Um die Auswirkungen des Klimawandels vorherzusagen, müssen wir Wissenschaftler mehr über die Wechselwirkungen zwischen Klima, Biosphäre, Ökosystemen und menschlichen Aktivitäten verstehen und forschen.
Die Forschung der Arbeitsgruppe wird durch drittmittelfinanzierte Projekte gefördert, die auf dieser Seite vorgestellt werden.

Laufende Projekte

Die nachfolgend aufgelisteten Projekte sind Teilprojekte in Verbundprojekten gefördert von der Deuschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Europäischen Union.

Die schnellen Anpassungen insbesondere von Wolken nach einer Erhöhung von CO2 in der Atmosphäre sollen mit Hilfe von globalen Klimamodellen und wolkenauflösenden Modellen besser verstanden werden. Grafik: Christine Nam
Die schnellen Anpassungen insbesondere von Wolken nach einer Erhöhung von CO2 in der Atmosphäre sollen mit Hilfe von globalen Klimamodellen und wolkenauflösenden Modellen besser verstanden werden. Grafik: Christine Nam

Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen

Laufzeit: 01.01.2020 – 31.12.2023

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

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.

Mehr erfahren

 

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 Hauptursache für Unsicherheiten in der Wettervorhersage und den 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.

Mehr erfahren

Schematische Darstellung der untersuchten Prozesse in PARA. Abbildung: Nikolaos Papaevangelo
Schematische Darstellung der untersuchten Prozesse in PARA. Abbildung: Nikolaos Papaevangelo

Teilprojekt: Klimamodell PArameterisierungen mit Hilfe von RAdar (PARA)

Laufzeit: 01.01.2019 – 31.12.2022

Team: Sabine Hörnig, Prof. Dr. Johannes Quaas

Partner: Nikolaos Papaevangelou, Silke Trömel (Universität Bonn)

Ein erstes Ziel des Beitrags der Universtität Leipzig zu PARA war die Auswertung der subgrid-skaligen Variabilität von Wolkeneis. Im allgemeinen Zirkulationsmodell ICON (Giorgetta et al., 2018) wird die horizontale subgitter-skalige Variabilität der Wolken in Form einer "kritischen relativen Feuchte" (Sundqvist et al., 1989) dargestellt, die einer gleichmäßigen Verteilung der spezifischen Gesamtwasserfeuchte um ihren Gitterboxmittelwert entspricht (Quaas, 2012). In der vorliegenden Studie werden nur Eiswolken betrachtet, und der bewölkte Teil jeder Gitterbox wird isoliert, d. h. die Gesamtwassermenge, die jenseits der spezifischen Sättigungsfeuchte in Bezug auf Eis liegt.

Mehr erfahren

 Dunkle Wolken treten Wolken treten aus einem Vulkan aus - ein potenziell wichtiger Effekt auf das Klima. Foto: Yosh Ginsu
Wolken werden durch von Vulkanen emittierte Aerosole beeinflusst – ein potenziell sehr wichtiger Effekt auf das Klima. Foto: Yosh Ginsu

Der Einfluss von Vulkanen auf die Atmosphäre und das Klima - Vorbereitungen auf den nächsten großen Vulkanausbruch

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Das übergreifende Ziel der DFG-Forschergruppe VolImpact ist es, unser Verständnis darüber zu verbessern, wie das Klimasystem auf Vulkanausbrüche reagiert. Aufgrund neuer Entwicklungen bei den Beobachtungs- und Modellierungsmöglichkeiten werden wir nun in der Lage sein, Fragen zu beantworten, die vorher nicht beantwortet werden konnten. Das Projekt vereint die Expertise weltweit führender Experten in komplementären Disziplinen, die alle notwendig sind, um die gewählten Forschungsziele zu erreichen. Dazu gehören Kompetenzen in der Satellitenfernerkundung der atmosphärischen Zusammensetzung, der stratosphärischen Aerosolparameter und der Wolken sowie in der Modellierung von mikrophysikalischen Aerosol- und Wolkenprozessen und in der Klimamodellierung.

