Wolken und Niederschlag sind entscheidende Komponenten des Klimasystems, jedoch sind Schlüsselprozesse bisher nicht ausreichend verstanden.
In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir innovative Messverfahren, um Wolken- und Niederschlagseigenschaften zu charakterisieren.

Forschungsprofil

Die Forschungsgruppe drOPS beschäftigt sich mit innovativen Verfahren, um Niederschlag und Wolkeneigenschaften besser mit bodengebundenen Fernerkundungs- und In-Situ-Verfahren messen zu können.

Das Ziel ist es, die für die Bildung von Niederschlag verantwortlichen Prozesse innerhalb von Wolken mithilfe der verbesserten Messungen besser zu verstehen und zu analysieren. Weiterhin wird untersucht wie Wolken mit externen Faktoren zum Beispiel  mit Aerosolen interagieren. Dafür werden innovative Messverfahren entwickelt, die mithilfe von Machine Learning Methoden die Information von verschiedenen Messgeräten verbinden, um Wolken- und Niederschlagseigenschaften zu charakterisieren. Bei Schneefall können die Messungen der Fernerkundungsgeräte mit der eigens entwickelten VISSS Schneefallkamera evaluiert werden.

Nina Maherndl und Dr. Maximlian Maahn bei der Kontrolle eines Messgeräts auf dem Dach des Leipziger Insituts für Meteorologi . Foto Christian Hüller
Nina Maherndl und Dr. Maximlian Maahn bei der Kontrolle eines Messgeräts auf dem Dach des Leipziger Insituts für Meteorologie. Foto Christian Hüller

Forschungsschwerpunkte

Aktuelle Schwerpunkte der Forschung sind:

  • die Charakterisierung der räumlichen Variabilität von arktischen Mischphasenwolken und
  • ein besseres Verständnis des Bereifungsprozesses.
Blick aus dem Flugzeug auf arktische Mischphasenwolken während der HALO-AC3 Kampagne westlich von Spitzbergen. Foto: Maximilian Maahn / Universität Leipzig
Arktische Mischphasenwolken während der HALO-AC3 Kampagne westlich von Spitzbergen. Maximilian Maahn / Universität Leipzig

Forschungsprojekte

Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023

Der Planet Erde hat sich in den letzten 150 Jahren im Durchschnitt um 0,87 K erwärmt. In der Arktis ist die Erwärmung viel stärker, was in den letzten Jahrzehnten besonders deutlich wurde. Derzeit übersteigt die Erwärmung der Arktis den Anstieg der oberflächennahen Lufttemperatur in den mittleren Breiten um etwa 2 K. Dieses Phänomen wird allgemein als arktische Verstärkung bezeichnet.

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Konturplot der winterlichen Temperaturänderung in Abhängigkeit von der geografischen Breite für die Jahre 1950 bis 2020. Die Arktis zeigt die stärkste Erhöhung der Temperatur von etwa 3 K gegenüber dem Referenzzeitraum 1951– 1980. Grafik: Manfred Wendisch
Darstellung der zonal gemittelten globalen Temperaturänderung im Zeitraum 1950 – 2020 gegenüber dem Referenzzeitraum 1950 - 1980. Grafik: Manfred Wendisch

Synergie von Polarimetrischen Radarbeobachtungen und Atmosphärenmodellierung (PROM) – Verschmelzung von Radarpolimetrie und numerischer Atmosphärenmodellierung für ein verbessertes Verständnis von Wolken und Niederschlagsprozessen.

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Wolken- und Niederschlagsprozesse sind seit Jahrzehnten die Hauptquelle von Unsicherheiten in der Wettervorhersage und in Projektionen zum Klimawandel. Ein Großteil dieser Unsicherheiten kann auf fehlende Beobachtungen zurückgeführt werden, die geeignet sind, die Darstellung von Wolken- und Niederschlagsprozessen in atmosphärischen Modellen zu hinterfragen. Die gesamte Atmosphäre über Deutschland wird seit kurzem von 17 hochmodernen polarimetrischen Doppler-Wetterradaren überwacht, die alle fünf Minuten 3D-Informationen über die flüssigen und gefrorenen Niederschlagsteilchen und deren Bewegungen mit einer Sub-Kilometer-Auflösung liefern, die auch von den Atmosphärenmodellen für Wettervorhersagen und Klimastudien herangezogen wird. Die Datenassimilation führt Beobachtungen und Modelle zur Zustandsschätzung als Voraussetzung für die Vorhersage zusammen und kann als intelligente Interpolation zwischen Beobachtungen betrachtet werden, wobei die physikalische Konsistenz der atmosphärischen Modelle als mathematische Randbedingung genutzt wird. Es bestehen jedoch erhebliche Wissenslücken sowohl in der Radarpolarimetrie als auch in den atmosphärischen Modellen, die die volle Ausnutzung des Dreiecks Radarpolarimetrie - atmosphärische Modelle - Datenassimilation behindern und eine koordinierte interdisziplinäre Anstrengung erfordern. Das Schwerpunktprogramm wird die Synergie der neuen Beobachtungen und modernster atmosphärischer Modelle nutzen, um feuchte Prozesse in der Atmosphäre besser zu verstehen und ihre Darstellung in Klima- und Wettervorhersagemodellen zu verbessern. Das Programm wird unser wissenschaftliches Verständnis an den Grenzen der drei Disziplinen für bessere Vorhersagen von niederschlagbringenden Wolkensystemen erweitern, indem es die folgenden Ziele anspricht.

