bluuebunny/crossref_metadata_2025 huggingface dataset:
Observational constraints on methane emissions from Polish coal mines using a ground-based remote sensing network
Authors: Luther Andreas , Kostinek Julian , Kleinschek Ralph , Defratyka Sara , Stanisavljevic Mila , Forstmaier Andreas , Dandocsi Alexandru , Scheidweiler Leon , Dubravica Darko , Wildmann Norman , Hase Frank , Frey Matthias M. , Chen Jia , Dietrich Florian , Necki Jaroslaw , Swolkien Justyna , Knote Christoph , Vardag Sanam N. , Roiger Anke , Butz André
Published: December 2021

Abstract. Given its abundant coal mining activities, the Upper Silesian Coal Basin (USCB) in southern Poland is one of the largest sources for anthropogenic methane (CH4) emissions in Europe. Here, we report on CH4 emission estimates for coal mine ventilation facilities in the USCB. Our estimates are driven by pair-wise upwind-downwind observations of the column-average dry-air mole fractions of CH4 (XCH4) by a network of four portable, ground-based, sun-viewing Fourier Transform Spectrometers of the type EM27/SUN operated during the CoMet campaign in May/June 2018. The EM27/SUN were deployed in the four cardinal directions around the USCB in approx. 50 km distance to the center of the basin. We report on six case studies for which we inferred emissions by evaluating the mismatch between the observed downwind enhancements and simulations based on trajectory calculations releasing particles out of the ventilation shafts using the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART. The latter was driven by wind fields calculated by WRF (Weather Research and Forecasting model) under assimilation of vertical wind profile measurements of three co-deployed wind lidars. For emission estimation, we use a Phillips-Tikhonov regularization scheme with the L-curve criterion. Diagnosed by the averaging kernels, we find that, depending on the catchment area of the downwind measurements, our ad-hoc network can resolve individual facilities or groups of ventilation facilities but that inspecting the averaging kernels is essential to detected correlated estimates. Generally, our instantaneous emission estimates range between 80 and 133 kt CH4 a−1 for the south-eastern part of the USCB and between 414 and 790 kt CH4 a−1 for various larger parts of the basin, suggesting higher emissions than expected from the annual emissions reported by the E-PRTR (European Pollutant Release and Transfer Register). Uncertainties range between 23 and 36 % dominated by the error contribution from uncertain wind fields.
Modelling the influence of meteoric smoke particles on artificial heating in the D-region
Authors: Myrvang Margaretha , Baumann Carsten , Mann Ingrid
Published: December 2021

Abstract. We investigate if the presence of meteoric smoke particles (MSPs) influences the electron temperature during artificial heating in the D-region. By transferring the energy of powerful high-frequency radio waves into thermal energy of electrons, artificial heating increases the electron temperature. Artificial heating depends on the height variation of electron density. The presence of MSPs can influence the electron density through charging of MSPs by electrons, which can reduce the number of free electrons and even result in height regions with strongly reduced electron density, so-called electron bite-outs. We simulate the influence of the artificial heating by calculating the intensity of the upward-propagating radio wave. The electron temperature at each height is derived from the balance of radio wave absorption and cooling through elastic and inelastic collisions with neutral species. The influence of MSPs is investigated by including results from a one-dimensional height-dependent ionospheric model that includes electrons, positively and negatively charged ions, neutral MSPs, singly positively and singly negatively charged MSPs, and photochemistry such as photoionization and photodetachment. We apply typical ionospheric conditions and find that MSPs can influence both the magnitude and the height profile of the heated electron temperature above 80 km; however, this depends on ionospheric conditions. During night, the presence of MSPs leads to more efficient heating and thus a higher electron temperature above altitudes of 80 km. We found differences of up to 1000 K in electron temperature for calculations with and without MSPs. When MSPs are present, the heated electron temperature decreases more slowly. The presence of MSPs does not much affect the heating below 80 km for night conditions. For day conditions, the difference between the heated electron temperature with MSPs and without MSPs is less than 25 K. We also investigate model runs using MSP number density profiles for autumn, summer and winter. The night-time electron temperature is expected to be 280 K hotter in autumn than during winter conditions, while the sunlit D-region is 8 K cooler for autumn MSP conditions than for the summer case, depending on altitude. Finally, an investigation of the electron attachment efficiency to MSPs shows a significant impact on the amount of chargeable dust and consequently on the electron temperature.
A 10 kHz to 6 GHz Low-Cost Vector Network Analyzer
Authors: Depold Andreas , Erhardt Stefan , Weigel Robert , Lurz Fabian
Published: December 2021

Abstract. This publication introduces a low-cost vector network analyzer with very large frequency range made of commercial off-the-shelf components. It utilizes two identical receivers and two directional bridges to allow for two fully bidirectional measurement ports. The design surpasses the performance of competing low-cost network analyzers in regards of dynamic range, frequency span and calibration capability.
Innovative Differential Magnetic Localization Method for Capsule Endoscopy to Prevent Interference Caused by the Geomagnetic Field
Authors: Zeising Samuel , Anzai Daisuke , Thalmayer Angelika , Fischer Georg , Kirchner Jens
Published: December 2021

