese Session). Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse dieser Messungen mit den Ergebnissen der operationellen Modellvorhersagen mit ICON verglichen.

In einem ersten Schritt werden charakteristische Einzelfälle betrachtet (Cold-Pool-Event, nächtlicher Low-Level Jet, Strahlungstag). Im zweiten Schritt erfolgt eine statistische Analyse gemittelter Tagesgänge der TKE aus Messungen im Vergleich zu den Ergebnissen der NWV-Modelle ICON global, ICON-EU und ICON-D2 unter Berücksichtigung von Jahreszeit, Strahlungsbilanz, Stabilitätsverhältnissen und Windgeschwindigkeit. Besonderes Augenmerk wird dabei auf das seit Februar 2021 im operationellen Betrieb laufende Regionalmodell ICON-D2 gerichtet, das bei einer horizontalen Auflösung von 2.2 km die Auflösung von Konvektion erlaubt. 
Cloud detection methods for a stand-alone ground based microwave radiometer
Authors: Löffler Moritz , Knist Christine , Vural Jasmin , Schomburg Annika , Lehmann Volker , Görsdorf Ulrich , Löhnert Ulrich
Published: December 2021

The project “Pilotstation” at DWD employs a test bed setup to assess data availability, quality, observation impact and operational sustainability for five different ground based remote sensing instruments. The instruments in question, also referred to as “profilers”, are designed to continuously measure vertical profiles of thermodynamic and cloud/aerosol related variables.

A ground based microwave radiometer (MWR) is one of the instruments evaluated in the project “Pilotstation”. MWR primarily measure downwelling radiation in the K-band and V-band in the form of brightness temperatures (TB). All-sky temperature and low-resolution humidity profiles as well as high-accuracy liquid water path (LWP, ΔLWP: ± 10-20 gm-2) and integrated water vapour (IWV, ΔIWV: ~ ± 0.5 kgm-2) are secondary products, which can be derived from the TB.

The adaptation of the fast radiative transfer model RTTOV for ground based instruments enabled weather services to go forward with directly assimilating MWR TB rather than secondary products. First assimilation experiments of MWR TB at DWD were successful. Alongside other quality checks, the data assimilation (DA) relies on a cloud detection beforehand. The most frequent reason for rejecting data from DA is the suspected presence of clouds, consequently reliably identifying clouds without excessively rejecting clear-sky data is especially important for a high availability of suitable data.

The study presented focuses on the requirements of operational DA and a stand-alone setup of an MWR. The work compares the performance of cloud detection algorithms used in scientific publications based on MWR observations. The comparisons include methods using TB, LWP and their variability. For this the CloudNet classification time series at Lindenberg and observation minus model background statistics serve as references. The presentation will also include progress made on refining the cloud detection schemes at hand in order to achieve a higher precision and to better meet the requirements of DA.
Bibliothek/Archive als Forschungsinfrastruktur
Authors: Bingham Paul , Paul Anita , Stowasser Rainer
Published: December 2021

Die Institutionen der Wetterdienste in Europa haben eine lange Historie (z.B. ZAMG 170 Jahre) was bedeutet, das sich in dieser Zeit sehr viele Aufzeichnungen angesammelt haben. Die Aufgabe der Bibliotheken/Archive ist es dieses Material zu erschliessen und der Forschung zugänglich zu machen.

In dem Vortrag wird gezeigt, das Bibliothek über die Services der Forschungsliteratur hinaus eine wichtige Infrastruktur darstellen.

Durch die Digitalisierung von historischen Publikationen (z.B. https://www.sonnblick.net/de/sonnblick-verein/organisation/jahresberichte-sonnblick-verein/) nach den FAIR Prinzipien werden Texte online für ForscherINNEN nutzbar die sonst in den Regalen verstauben würden.

Die WMO Initative data rescue, also die Aufarbeitung von Papierbeständen zu Forschungsdaten, mit dem Hauptzweck lange Datenreihen zu generieren (z.B. Klagenfurt 1830 ff) ist eine wichtige Voraussetzung einerseits Klimamodelle zu validieren und andererseits Lücken in der geographischen Abdeckung (z.B. Das Messnetz der Centralanstalt k(u)k 1851-1919 DACH 2019) zu füllen.

Forschung zur Geschichte der Messungen (z.B. Paul Bingham The 1891 to 1918 partnership between the Deutschen Palästina-Vereins (DPV) and  Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG), to record and publish the meteorology of Palestine) hilft einerseits den historischen Kontext der Datengenerierung zu erhellen aber auch andererseits, durch Rekonstruktion der Meßmethoden, Aussagen zur Qualität der Daten zu erlangen.