Mehr erfahren

 Dunkle Wolken treten Wolken treten aus einem Vulkan aus - ein potenziell wichtiger Effekt auf das Klima. Foto: Yosh Ginsu
Wolken werden durch von Vulkanen emittierte Aerosole beeinflusst – ein potenziell sehr wichtiger Effekt auf das Klima. Foto: Yosh Ginsu

Teilprojekt 3: Reaktion der Wolken auf Vulkanausbrüche (VolCloud)

Laufzeit: 01.06.2019 – 31.05.2022

Team: Mahnoosh Haghighatnasab, Prof. Dr. Johannes Quaas

Partner: Fatemeh Zarei, Prof. Dr. Corinna Hoose (Karlsruhe Institute of Technology)

VolCloud wird die Reaktion der Wolken auf Vulkanausbrüche aufgrund von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und Wolkenanpassungen unter Verwendung einer Reihe von ICON-Simulationen sowie von Satellitendaten behandeln. Spezifische Ziele sind die qualitative und quantitative Untersuchung der folgenden Effekte.

Mehr erfahren

Wolkenänderungen durch die Umkehr des Aerosoltrends über China: Beobachtungsdaten – Modell – Synergie von regionaler zu großer Skala

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit: 01.03.2021 – 29.02.2024

Team: Dr. Hailing Jia, Prof. Dr. Johannes Quaas

Die Reaktion von Wolken auf anthropogene Änderungen der Atmosphärenzusammensetzungstellt eine große Unsicherheit bei der Quantifizierung des globalen Klimawandels dar. Ein sehrwichtiger Aspekt dabei ist die Änderung von Wolken durch Aerosolemissionen. In Bezug aufdiese Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen hat sich in neuen Studien herausgestellt, dass diewesentliche Unbekannte die Änderung der horizontalen Wolkenausdehnung (Bedeckungsgrad)in Anpassung an Wolkentröpfchenkonzentrationsänderungen ist. Cloudtrend wird das Verständ-nis und die Quantifizierung dieses Problems substantiell verbessern, indem es auf drei Schlüs-selideen aufbaut: (i) die stark ansteigenden und dann abnehmenden anthropogenen Aerosole-missionen über China im 21. Jahrhundert bieten eine einzigartige Gelegenheit für die Detectionund Attribution von aerosolabhängigen Wolkenänderungen in Beobachtungsdaten, die für diesePeriode in hoher Qualität vom Boden und von Satelliten zur Verfügung stehen; (ii) neue Model-lier- und Datenanalysewerkzeuge stehen zur Verfügung, einschließlich verbesserter Satelliten-daten für Wolkenmikrophysik und Wolkenregimedefinitionen, sowie die CMIP6 Multi-Modell-Daten; und (iii) die Datenanalyse und Klimamodellierung auf großer Skala kann dank neuer An-sätze aus maschinellem Lernen systematisch von den hochaufgelösten regionalen Daten undModellen lernen. Das Projekt wird durch die Synergie in der Expertise an der Nanjing Universityof Information Science and Technology (Schwerpunkt auf den regionalen Referenzdaten und -modellen) und der Universität Leipzig (Schwerpunkt auf der großen Skala) möglich gemacht.