Abstract. Wireless capsule endoscopy is an established medical
application for the examination of the gastrointestinal
tract. However, the robust and precise localization of these
capsules is still in need of further scientific investigation. This paper presents an innovative differential magnetic localization method for capsule
endoscopy to prevent interference caused by the geomagnetic field. The effect of changing the orientation
of the capsule on the localization process was also examined.
Simulations using COMSOL Multiphysics with the superimposed
geomagnetic field were performed. The Levenberg–Marquardt
algorithm was applied in MATLAB to estimate the position
and orientation of the capsule. Comparing the proposed differential
method with the absolute magnetic localization method under ideal conditions,
the mean position and orientation errors were reduced by three orders in magnitude to less than
0.1 mm and 0.1∘ respectively. Even if sensor non-idealities are considered, the simulation-based results reveal that our proposed method is competitive with state-of-the-art geomagnetic compensation methods for static magnetic localization of capsule endoscopes. The achieved localization accuracy by applying the differential method is not dependent on the rotation of the localization system relative to the geomagnetic flux density under the made assumptions and the impact of the magnet orientation is neglectable.
It is concluded that the proposed method is capable of preventing all interference whose components are approximately equal at all sensors with identical orientation.
Yield Optimization using Hybrid Gaussian Process Regression and a Genetic Multi-Objective Approach
Authors: Fuhrländer Mona , Schöps Sebastian
Published: December 2021

Abstract. Quantification and minimization of uncertainty is an important task in the design of electromagnetic devices, which comes with high computational effort. We propose a hybrid approach combining the reliability and accuracy of a Monte Carlo analysis with the efficiency of a surrogate model based on Gaussian Process Regression. We present two optimization approaches. An adaptive Newton-MC to reduce the impact of uncertainty and a genetic multi-objective approach to optimize performance and robustness at the same time. For a dielectrical waveguide, used as a benchmark problem, the proposed methods outperform classic approaches.
A pseudoproxy assessment of why climate field reconstruction methods perform the way they do in time and space
Authors: Yun Sooin , Smerdon Jason E. , Li Bo , Zhang Xianyang
Published: December 2021

Abstract. Spatiotemporal paleoclimate reconstructions that seek to estimate climate conditions over the last several millennia are derived from multiple climate proxy records (e.g., tree rings, ice cores, corals, and cave formations) that are heterogeneously distributed across land and marine environments. Assessing the skill of the methods used for these reconstructions is critical as a means of understanding the spatiotemporal uncertainties in the derived reconstruction products. Traditional statistical measures of skill have been applied in past applications, but they often lack formal null hypotheses that incorporate the spatiotemporal characteristics of the fields and allow for formal significance testing. More recent attempts have developed assessment metrics to evaluate the difference of the characteristics between two spatiotemporal fields. We apply these assessment metrics to results from synthetic reconstruction experiments based on multiple climate model simulations to assess the skill of four reconstruction methods. We further interpret the comparisons using analysis of empirical orthogonal functions (EOFs) that represent the noise-filtered climate field. We demonstrate that the underlying features of a targeted temperature field that can affect the performance of CFRs include the following: (i) the characteristics of the eigenvalue spectrum, namely the amount of variance captured in the leading EOFs; (ii) the temporal stability of the leading EOFs; (iii) the representation of the climate over the sampling network with respect to the global climate; and (iv) the strength of spatial covariance, i.e., the dominance of teleconnections, in the targeted temperature field. The features of climate models and reconstruction methods identified in this paper demonstrate more detailed assessments of reconstruction methods and point to important areas of testing and improving real-world reconstruction methods.
Do Southern Hemisphere tree rings record past volcanic events?
Authors: Higgins Philippa Ann , Palmer Jonathan Gray , Turney Chris S. M. , Andersen Martin Sogaard , Johnson Fiona
Published: December 2021

Abstract. Much of our knowledge about the impacts of volcanic events on climate comes from proxy records. However, little is known about the impact of volcanoes on trees from the Southern Hemisphere. We investigated whether volcanic signals could be identified in ring widths from eight New Zealand dendrochronological species, using superposed epoch analysis. We found that most species are good recorders of volcanic dimming and that the magnitude and persistence of the post-event response can be broadly linked to plant life history traits. Across species, site-based factors, particularly altitude and exposure to prevailing conditions, are more important determinants of the strength of the volcanic response than the species. We then investigated whether proxy selection impacts the magnitude of post-volcanic cooling in tree-ring based temperature reconstructions by developing two new multispecies reconstructions of New Zealand summer (December–February) temperature. Both reconstructions showed temperature anomalies remarkably consistent with studies based on instrumental temperature, and with the ensemble mean response of climate models, demonstrating that New Zealand ring widths are reliable indicators of regional volcanic climate response. However, we also found that volcanic response is complex, with positive, negative, and neutral responses identified – sometimes within the same species group. Species-wide composites thus tend to underestimate the volcanic response. The has important implications for the development of future tree ring and multiproxy temperature reconstructions from the Southern Hemisphere.
Wettervorhersage in der Polarregion – Ein Erfahrungsbericht von der MOSAiC-Expedition
Authors: Kieser Jens , Hausen Robert , Schröter Steffen , Stöckle Sonja , Wenzel Julia , Paulmann Christian
Published: December 2021

Im September des Jahres 2019 startete im nord-norwegischen Tromsø die rund einjährige, internationale MOSAiC-Expedition (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate). Hierbei ließ sich der deutsche Forschungseisbrecher POLARSTERN in der Nähe des Nordpols einfrieren, um dann für viele Monate, angedockt an einer Eisscholle, mit der natürlichen Eisdrift durch die zentrale Arktis zu treiben und umfangreiche Daten über den Zustand der Polarregion zu sammeln.

Neben Schiffs-Crew und wissenschaftlichem Personal waren, wie bei allen Expeditionen der POLARSTERN, Wetterfunktechniker sowie Meteorologinnen und Meteorologen des Deutschen Wetterdienstes (DWD) an Bord des Forschungseisbrechers. Mit ihren täglichen Wetterbeobachtungen und –vorhersagen, adressiert an Schiffsführung, Wissenschaft und Hubschrauberbesatzung, leisteten sie einen wichtigen Beitrag zur sicheren Durchführung der Expedition. Dabei stellten nicht nur die außergewöhnlichen Umgebungseinflüsse, wie extrem niedrige Temperaturen im Winter, monatelange Dunkelheit in der Polarnacht und später ständige Helligkeit während des Sommerhalbjahres, besondere Herausforderungen bei der Erledigung der täglichen Aufgaben von Meteorologinnen und Meteorologen dar. Die außergewöhnlich hohe Verantwortung bei der Arbeit, in Verbindung mit einer sehr eingeschränkten Verfügbarkeit von meteorologischen Mess- und Vorhersagedaten, forderten das Personal der Bordwetterwarte auf POLARSTERN an jedem Expeditionstag.