Aber nicht nur die Rückschau ist relevant. EUMETLIB, eine Kooperation der Bibliotheken der europäischen Wetterdienste wird  nun über EUMETNET insitutionalisiert und soll in Zukunft ForscherINNEN den Zugriff auf Quellen aus ganz Europa für weitere Arbeiten zur Verfügung stellen und damit eine internationale Infrastruktur für die Wissenschaften darstellen.
A deeper insight into the dynamics and effects of the Hiccup of the fall transition
Authors: Matthias Vivien , Banys Daniela , Hansen Marc
Published: December 2021

In autumn the prevailing wind in the middle atmosphere at mid and high latitudes changes from summer easterly to winter westerly.  This process is not smooth but interrupted by the Hiccup of the fall transition with characteristics similar to a mini sudden stratospheric warming (SSW) which occurs in fall even though the zonal mean zonal wind does not reverse to easterly again. Combining global reanalysis data and satellite observations we improve our knowledge and understanding of the dynamics of the Hiccup of the fall transition in the middle atmosphere. The introduction of a new definition for the onset of the Hiccup focusing now on its core region in the lower mesosphere allows us the automatic detection of a Hiccup in almost every year and thus a deeper insight into its dynamics. For example, we found a latitudinal and altitudinal shift in the zonal wind regime during the Hiccup. We also investigate its 3D-structure and compare the characteristics of the Hiccup in the Northern hemisphere with those in the Southern hemisphere. We found that the latitudinal and altitudinal shift of the zonal wind regime occurs in both hemispheres but is more pronounced in the Northern hemisphere and smoother in the Southern hemisphere.  Additionally, we discuss the possible impact of the Hiccup on the D-region.
Estimating local CH4 emissions in the Upper Silesian Coal Basin using inverse modelling
Authors: Wolff Sebastian , Reum Friedemann , Kiemle Christoph , Ehret Gerhard , Quatrevalet Mathieu , Wirth Martin , Fix Andreas
Published: December 2021

Methane (CH4) is the second most important anthropogenic greenhouse gas (GHG) with respect to radiative forcing. Since pre-industrial times, the globally averaged CH4 concentration in the atmosphere has risen by a factor of 2.5. A large fraction of global anthropogenic CH4 emissions originates from localized point sources, e.g. coal mine ventilation shafts. International treaties foresee GHG emission reductions, entailing independent monitoring and verification support capacities. Considering the spatially widespread distribution of point sources, remote sensing approaches are favourable, in order to enable rapid survey of larger areas. In this respect, active remote sensing by airborne lidar is promising, such as provided by the integrated-path differential-absorption lidar CHARM-F operated by DLR. Installed onboard the German research aircraft HALO, CHARM-F serves as a demonstrator for future satellite missions, e.g. MERLIN. CHARM-F simultaneously measures weighted vertical column mixing ratios of CO2 and CH4 below the aircraft. In spring 2018, during the CoMet field campaign, measurements were taken in the Upper Silesian Coal Basin (USCB) in Poland. The USCB is considered to be a European hotspot of CH4 emissions, covering an area of approximately 50 km × 50 km. Due to the high number of coal mines and density of ventilation shafts in the USCB, individual CH4 exhaust plumes can overlap. This makes simple approaches to determine the emission rates of single shafts, i.e. the cross-sectional flux method, difficult. Therefore, we use an inverse modelling approach to obtain an estimate of the individual emission rates. Specifically, we employ the Weather Research and Forecast Model (WRF) coupled to the CarbonTracker Data Assimilation Shell (CTDAS), an Ensemble Kalman Filter. CTDAS-WRF propagates an ensemble realization of the a priori CH4 emissions forward in space and time, samples the simulated CH4 concentrations along the measurement’s flight path, and scales the a priori emission rates to optimally fit the measured values, while remaining tied to the prior. Hereby, we obtain a regularized a posteriori best emission estimate for the individual ventilation shafts. Here, we report on the results of this inverse modelling approach, including individual and aggregated emission estimates, their uncertainties, and to which extent the data are able to constrain individual emitters independently.
Vibrational spectroscopic study of three Mg–Ni mineral series in white and greenish clay infillings of the New Caledonian Ni-silicate ores
Authors: Fritsch Emmanuel , Balan Etienne , Petit Sabine , Juillot Farid
Published: December 2021

Abstract. This study presents and discusses infrared spectroscopic
data of well characterised, naturally occurring trioctahedral layer silicates of the serpentine (Srp), talc (Tlc), and sepiolite (Sep) mineral
groups, which are found in reactivated faults and sequences of white and green
clay veins (deweylite and garnierite) of the New Caledonian Ni-silicate ores.
Bands assigned to the OH stretching vibrations of these 1:1 and 2:1 layer
silicates in both the fundamental and first overtone regions of mid- and near-infrared (MIR and NIR) spectra, respectively, are compared to those reported in the
literature for synthetic Mg–Ni series of the Srp and Tlc mineral groups.
They are also presented according to the sequences of infillings recognised
in the white and green veins of the Ni-silicate ores. The study reveals that
serpentine-like (SL) minerals of the first sequences of clay infillings are
residues of larger crystals of serpentines (lizardite, chrysotile, and
antigorite) and that the newly formed talc-like (TL) minerals and Sep are the main Ni-bearing carriers of the Ni-silicate ores. Decreasing
crystal size and order in serpentine species have major effects on
vibrational bands. They favour the broadening of the OH stretching bands,
the degradation of the signals assigned to the interlayer OH, and the
enhancement of the signal related to weakly bound water molecules. The
replacement of Mg by Ni in octahedral sites of the 2:1 layer silicates (TL,
Sep) of the greenish clay infillings can be traced by specific OH stretching
bands related to the Mg3OH, Mg2NiOH, MgNi2OH, and Ni3OH
configurations in the fundamental (MIR) and first overtone (NIR) regions of
the spectra. The dominance of the Mg3OH and Ni3OH configurations
with respect to mixed configurations in the Mg–Ni mineral series of the
clay infillings (mostly in the dominant TL minerals) suggests that Mg and Ni
segregation is related to separate Mg-rich and Ni-rich mineral phases rather
than to a cationic clustering within the individual particles. This
segregation of Mg and Ni in discrete mineral phases is related to Mg–Ni oscillatory
zoning patterns (banded patterns) and is reproduced at the scale of the
Ni-silicate ores between the white (deweylite) and greenish (garnierite)
veins of the reactivated faults.
Complex 40Ar/39Ar age spectra from low metamorphic grade rocks: resolving the input of detrital and metamorphic components in a case study from the Delamerian Orogen
Authors: Reid Anthony , Forster Marnie , Preiss Wolfgang , Caruso Alicia , Curtis Stacey , Wise Tom , Goswami Naina
Published: December 2021