Wolkentröpfchenanzahlkonzentration aus mit Atmosphärenmodellierung verbesserten Satellitenbeobachtungen für die Analyse von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft

Laufzeit: 01.03.2021 – 29.02.2024

Team: Dr. Tom Goren, Prof. Dr. Johannes Quaas

Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen bewirken einen effektiven Strahlungsantrieb, der eine wesentliche Unsicherheit beim Verständnis und der Interpretation des beobachteten Klimawandels darstellt. Globale Daten werden benötigt, um die relevanten Prozesse besser zu quantifizieren, aber eine Schlüsselgröße - die Wolkentröpfchenzahlkonzentration (CDNC, Nd) - ist nicht aus operationellen Produkten verfügbar. Aufbauend auf Vorarbeiten wird CDNC4aci in enger Wechselwirkung zwischen Beobachtung und Modell auf zuverlässige Abfragen von Nd von Satelliten hinarbeiten: Neu verfügbare wolkenauflösende Simulationen werden die Entwicklung und Verfeinerung der Abfrage informieren, und die Daten werden wiederum verwendet, um das Verständnis und die Quantifizierung von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen im Modell und aus statistischen Analysen zu verbessern. Insbesondere wird das Projekt Mehrwinkel- und polarimetrische Beobachtungen für bessere Nd-Daten einbeziehen, es wird Abrufansätze unter Verwendung von modellinformierter vertikaler Wolkenschichtung in Abhängigkeit vom Wolkenregime überarbeiten und Abruffehler und Verzerrungen gründlich quantifizieren und korrigieren sowie Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsprozesse aus Daten bewerten. Das Projekt wird die Wolkenprozessinformationen in den abgerufenen Daten mit Hilfe von Modellsensitivitätsanalysen bewerten, es wird Modell und Daten vergleichbar machen, indem gemessene polarisierte Radianzen und Abrufprodukte vorwärtssimuliert werden, und es wird Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in einem globalen Modell bewerten, das die Daten und das Prozessverständnis in der Modell-Daten-Bewertung verwendet. Das Endziel ist eine konsistente Quantifizierung des Aerosol-Wolken-Antriebs zwischen Modell- und Datenanalyse.

Unterschied zwischen den Hemisphären im Aerosoleinfluss auf Wolkenauflösung

gefördert durch: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: 01.04.2020 – 31.03.2023

Die Frage wie anthropogene Verschmutzungspartikel, sogenannte Aerosole, Wolken, und dadurch die Energiebilanz des Erdsystems beeinflussen, ist eine der wichtigsten Fragen bezüglich der Physik des Klimawandels. Hierbei spielen vor allem niedrige Wolken eine Rolle, und der wichtigste Wolkentyp bezüglich des Einflusses auf die Strahlung sind Stratokumuluswolken. Besonders interessant und mit besonders großer Unsicherheit behaftet ist dabei, inwiefern Stratokumulus auf einen anfänglichen Anstieg der Wolkentröpfchenkonzentration (Nd) aufgrund der anthropogenen Aerosolemissionen, reagieren Wolkenanpassungen. Dabei sind zwei gegenläufige Senkenprozesse zu untersuchen:

  • (i) Wolkenauflösung via Niederschlagsbildung – höhere Nd führen zu verzögerter Niederschlagsbildung, längerer Wolkenlebensdauer und damit zu einem stärkeren abkühlenden Effekt der Wolken.
  • ii) Wolkenauflösung durch turbulente Mischung mit der Umgebung und Tröpfchenverdunstung. Bei höherer Nd verdunsten die Tröpfchen durch größeres Oberfläche-Volumen-Verhältnis schneller – der gegenteilige Effekt.

Bei höherer Nd verdunsten die Tröpfchen durch größeres Oberfläche-Volumen-Verhältnis schneller – der gegenteilige Effekt. CHANCE baut auf neuen, komplementären Entwicklungen in Neuseeland und Deutschland auf: Neue Ansätze für die Darstellung und Untersuchung des Wolkenlebenszyklus anhand von hochaufgelösten Modellen (Auckland/NZ) sowie die führende universitäre Rolle in den Entwicklungen des deutschen Atmosphärenmodells (Leipzig/D). Dies ermöglicht eine realistische Darstellung der Wolkensenkenprozesse. CHANCE verbindet die Modellierung mit eingehenden Analysen von Beobachtungsdaten insbesondere von Satelliten und wird Stratokumulus für eine große Bandbreite an Wetterbedingungen und Aerosolkonzentrationen in den beiden unterschiedlichen Hemisphären simulieren; die beiden Wolkenauflösungsprozesse eingehend analysieren; die Modelle prozessorientiert mit Satellitendaten evaluieren und damit Modellverbesserungen vorschlagen; und schließlich den Aerosol-Wolken-Strahlungsantrieb quantifizieren.