Im Vortrag berichten Bordmeteorologinnen und -meteorologen des Deutschen Wetterdienstes über ihre Erfahrungen und Eindrücke sowie die täglichen Herausforderungen bei der Wettervorhersage während der MOSAiC-Expedition.
Einordnung der heißen und trockenen Sommer der letzten Jahre in die Klimaprojektionen für Deutschland
Authors: Leps Nora , Stanley Kelly , Walter Andreas
Published: December 2021

In den letzten zwei Dekaden erlebte Deutschland mehrere sehr heiße und trockene Sommer (2003, 2015, 2018, 2019). Diese heißen und trockenen Sommer waren das Ergebnis von langanhaltenden antizyklonalen Wetterlagen im Sommer über Deutschland und Europa. Die heißen und trockenen Sommer haben einen großen sozioökonomischen Einfluss auf z.B. reduzierte Ernteerträge oder Einfluss auf die menschliche Gesundheit und erhöhte Mortalität. Mit der Hilfe von Klimaindikatoren, die Hitze und Trockenheit in Deutschland beschreiben, wurde untersucht, ob die extrem heißen und trockenen Sommer der letzten Jahre unter zukünftigen Bedingungen im Klimawandel Normalität sein werden. Die vergangenen Sommer werden mit DWD-Beobachtungsdatensätzen untersucht, als Referenz dient die Periode 1971-2100, und mit Klimaprojektionsdaten aus den DWD-Referenz-Ensembles für die Klimaszenarien RCP 2.6 und RCP 8.5 verglichen. Hierbei werden für die Zukunft die beiden Perioden 2031-2060 sowie 2071-2100 verwendet. Die Projektionen zeigen keine deutliche Anomalie für den Niederschlag der Zukunft, die Trockenheit der Sommer 2003 und 2018 ist stärker als das Signal in der fernen Zukunft unter dem RCP 8.5 Szenario. In der sich verändernden Temperatur sind die zukünftigen positiven Anomalien aber deutlich, extreme heiße Sommer wie in den letzten Jahrzehnten werden unter dem RCP 8.5 Szenario gegen Ende des Jahrhunderts normal, unter RCP 2.6 aber immer noch seltene Ereignisse sein.
Non-zonal structures of the midlatitude mesosphere/lower thermosphere dynamics studied by using atmospheric models and radar observations.
Authors: Kandieva Kanykei , Jacobi Christoph , Karami Khalil , Pogoreltsev Alexander , Merzlyakov Evgeny , Korotyshkin Dmitry
Published: December 2021

Radar observations from two SKiYMET radars at Collm (51°N, 13°E) and Kazan (56°N, 49°E) during 2016-2017 are used to investigate the longitudinal variability of the mesosphere/lower thermosphere (MLT) wind regime over western and eastern Europe. Both of the meteor radars have similar setups and apply the same analysis procedures to correctly compare MLT parameters and validate the simulated winds. The radar observations confirm the established seasonal variability of the wind distribution, but this distribution is not identical for the two stations. The results show good qualitative agreement with global circulations model predictions by the Middle and Upper Atmosphere Model (MUAM) and the Upper Atmosphere ICOsahedral Non-hydrostatic model (UA-ICON). The MUAM and UA-ICON models well reproduce the main dynamical features, namely the vertical and temporal distributions of the winds observed throughout the year. However, there are also some differences in the longitudinal wind variability of the models and radar observations. Numerical experiments with modified parameterization settings have also been carried out to study the response of the MLT wind circulation to the gravity waves originating from the lower atmosphere. The MUAM model results show that a decrease/increase in the gravity wave intensity at the lower atmosphere leads to an increase/decrease of the mesospheric zonal wind jet extension and the zonal wind reversal.
ICON-waves: towards an atmosphere-waves coupled
Authors: Dobrynin Mikhail , Reinert Daniel , Prill Florian , Zängl Günther , Sievers Oliver , Bruns Thomas , Günther Heinz , Behrens Arno
Published: December 2021

Wind-driven ocean gravity surface waves affect basic physical processes such as heat, momentum, and mass exchange between the ocean and the atmosphere. Wind wave energy generates additional turbulence, modifies ocean currents, and controls the state of the sea surface. As of now, DWD's operational weather forecast system ICON-NWP does not explicitly account for ocean surface waves. Wave effects, for example, the effect on sea surface roughness, are represented by parameterisations based on local wind speed. However, the physics of the ocean-atmosphere interaction is more complex, and therefore methods of wave-spectrum-based coupling of atmosphere and ocean are necessary and have the potential for improving both weather and wave forecasts. To this end, in the framework of the Innovation Programme for Applied Research and Developments (IAFE) funded by the DWD, a new coupled ICON-NWP-waves system is currently under development. This project aims at using ICON's dynamical core and the wave spectrum physics from the wave model WAM, and will combine both into the new ICON-waves model. A parameterisation of sea surface roughness based on the wave spectrum will provide a two-way coupling mechanism at the ocean-atmosphere interface. The concept of ICON-waves, the current status of development as well as some preliminary results will be presented. 
Die kleinen Regenmacher: wie Bakterien mit Wolkentropfen reisen 
Authors: Kiselev Alexey A. , Wieber Corina , Rabe Kersten , Zoheir Ahmed , Leisner Thomas
Published: December 2021

Die weit verbreiteten pflanzpathogenen Bakterien der Gattung „Pseudomonas Syringae“ zählen zu den effizientesten Eiskeimen in der Atmosphäre. Man findet sie nicht nur in landwirtschaftlichen Regionen und auf den Pflanzenblättern, sondern auch in dem frischen Schnee und Regenproben weit weg von den ursprünglichen Ökosystemen. Sie überleben nicht nur das Transport über die mehrere hundert Kilometer, sondern sind auch in der Lage sich in der Wolkentropfen zu vermehren. Mit Hilfe der eisaktiven Proteine, die auf der Außenseite der Zellmembran verankert sind, initiieren Bakterien das Gefrieren der unterkühlten Wolkentropfen, die dann durch Wasserdiffusion anwachsen und als Niederschlag zurück auf die Erdoberfläche wiederkehren.