Abstract. Low metamorphic grade rocks contain both detrital minerals and minerals newly grown or partly recrystallised during diagenesis and metamorphism. However, rocks such as these typically yield complex 40Ar/39Ar age spectra that can be difficult to interpret. In this study, we have analysed a suite of variably deformed rocks from a region of low metamorphic grade within the c. 514–490 Ma Delamerian Orogen, South Australia. The samples analysed range from siltstone and shale to phyllite and all contain either muscovite or phengite determined by hyperspectral mineralogical characterisation. Furnace step heating 40Ar/39Ar analysis produced complex apparent age spectra with multiple age components. Using the concept of asymptotes that define minimum and maximum ages for different components, we interpret the age spectra to preserve a range of detrital mineral ages, along with younger components related to either cooling or deformation- induced recrystallisation. Two samples contain Mesoproterozoic detrital age components, up to c. 1170 Ma, while the c. 515 Ma Heatherdale Shale which has both c. 566 Ma and c. 530 Ma detrital components. All samples contain younger lower (younger) asymptotes in the age spectra defined from multiple heating steps that range from c. 476 to c. 460 Ma. One interpretation of these younger ages is that they are caused by post-metamorphic cooling. However, the shape of the age spectra and the degree of deformation in the phyllites suggest the ages may record recrystallisation of detrital minerals and/or new mica growth during deformation. Potentially these c. 476 to c. 460 Ma ages suggest deformation in the upper portion of the orogen was facilitated by movement along regional faults and shear zones up to around 20 million years after the cessation of deformation in the high-metamorphic grade regions of the Delamerian Orogen.
Modelling evaporation with local, regional and global BROOK90 frameworks: importance of parameterization and forcing
Authors: Vorobevskii Ivan , Luong Thi Thanh , Kronenberg Rico , Grünwald Thomas , Bernhofer Christian
Published: December 2021

Abstract. Observation and estimation of evaporation is a challenging task. Evaporation occurs on each surface and is driven by different energy sources. Thus the correct process approximation in modelling of the terrestrial water balance plays a crucial part. Here, we use a physically-based 1D lumped soil-plant-atmosphere model (BROOK90) to study the role of parameter selection and meteorological input for modelled evaporation on the point scale. Then, with the integration of the model into global, regional and local frameworks, we made cross-combinations out of their parameterization and forcing schemes to analyse the associated model uncertainty. Five sites with different land uses (grassland, cropland, deciduous broadleaf forest, two evergreen needleleaf forests) located in Saxony, Germany were selected for the study. All combinations of the model setups were validated using FLUXNET data and various goodness of fit criteria. The output from a calibrated model with in-situ meteorological measurements served as a benchmark. We focused on the analysis of the model performance with regard to different time-scales (daily, monthly, and annual). Additionally, components of evaporation are addressed, including their representation in BROOK90. Finally, all results are discussed in the context of different sources of uncertainty: model process representation, input meteorological data and evaporation measurements themselves.
Technical note: A procedure to clean, decompose and aggregate time series
Authors: Ritter François
Published: December 2021

Abstract. Errors, gaps and outliers complicate and sometimes invalidate the analysis of time series. While most fields have developed their own strategy to clean the raw data, no generic procedure has been promoted to standardize the pre-processing. This lack of harmonization makes the inter-comparison of studies difficult, and leads to screening methods that are usually ambiguous or case-specific. This study provides a generic pre-processing procedure (called past, implemented in R) dedicated to any univariate time series. Past is based on data binning and decomposes the time series into a long-term trend and a cyclic component (quantified by a new metric, the Stacked Cycles Index) to finally aggregate the data. Outliers are flagged with an enhanced Boxplot rule called Logbox. Three different Earth Science datasets (contaminated with gaps and outliers) are successfully cleaned and aggregated with past. This illustrates the robustness of this procedure that can be valuable to any discipline.