Wolken lösen sich auf, entweder wenn sie ausregnen, oder wenn sie verdunsten. Foto: Kenrick Mills
Wolken lösen sich auf, entweder wenn sie ausregnen, oder wenn sie verdunsten. Foto: Kenrick Mills

Teilprojekt: Aerosolforschung

Team:  Samuel Kwakye, Prof. Dr. Johannes Quaas

Partner: Dr. Gilles Bellon (University of Auckland)

ClimXtreme: Klimawandel und Extremereignisse

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
Das BMBF unterstützt die von Herbst 2019 bis Anfang 2023 laufende erste Phase der Fördermaßnahme mit von 40 Einzelprojekten mit 14 Mio. €. Im Auftrag des BMBF betreut der Bereich Umwelt und Nachhaltigkeit des DLR Projektträgers die Förderinitiative fachlich und administrativ.
Laufzeit: 01.04.2020 – 31.03.2023


Extremereignisse wie Hitzewellen, Starkniederschläge, Hochwasser oder Stürme verursachen große Schäden in Milliardenhöhe und sind teilweise lebensbedrohlich. Daher ist es für Gesellschaft, Wirtschaft, Politik und öffentliche Verwaltung von fundamentalem Interesse, zu wissen, wie sich der Klimawandel auf die Häufigkeit und Intensität von Extremereignissen auswirkt bzw. auswirken wird. Bereits jetzt nimmt in Folge des Klimawandels die Anzahl an Schadensereignissen durch Naturkatastrophen zu.

Mehr erfahren
 

Überflutete Elbwiesen bei Riesa im Jahr 2013. Foto: Uwe Päsler / Stadtverwaltung Riesa
Nehmen Hochwasser durch den Klimawandel zu? - Hochwasser an der Elbe bei Riesa 2013. Foto: Uwe Päsler / Stadtverwaltung Riesa

Teilprojekt: Modul B - Statistik, Teilprojekt 3, Probabilistische Zuordnung extremer Niederschläge zu Aerosolstörungen (PATTERA)

Team: Dr. Ribu Cherian, Prof. Dr. Johannes Quaas

Das Projekt PATTERA beschäftigt sich mit der Frage, welchen Anteil anthropogene Aerosolemissionen auf die Stärke von Niederschlagsereignissen haben.

Dunkle Gewitterwolke am Himmel. Foto: Tom Barrett
Gewitterwolken können durch Aerosolpartikel an Intensität zunehmen. Foto: Tom Barrett

Atmosphären-Modelldaten: Datenqualität, Kurationskriterien und DOI-Branding

Förderung: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

Laufzeit: 01.06.2019 – 31.05.2022

Partner:

Der Austausch und die Interpretation von Klimamodelldaten ist weit über die Klimaforschungsgemeinschaft hinaus von Bedeutung, wird aber derzeit durch das Fehlen umfassender Qualitätssicherungsmaßnahmen und koordinierter Kuratierungskriterien behindert. In der Meteorologie und Klimaforschung werden Datenqualitäts- und Datenkurationsstandards vor allem in großen, international koordinierten Modellvergleichsstudien (MIPs, z. B. Coupled Model Intercomparison Project - CMIP) etabliert und angewendet, um eine effektive Teil- und Nachnutzbarkeit der Forschungsdaten zu gewährleisten.