Wie überleben die Bakterien das Gefrieren der Wolkentropfen? Unter welchen Bedingungen sind die Überlebenschancen am höchsten, und welche Faktoren spielen die wichtigste Rolle? Wir gehen auf diese Fragen ein indem wir mikroskopische Wassertropfen mit P. Syringae in einer elektrodynamischen Falle unter realistischen Bedingungen zum Gefrieren bringen, und dabei das Geschehen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera beobachten. Die Tropfen werden anschließend aus der Falle herausgeholt und die Anzahl der überlebenden Bakterien über Koloniezählung ermittelt. Wir stellen dabei fest, dass die Bakterien besonders dann gute Überlebenschancen haben, wenn das Gefrieren der Tropfen viel Zeit in Anspruch nimmt und die Bakterien in der Lage sind, sich an die neuen Bedingungen anzupassen. Die Bakterien wirken dem schnellen Gefrieren entgegen, indem sie die Eisnukleation schon bei niedrigen Unterkühlungen initiieren. Die Permeabilität der Zellmembran für Wasser spielt dabei die entscheidende Rolle. 
Bodenfeuchteviewer
Authors: Posada Rafael , Leppelt Thomas
Published: December 2021

Die für das Pflanzenwachstum verfügbare Feuchtigkeit im Boden hat in der Land- und Forstwirtschaft, aber auch bei Gärtnern, einen erheblichen Einfluss auf die Arbeitsabläufe und Erträge. Ist der Boden zu trocken, muss oft beregnet werden. Sind die Felder mit Wasser gesättigt, kann das die maschinelle Bearbeitung erschweren. Dürren führen immer wieder zu massiven Rückgängen bei den Erträgen. Ausgetrocknete Waldböden können Bäume absterben lassen oder die Waldbrandgefahr verschärfen. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) stellt deshalb allen Interessierten mit seinem Bodenfeuchteviewer Informationen zur Bodenfeuchte online und kostenfrei zur Verfügung. Das täglich aktualisierte Webportal ermöglicht, detaillierte Fakten zur Bodenfeuchtesituation und Trockenheit in Deutschland unter https://www.dwd.de/bodenfeuchteviewer selbst zu recherchieren.

Der Bodenfeuchtezustand wurde mit dem Modell AMBAV 2.0 berechnet, welches insbesondere für die Bereiche Land-, Forstwirtschaft und Gartenbau geprüft und validiert wurde (Herbst et al. 2021).

Das neue Webportal bietet die Möglichkeit, interaktiv für beliebige Orte in Deutschland detaillierte Informationen zur Bodenfeuchte zu generieren. So kann der flächenhafte Verlauf der Bodenfeuchte in verschiedenen Tiefen über das letzte Jahr oder auch das komplette Bodenfeuchteprofile bis 2 m Tiefe vom letzten Monat von einem beliebigen Ort angezeigt werden.

Darüber hinaus kann zwischen verschiedenen Kulturen ausgewählt werden, um zu zeigen, dass das Wasserangebot im Boden bei verschiedenen Kulturen zur gleichen Zeit sehr unterschiedlich sein kann. So wird Mais im Vergleich zu Winterweizen sehr viel später gesät und zieht deshalb zu Zeiten, wo das Wintergetreide bereits abgeerntet ist, viel Wasser aus dem Boden. Ebenfalls hat der Winterweizen im Frühjahr sehr viel tiefere Bodenschichten als der Mais mit seinem Wurzelwerk erschlossen und kann somit auch von dort Bodenwasser entziehen, was sich direkt in der Bodenfeuchte bemerkbar macht.

Außerdem, bietet das Portal andere Produkte zur aktuellen Situation der Bodenfeuchte und des Bodenwassers, sowie zur Niederschlagssumme des hydrologischen Jahres an.

Reference:

Herbst, M., Falge, E., Frühlauf, C., 2021: Regionale Klimamodellierung - Perspektive Landwirtschaft. In: Regionale Klimamodellierung II - Anwendungen. Deutscher Wetterdienst (Hrsg.), promet 104, 55-62.
Investigating Taylor’s frozen turbulence hypothesis in the surface layer at an ideal desert field site using fibre-optic distributed temperature sensing
Authors: Hilland Rainer , Christen Andreas , Vogt Roland
Published: December 2021

Taylor’s frozen turbulence hypothesis is the most critical assumption through which time-resolving sensors may be used to derive statistics of the turbulent spatial field. Namely, it relates temporal autocorrelation to spatial correlation via the mean wind speed and is invoked in almost all boundary layer field work. Nevertheless, the conditions and scales over which Taylor’s hypothesis is valid remain poorly understood in the atmospheric boundary layer.

As part of the Namib Turbulence Experiment (NamTEX) campaign in March 2020, a pseudo-3D fibre-optic distributed temperature sensing (DTS) array was installed within a 300 x 300 m area in the Namib desert. The array is X-shaped in plan view and contains 16 measurement heights from 0.45 m to 2.85 m. Fibre-optic sensing provides air temperature measurements at unprecedented spatio-temporal density (0.25 m horizontally, 0.17 m vertically, and 1 Hz) and was coupled with a vertical array of traditional sonic anemometer point measurements to investigate the relationship between spatial and temporal temperature fields. The Namib provides an ideal location for fundamental boundary layer research: homogenous flat surfaces, no vegetation, little moisture, strong solar forcing, regular and repeated clear-sky conditions, and a wide range of atmospheric stabilities.