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Teilprojekt: Charakterisierung von orographisch beeinflusster Bereifung und sekundärer Eisproduktion und deren Auswirkungen auf Niederschlagsraten mittels Radarpolarimetrie und Dopplerspektren (CORSIPP)

Laufzeit: 01.01.2022 – 30.06.2025

Team: Dr. Isabelle Steinke, Dr. Maximilian Maahn

Das Ziel des Projekts „CORSIPP“ in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Jun-Prof. Dr. Heike Kalesse-Los ist es, die Interaktion von Eiskristallen und flüssigen unterkühlen Wolkentröpfchen besser zu verstehen. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf die Bereifung und sekundäre Eiskristalle, die z.B. beim Bereifungsprozess abbrechen können, gelegt.

Geplanter Messaufbau beim SAIL Experiment. Darstellung: Teresa Vogl / Universität Leipzig
Geplanter Messaufbau beim SAIL Experiment. Darstellung: Teresa Vogl / Universität Leipzig

Um die erforderlichen Daten zu erhalten, werden ein 94 GHz Wolkenradar und eine VISSS Schneefallkamera im Winter 2022/23 nach Colorado geschickt, um an der internationalen SAIL Kampagne teilzunehmen

Polar P5 (vorne) und Polar P6 (hinten) wurden bei der HALO-(AC)3 Kampagne benutzt um kombinierte Fernerkundungs- und In-situ-Messungen von arktischen Mischphasenwolken in der Umgebung von Spitzbergen anzufertigen. Foto: Maximilian Maahn / Universität Leipzig
Polar P5 (vorne) und Polar P6 (hinten) wurden bei der HALO-(AC)3 Kampagne benutzt, um kombinierte Fernerkundungs- und In-situ-Messungen von arktischen Mischphasenwolken in der Umgebung von Spitzbergen anzufertigen.…

Messinstrumente

Der Video In Situ Snowfall Sensor steht während der MOSAiC Kampagne auf dem Meereseis. Foto: Matthew Shupe wurde während der MOSAiC Kampagne auf dem Meereseis betrieben. Foto: Matthew Shupe
Der Video In Situ Snowfall Sensor während der MOSAiC Kampagne auf dem Meereseis. Foto: Matthew Shupe

Das VISSS ist ein in der AG drOPS entwickeltes optisches Gerät mit dem Größe, Form und Fallgeschwindigkeit von Schneeflocken bestimmt werden können.

Das VISSS hat ein recht großes, freistehendes Beobachtungsvolumen, wodurch eine große Anzahl von Schneeflocken ohne Beeinträchtigung des Windfeldes mit hoher Auflösung vermessen werden kann. Das erste VISSS wurde speziell für MOSAiC gebaut, eine verbesserte Version wurde 2021 in Ny-Ålesund aufgestellt.

Kampagnen:

CORSIPP Beitrag zu SAIL (Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory) Gothic, Colorado, 2022/2023
(AC)3 SYNCLOUD (Synergistic long-term observations of vertically resolved cloud properties using a novel microwave radiometer/radar for Arctic) Ny-Ålesund Norway seit 2021
CRIOS (Combining Radar and Imagining Observations for Snowfall measurements) Hyytiälä Finnland, seit 2021

MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate)
Daten

Arkticher Ozean 2019/20
Satellitengebundene Beobachtung: LIMRAD94 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig
Bodengebundene Beobachtung: LIMRAD94 auf dem Dach des Leipziger Instituts für Meteorologie. Foto: Katrin Schandert / Universität Leipzig

Hersteller: Radiometer Physics GmbH
Mittenfrequenz: 94 GHz (λ = 3,19 mm) ± 100 MHz typical
IF-Bereich:  0,35 to 4,5 MHz

Dieses Radar wurde für die Atmosphärenforschung entwickelt. Es arbeitet bei einer Wellenlänge von 3,2 Millimetern, wodurch eine hohe Empfindlichkeit bei kleiner Baugröße des Gerätes erreicht werden kann. Das Radar liefert Entfernungsprofile von Parametern, die Informationen über Streuer in der Atmosphäre wie Wolkenpartikel, Regentropfen, Schneeflocken und Insekten enthalten. Das Radar verwendet frequenzmodulierte Dauerstrichsignale (FMCW) und hat daher eine hohe Entfernungsauflösung bis zu 1 m. Die Doppler- und polarimetrischen (optionalen) Fähigkeiten des Radars bilden eine gute Grundlage für eine Klassifizierung von Partikeln und eine quantitative Charakterisierung von Hydrometeoren.

Anwendungsbereiche:

  • Kalibrierung von Niederschlags- und Wolkenradaren einschließlich satellitengestützter Systeme
  • Abschätzung von Ausbreitungseffekten für Satellitenverbindungen
  • Niederschlag und Nebel Nowcast
  • Hydrometeor-Klassifizierung
  • Quantitative Niederschlagsabschätzung
  • Abfrage von Windrichtung und -geschwindigkeit
  • Profilierung von flüssigem Wasser
  • Mikrophysikalische Analyse von Wolken und Niederschlag

Kampagnen:

CORSIPP Beitrag zu SAIL (Surface Atmosphere Integrated Field Laboratory) Gothic, Colorado, 2022/2023
HALO-(AC)3 Svalbard, Norway

Frühling 2022

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