Mehr erfahren

AtMoDat sorgt dafür, dass die Ergebnisse von Klimamodellen standardisiert werden und so besser nutzbar gemacht werden. Logo: AtMoDat
AtMoDat sorgt dafür, dass die Ergebnisse von Klimamodellen standardisiert werden und so besser nutzbar gemacht werden. Logo: AtMoDat

Teilprojekt der Arbeitsgruppe Wolke und Globales Klima

Team: Jan Kretzschmar, Prof. Dr. Johannes Quaas
 

 

innovative MachIne leaRning to constrain Aerosol-cloud CLimate Impacts

Förderung: Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Marie Skłodowska-Curie-Fördervereinbarung Nr. 860100 gefördert

Partner:

  • University of Oxford
  • Stockholms universitet,
  • ETH Zurich,
  • University of Edinburgh,
  • University of Valencia,
  • Alan Touring Institute,
  • Deutsches Zetrum für Luft- und Raumfahrt
  • University College London

Wissenschaftlicher Hintergrund

Der menschengemachte Klimawandel ist eines der dringendsten Probleme der Menschheit. Um ein gefährliches Maß an globaler Erwärmung zu vermeiden, wurde auf der UN-Vertragsstaatenkonferenz 2015 in Paris eine historische Vereinbarung getroffen, den Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur "deutlich unter" 2 °C über dem vorindustriellen Niveau zu halten. Anthropogene Aerosole haben höchstwahrscheinlich einen Teil der bisherigen Erwärmung des Treibhauseffekts ausgeglichen, insbesondere durch ihre Wechselwirkung mit Wolken, jedoch bestehen trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung immer noch erhebliche Unsicherheiten über das Ausmaß dieser Abkühlung.

Innovativer Ansatz

Auch wenn große Datensätze umfassend analysiert wurden, um unser Verständnis der Aerosol-Wolken-Klima-Wechselwirkungen voranzutreiben, bleiben viele Unsicherheiten bestehen und die derzeitigen Methoden sind oft unzureichend. Künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen, die bereits viele Forschungsbereiche revolutionieren, werden in der Klimawissenschaft noch nicht in vollem Umfang angewendet - und die Wissenschaftler sind nicht ausreichend geschult. iMIRACLI schlägt vor, dass die Verschmelzung von KI, maschinellem Lernen und Klimawissenschaft einen Durchbruch in unserem Verständnis der Auswirkungen von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen auf das Klima bringen wird.

Mehr erfahren

In den Satellitenmessungen sieht man in den Wolken die Verschmutzungsfahnen der Industrieemissionen. Foto: NASA
In den Satellitenmessungen sieht man in den Wolken die Verschmutzungsfahnen der Industrieemissionen. Foto: NASA

Teilprojekt: Nachweis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in raumbezogenen Beobachtungen

Laufzeit: 01.04.2020 – 31.03.2023

Team:  Jessenia González Villareal, Prof. Dr. Johannes Quaas

Ein wesentliches Problem bei der satellitengestützten Analyse von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen ist die große und manchmal systematische Unsicherheit in den Messwerten. ESR1 wird die Analyse im Beobachtungsraum (satellitengemessene Radianzen) durchführen, um Signaturen von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen ohne die Notwendigkeit von Abrufen in drei Schritten zu bewerten: (1) Analyse des Informationsgehalts auf der Basis von Simulationen von Aerosolen und Wolken und vorwärtssimulierten Radianzen; (2) Optimierung der Erkennbarkeit von Aerosol-Wolken-Kovariationen im Beobachtungsraum durch Emulation auf der Basis von großskaligen Gauß-Prozessen; (3) Anwendung der Emulator-Ableitung für eine Bewertung der Empfindlichkeit verschiedener Beobachtungssignale zur Ableitung von Aerosol-induzierten Störungen auf Wolken.
Mehr erfahren

Teilprojekt: Bestimmung von Wolkenzuständen, die für Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen relevant sind