Using the NamTEX DTS array we present the first field investigation of Taylor’s hypothesis that considers boundary layer stability and is independent of wind direction. A novel method of 2d horizontal cross-correlation between all possible points of a single height of the DTS is employed to produce spatial ‘maps’ of the turbulent flow, whose velocity, direction, and size may be tracked through time.
Standardized Doppler lidar processing for operational use in a future network
Authors: Kayser Markus , Päschke Eileen , Detring Carola , Lehmann Volker , Beyrich Frank , Leinweber Ronny
Published: December 2021

Fibre-optic based Doppler wind lidars (DL) are widely used for both meteorological research and in the wind energy sector. These compact systems are able to retrieve vertical profiles of kinematic quantities, such as mean wind, from the atmospheric boundary layer as well as from optically thin cloud layers in the free troposphere with high spatio-temporal resolution. It is therefore likely that especially short-term forecasting would benefit from assimilating these data. However, their potential is currently not yet employed operationally.

As part of DWD's effort to evaluate ground-based remote sensing systems for their operational readiness, called "Pilotstation", we developed a software client (DL-client) that standardizes the processing of mean wind based on the Velocity Azimuth Display method. Results of a long-term assessment of DLs at the Meteorological Observatory Lindenberg, starting in 2012, show that the DL-client assures a high quality Level-2 product, which is compatible with the EUMETNET's E-PROFILE observation program. We verified the retrieved mean wind speed and direction with the help of independent reference data from a 482 MHz radar wind profiler and 6-hourly radiosonde ascents. Hence, the DL-client not only facilitates processing and archiving of the DL data, but also forms a basis for operational network deployment and data assimilation. Furthermore, through speeding up and standardizing the data processing, the individual users can concentrate on more advanced scientific data analyses.

Finally, the software is freely accessible and will be continuously improved to account for different scanning strategies. Its modular build-up of processing steps offers the possibility to extend the list of products with additional retrievals, e.g. for turbulent kinetic energy and wind gusts, which are currently under development at Lindenberg.
Analysis of interaction between parameterized orographic gravity wave drag and resolved dynamics in CMAM.
Authors: Šácha Petr , Kuchař Aleš , Jacobi Christoph , Pišoft Petr , Eichinger Roland , Rieder Harald
Published: December 2021

In the extratropical atmosphere, Rossby waves (RWs) and internal gravity waves (GWs) propagating from the troposphere mediate a coupling with the middle atmosphere by influencing the dynamics herein. In current generation chemistry-climate models (CCMs), GWs are usually smaller than the model resolution and the majority of their spectrum therefore must be parameterized. From observations, we know that GWs are intermittent and asymmetrically distributed around the globe, which holds to some extent also for the parameterized GW drag (GWD) (in particular for orographic GWD (oGWD)). The GW parameterizations in CCMs are usually tuned to mitigate biases in the zonal mean climatology of particular quantities, but the complex interaction of parameterized GWs with the large- scale circulation and resolved waves in the models remains to date poorly understood.

This presentation will combine observational evidence, idealized modeling and dynamical analysis of a CCM output to study both the short-term and long-term model response to the oGWD. Our results demonstrate that the oGW-resolved dynamics interaction is a complex two-way process, with the most prominent oGWD impact being the alteration of propagation of planetary-scale Rossby waves on a time-scale of a few days. The conclusions give a novel perspective on the importance of oGWD for the stratospheric polar vortex and atmospheric transport studies outlining potential foci of future research.
Multiparametric Sea State from Spaceborne Synthetic Aperture Radar for Near Real Time Services
Authors: Pleskachevsky Andrey , Tings Björn , Jacobsen Sven , Schwarz Egbert , Krause Detmar
Published: December 2021

Spaceborne synthetic aperture radar (SAR) is a powerful tool for monitoring marine environmental parameters of the seas. The ability to work independently of sun illumination, cloud coverage and atmospheric conditions, as well as the capability of delivering spatial information, makes SAR one of the most perceptive instruments. The newest methods for processing SAR data with increased precision allow sea state fields to be estimated with local variabilities. For large areas in oceans where no in-situ measurements and only forecast predictions are available, this information is indispensable for global shipping and over human activity. Due to newest developments, the derived meteo-marine parameters can be transferred to weather services and to a ship’s bridge several minutes after acquisition, where the ship route can be optimized.

The study presents a method and application for estimating series of integrated sea state parameters from satellite-borne SAR, allow processing of data from different satellites and modes in near real time (NRT). The developed Sea State Processor (SSP) estimates total significant wave height Hs, dominant and secondary swell and windsea wave heights, first, and second moment wave periods, mean wave period and period of wind sea. The algorithm was applied for the Sentinel-1 (S1) C-band Interferometric Wide Swath Mode (IW), Extra Wide (EW) and Wave Mode (WM) Level-1 (L1) products and also extended to the X-band TerraSAR-X (TSX) StripMap (SM) mode. The scenes are processed in raster and result in continuous sea state fields with the exception of S1 WV. Each 20 km × 20 km WV imagette, acquired every 100 km along the orbit, presents averaged values for each sea state parameter.

The SSP was tuned and validated using two independent global wave models WAVEWATCH-3 (NOAA) and CMEMS (Copernicus) and NDBC buoys. The accuracy of Hs reaches an RMSE of 0.25  m by comparison with models (S1 WV); comparisons to NDBC worldwide buoys result into an RMSE of 0.31  m. Due to implemented parallelization, a fine rater step for scene processing can be practical applied: for example, S1 IW scene with coverage of 200  km  ×  250  km can be processed using raster step of 1  km (corresponds to ~50.000 subscenes) during minutes.

The DLR Ground Station “Neustrelitz” applies SSP as part of a near real-time demonstrator service that involves a fully automated daily provision of surface wind and sea state parameters estimates from S1 IW for the North and Baltic Sea. All results and the presented methods are novel and provide a wide field for applications and implementations in prediction systems.
A closer look at the invisible: Unprecedented levels of ultrafine particles and the hydrological cycle
Authors: Junkermann Wolfgang , Hacker Jorg
Published: December 2021

Continental as well as maritime ultrafine particles as cloud condensation nuclei (CCN) are likely initially produced by gas to particle conversion starting with nucleation mode aerosol and slowly (within several hours)  growing into CCN sizes. Although these birth and growing processes were well investigated since about 50 years, the source locations, where the anthropogenic fraction of these particles are preferably formed still remain uncertain as well as the strength of individual natural or anthropogenic sources.

We present an analysis based on two decades of airborne studies of number and size distribution measurements across Europe, Australia, Mexico and China on nucleation and Aitken mode particles serving as CCN or their precursors. Selected flight patterns allow source apportionment for typical major sources and even a quantitative estimate of their emission rates.

Contrary to current global climate model RCP assumptions with decreasing aerosol from 2005 towards the end of the century trends of ultrafine particles and CCN are no longer correlated to sulphur emissions within the last two decades. Nowadays nitrogen and ammonia chemistry is becoming increasingly important for global anthropogenic nanoparticle particle formation and number concentrations. Due to their impact on the hydrological cycle, changes like a slowdown of raindrop production, an increased latent heat flux into the lower free troposphere, an invigoration of torrential rains and a larger water vapour column density might be the consequences. Such recently observed weather patterns are well in agreement with current observations of regional UFP/CCN concentrations and their timely evolution.
The benefit of an artificial carbohydrates supply on Earth
Authors: Platt Ulrich , Dinger Florian
Published: December 2021

Our conventional, biogenic agriculture (CBA) has failed to provide a reliable concept to feed a growing population in a sustainable way. In particular CBA suffers from severe environmental externalities - such as the massive use of land area, water for irrigation, fertiliser, pesticides, herbicides, and fossil fuel.

Here we suggest the artificial synthesis of carbohydrates from (atmospheric) carbon dioxide, water, and renewable energy, which would allow not only a highly reliable production without those externalities, but would also open the possibility to increase the agricultural capacity of our planet by several orders of magnitude. Our study shows that saccharose could be produced from CO2, water and electrical energy with an efficiency exceeding 30% equivalent to about 15 kWh per kg of sugar. Factoring in the efficiency of photovoltaic electricity generation we derive a „sun to sugar“ efficinecy exceeding 6%, which is about 10-times the efficiency of CBA sugar beets or sugar cane.

All required technology is either commercially available or at least developed on a lab-scale. No directed research has, however, yet been conducted towards an industry-scale carbohydrate synthesis because the CBA carbohydrate production was thought to be economically more competitive. However, considering the environmental and socioeconomic externalities of the conventional sugar production, this economical narrative has to be questioned. We estimate the production costs of artificial sugar at about 1 €/kg. Today’s spot market price for conventional sugar is about 0.3 €/kg, however, we estimate its total costs (including external costs) at >0.9 €/kg in humid regions and >2 €/kg in semi-arid regions. Accordingly, artificial sugar appears already today to be the less expensive way of production. The artificial sugar production allows in principle also for a subsequent synthesis of other carbohydrates such as starch as well as of fats. These synthetic products could be used as a feedstock to microorganisms, fungi, insects, or livestock in order to enhance also the sustainability of the biogenic production of, e.g., proteins.
Machbarkeitsstudie zur Bestimmung des sensiblen Wärmestroms von Gründächern
Authors: Wollschläger Niels , Schlink Uwe , Raabe Armin
Published: December 2021

Die Eddy-Kovarianz-Methode ist ein bewährtes Verfahren zur Erfassung des fühlbaren Wärmeströms mit Hilfe dreidimensionaler Sonic Anemometer. 
Diese Methode eignet sich jedoch nicht für kleinere Flächen wie Gründächer, da diese nicht mit den räumlichen Dimensionen des  
entsprechenden Footprints übereinstimmen. 

Als eine alternative Methode wird ein kürzlich konstruiertes akustisches Anemometer (Ly-ATOM) getestet, 
das horizontal mit einer Ausdehnung von ca. 1 m und einer Datenerfassungsfrequenz von 1 Hz arbeitet. 
Das Ly-ATOM ist in der Lage sowohl die akustische virtuelle Temperatur als auch die horizontalen Windkomponenten
eines dreidimensionalen Sonic Anemometers zuverlässig zu reproduzieren. 
Da das Ly-ATOM viel näher am Boden angebracht werden kann, kann die Größe des Footprint erheblich reduziert werden (um den Faktor 25).

Zwei Methoden werden verwendet, um den fühlbaren Wärmestrom aus den Schwankungen der Temperatur und 
der horizontalen Windkomponenten, die vom Ly-ATOM aufgezeichnet wurden, zu ermitteln:
Die Kombination der Fluss-Varianz-Ähnlichkeits-Methode und der alternativen Fluss-Varianz-Methode 
für die Anwendung bei labiler bzw. stabiler Schichtung führt zu guten Ergebnissen für die Sonic-Messungen. 
Daher können diese Methoden auch auf duie Messungen des Ly-ATOMs angewandt werden.
Bei der Untersuchung der Senisitivität zur Detektion veränderter Oberflächeneigenschaften,
 insbesondere erhöhter Evapotranspiration und verringerter Oberflächenalbedo Albedo, 
erweist sich das Ly-ATOM-Gerät als geeigneter im Vergleich zum Sonic Anemometer, welches vertikal weiter 
von der zu untersuchenden Oberfläche entfernt ist.
Neue Entwicklungen mit dem Dynamischen Smagorinsky-Modell
Authors: Schaefer-Rolffs Urs
Published: December 2021

Globale Modelle der Atmosphäre können nur stabil laufen, wenn der Lorenzsche Energiezyklus durch eine Turbulenzparametrisierung geschlossen wird, d.h., dass der Energietransfer zu immer kleineren Skalen im Bereich der Auflösungsgrenze durch einen geeigneten Subskalenterm ausreichend simuliert wird. Ein häufig verwendetes Turbulenzmodel ist das Smagorinsky-Modell, welches auf dem Mischungswegansatz nach Prandtl beruht. Allerdings stellt eine konstante Mischungslänge keine realistische Annahme für die Atmopshäre mit ihren sehr unterschiedlich turbulenten Regionen dar. Daher findet die dynamische Erweiterung nach Germano und Lilly in Form des dynamischen Smagorinsky-Modells (DSM) in globalen Zirkulationsmodellen der Atmosphäre Verwendung. Hierbei stellen die starke Anisotropie und die Schichtung der Atmosphäre besondere Herausforderungen dar, die bei der ursprünglichen Entwicklung des DSM in isotroper Turbulenz keine Rolle spielten.

In meiner Präsentation gehe ich auf die Entwicklungen des DSM, die wir am IAP Kühlungsborn vorangetrieben haben, ein. Dazu zählt ein Invarianzkriterium, welches die Bedingungen für mathematische Konsistenz des Turbulenzmodells herleitet, sowie eine Verallgemeinerung des DSM in Bezug auf den zur Bestimmung der Mischungslänge gewählten Testfilter. Diese werden mit Simulationen im IAP-eigenen spektralen Zirkulationsmodell untermauert. Neuere Entwicklungen führen zu einem dem DSM vergleichbaren Ansatz für die thermodynamische Gleichung durch Einführung einer dynamisch bestimmten Prandtl-Zahl sowie die Verbindung des DSM mit einem Ähnlichkeitsansatz zu einem dynamischen gemischten Modell (DMM). In einem kurzen Ausblick werde ich weitere Ideen, z.B. die Umsetzung eines dynamischen TKE-Modells, diskutieren.
Skalenabhängigkeit der Niederschlagsprognosengüte in einem globalen Wettervorhersagemodell
Authors: Haiden Thomas
Published: December 2021

Aus Satellitendaten abgeleitete Niederschlagsbeobachtungen (GPM-IMERG) werden verwendet, um die Güte der operationellen ECMWF Niederschlagsprognose zu evaluieren. Der Vorteil von Satellitendaten gegenüber der klassichen Niederschlagsbeobachtung an Bodenstationen ist die flächendeckende Verfügbarkeit, sowie der geringere Repräsentationsfehler beim Vergleich mit Gitterdaten eines Modells. Der Hauptnachteil ist die quantitative Unsicherheit aufgrund der deutlich indirekteren Bestimmung des Niederschlags, die bei der Verifikation berücksichtigt werden muss. Das in der Prognosen-Evaluierung betrachtete Gebiet erstreckt sich von 60oN bis 60oS, wobei die Auflösung der GPM-IMERG Daten 0.1ox0.1o beträgt. Die verwendete Metrik ist der Fractions Skill Score (FSS), sowie ein äquivalentes Maß für Ensembleprognosen. Es werden Skalen von etwa 10 km (Maschenweite des Modellgitters in der deterministischen Prognose) bis etwa 200 km betrachtet. Für Tagessummen des Niederschlags wird die Skalenabhängigkeit des Prognosefehlers in den Tropen und in mittleren Breiten als Funktion des Prognosehorizonts bestimmt. Jahreszeitliche Unterschiede, sowie Unterschiede zwischen Meeresgebieten und kontinentalen Gebieten werden analysiert. In Abhängigkeit von der Intensität des Niederschlags werden Grenzen der Vorhersagbarkeit ermittelt, wobei zusätzlich zur Gesamtstatistik auch einzelne Starkniederschlagsereignisse betrachtet werden. Die Ergebnisse liefern das bisher umfassendste Bild der aktuellen Güte der ECMWF Niederschlagsprognose. Darüber hinaus wird die zeitliche Entwicklung der Prognosequalität in den letzten 10 Jahren dokumentiert und untersucht, inwieweit einzelne Verbesserungen spezifischen Modelländerungen (Auflösung, Modellphysik) zugeordnet werden können.
Statistische Modellierung von Feuerwehreinsätzen für extreme Niederschlagsereignisse über Berlin.
Authors: Pasternack Alexander , Langer Ines , Rust Henning W. , Ulbrich Uwe
Published: December 2021

In Großstädten sowie städtische Regionen sind die Auswirkungen von Extremereignissen (z. B. Starkregen) besonders stark spürbar. Da sich die durch gefährliche atmosphärische Ereignisse verursachten Probleme aufgrund des anthropogenen Klimawandels voraussichtlich verschärfen werden, ist eine angemessene Anpassungsplanung der städtischen Infrastruktur erforderlich. Dies erfordert nicht nur die weitere Erforschung möglicher Auswirkungen unter veränderten Klimabedingungen, sondern auch eine Überprüfung der praktischen Umsetzbarkeit für die betroffenen Interessengruppen und Akteure.

Im Rahmen des BMBF-Forschungsprogramms "Stadtklima im Wandel" ([UC]²) setzen wir Starkniederschlagsereignisse mit den zugehörigen Feuerwehreinsätzen über Berlin statistisch in Beziehung. Die Niederschlagsdaten basieren dabei auf zeitlich hoch aufgelösten Radardaten. Die Einsatzdaten der Berliner Feuerwehr sind zwar auch in hoher zeitlicher und örtlicher Auflösung verfügbar, aber die Anzahl der registrierten Ereignisse ist gering (<0.2%). Im Vergleich zu einem Poisson-Modell ist die Verteilung jedoch stark überdispersiv (Varianz größer Erwartungswert). Der Grund hierfür ist, dass Einsätze wegen Wasserschäden nicht gleichmäßig über den betrachteten Zeitraum auftreten, sondern naturgemäß immer in Verbindung mit einzelnen Niederschlags-Extremereignissen stehen. Aufgrund dieses Problems, verwenden wir ein zweiteiliges Hürdenmodell: der erste Teil beschreibt die Auftrittswahrscheinlichkeit für mindestens einen Feuerwehreinsatz (Logistisches Modell) und der zweite Teil beschreibt die Anzahl der Einsätze, für den Fall, dass mindestens ein Einsatz stattgefunden hat. In den entsprechenden statistischen Modellen werden die Parameter durch Prädiktoren beschrieben, die auf der Niederschlagsdauer und -intensität sowie der Gebäudedichte basieren. Mit Hilfe einer Kreuzvalidierung über einen Datenzeitraum von 10 Jahren kann gezeigt werden, dass sowohl das Ereignis-Modell als auch das Modell für die Anzahl der Einsätze der Referenzklimatologie für große Gebiete in Berlin deutlich überlegen sind.
Deriving CO2 emissions of localized sources from OCO-3 XCO2 and TROPOMI NO2 satellite data
Authors: Fuentes Andrade Blanca , Buchwitz Michael , Reuter Maximilian , Bovensmann Heinrich , Burrows John P.
Published: December 2021

Carbon dioxide (CO2) is the most important anthropogenic greenhouse gas and the main driver of global warming. Its atmospheric concentrations have risen more than 40% since pre-industrial times. Almost 90% of this increase results from fossil fuel combustion, emitting CO2 predominantly from localized sources. In order to track the reduction efforts to comply with the objectives of the Paris Agreement, emissions need to be monitored. For this purpose, bottom-up emission estimates are regularly reported in the national greenhouse gas inventories. Top-down observation-based estimates can complement and verify these inventories. Satellite observations have an important role in this context, since they can provide global information.

Due to CO2's long lifetime and large fluxes of natural origin, the column-average concentrations resulting from anthropogenic emissions from individual source points are usually small compared to the background concentration, and these enhancements are often barely larger than the satellite's instrument noise. This makes the detection of CO2 emission plumes and the quantification of anthropogenic fluxes challenging.

NO2 is co-emitted with CO2 in the combustion of fossil fuels. It has a much shorter lifetime, and as a result, its vertical column densities can exceed background values and sensor noise by orders of magnitude in emission plumes. This makes it a suitable tracer for recently emitted CO2.

The objective of this study is to quantify the CO2 emissions from localized sources such as power plants by using XCO2 (the column-averaged dry air mole fraction of CO2) retrievals from the Orbiting Carbon Observatory 3 (OCO-3) in its snapshot area mode. Our presentation describes a plume detection method using NO2 as a tracer for recently emitted CO2 and an inversion technique to quantify CO2 emissions from detected CO2 plumes.
Tornados in Deutschland: Räumliche und zeitliche Verteilung sowie typische Wetterlagen
Authors: Beyer Marcus , Wapler Kathrin
Published: December 2021

Tornados stellen eine Bedrohung für Leib und Leben dar und die durch sie verursachten Schäden können erhebliche wirtschaftliche Auswirkung haben. Welche Folgen ein Tornado in besiedelten Gebiet anrichten kann, zeigte nicht zuletzt der Tornado von Hodonín am 24. Juni 2021 mit sechs Todesopfern. Aber auch in Deutschland haben Tornados in jüngster Vergangenheit teils beträchtliche Schäden verursacht, wie beispielsweise in Bützow am 05.05.2015.

 

Auf Basis der Europäischen Unwetterdatenbank (ESWD – European Severe Weather Database) wurden Statistiken über die zeitliche und räumliche Verteilung von Tornados erstellt. Die Daten reichen zurück bis in das Jahr 689. Aufgrund der Entwicklung moderner Kommunikations- und Dokumentationstechniken ist ab dem Jahr 2000 eine ausreichend gesicherte Datenbasis verfügbar, sodass der Zeitraum 2000-2020 für detailliertere Analysen herangezogen wurde. Mittels statistischer Extrapolation lässt sich zeigen, dass im Jahr durchschnittlich 67 Tornados (inkl. 17 Wasserhosen) in Deutschland auftreten, die vornehmlich im Mai und Juni in den späten Nachmittagsstunden zu beobachten sind. Bezüglich der räumlichen Verteilung starker Tornados (F2+) lassen sich bevorzugte Regionen finden, wo diese gehäuft auftreten. Eine mögliche Ursache für die Häufungen stellt die Orographie in Wechselwirkung mit der Anströmungsrichtung dar.

 

Zusätzlich zu den statistischen Betrachtungen wurden auch typische synoptische und mesoskalige Bedingungen für das Auftreten von Tornados analysiert. Für diese Untersuchungen wurden alle Lagen mit starken Tornados (F2+) zwischen 2013 und 2020 herangezogen. Neben bevorzugten Großwetterlagen wurden auch andere Charakteristika beleuchtet, wie die Art der Konvektion oder die Konvektionszutaten. Daraus ergaben sich viele interessante Erkenntnisse, wie die Tatsache, dass es häufig im Vorfeld eines Tornadoereignisses Niederschlag gab oder, dass bestimmte Gewitter wiederholt Tornados hervorbringen können.

 

Die gewonnenen Erkenntnisse können helfen, das Bewusstsein von Vorhersagemeteorologen für potentielle Tornadolagen zu stärken.

 