Laufzeit: 01.04.2020 – 31.03.2023

Team: Julien Lenhardt, Prof. Dr. Johannes Quaas

Wolken werden in Typen, Klassen oder Regime eingeteilt.  Die World Meteorological Organisation unterscheidet zwischen Stratus- und Kumuluswolken und drei Höhenschichten. Es hat sich jedoch als sehr schwierig erwiesen, Wolkenregime objektiv zu definieren. Dies wird erreicht durch (1) die Verwendung von räumlich und spektral hoch aufgelösten Satellitenbildern in Kombination mit Bildverarbeitung und Faltungsneuronalen Netzen; durch (2) die Kombination mit verfügbaren hochaufgelösten Simulationen zum Erlernen von Wolkentypen als Funktion der Dynamik und Thermodynamik unter Verwendung von Faltungsneuronalen Netzen; und durch (3) die Bewertung der statistischen Beziehungen zwischen Wolkeneigenschaften, die für die Quantifizierung und Bewertung von Wolkenanpassungen an Aerosol-Wolken-Interaktionen relevant sind.
Mehr erfahren

Weiterentwicklung der Wissenschaft für Luftfahrt und Klima

Förderung: Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 875036 gefördert.
Teilnehmer:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V
  • CICERO - Senter for klimaforskning stiftelse
  • The University of Reading
  • Universität Wien
  • Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
  • Universität Leipzig
  • Technische Universiteit Delft
  • Forschungszentrum Jülich GmbH
  • Centre National de la Recherche Scientifique
  • Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften

Mehr erfahren

Neben einer Cumuluswolke sind die hohen Eiswolken, die Zirren zu sehen. Darunter ist auch eine linienförmige Zirruswolke, ein Kondensstreifen von einem Flugzeug. Johannes Quuas
Wolken treten in vielfältigen Formen auf und werden durch menschliche Aktivitäten beeinflusst. Dies ist besonders bei Kondensstreifen sichtbar. Foto: Johannes Quaas / Universität Leipzig

Teilprojekt: Erweiterung der Kenntnisse über indirekte Aerosoleffekte

Laufzeit: 01.01.2020 – 30.04.2023

Team:  Sajedeh Marjani, Prof. Dr. Johannes Quaas

Genauer bestimmter Aerosol-Antrieb für verbesserte Klimaprojektionen

Förderung:  Dieses Projekt wurde mit Mitteln aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm Horizont 2020 unter der Fördervereinbarung Nr. 821205 gefördert.

Das im Dezember 2015 im Rahmen der Klimarahmenkonvention der Vereinten Nationen (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC) verabschiedete Pariser Abkommen verlangt von der Mehrheit der Länder der Welt, die globale Erwärmung durch anthropogene Aktivitäten auf 2°C über dem vorindustriellen Niveau zu begrenzen. Die zur Erreichung dieses Ziels erforderlichen Maßnahmen sowie die Dringlichkeit und Wirksamkeit ihrer Umsetzung hängen entscheidend von der genauen Vorhersage der zeitlichen Entwicklung des Strahlungsantriebs und der daraus resultierenden Reaktion des Klimas ab. Die Unsicherheit bei der Simulation der Komponenten der Atmosphäre, insbesondere derjenigen, die mit Aerosolen, Wolken und deren Wechselwirkungen zusammenhängen, behindert unsere Fähigkeit, die Vergangenheit zu verstehen und zukünftige Klimaveränderungen zu prognostizieren, erheblich. Dies liegt daran, dass anthropogene Aerosole einen kühlenden Nettoeffekt auf das Klima ausüben, der einen Teil des Erwärmungseffekts durch Treibhausgasemissionen ausgleicht - allerdings mit großer Unsicherheit. Infolgedessen werden die verbleibende Zeit zur Erreichung der notwendigen Treibhausgasreduktionen zur Erreichung des PA-Ziels und unser Verständnis der zu erwartenden regionalen Auswirkungen des Klimawandels durch die Unfähigkeit behindert, den mit Aerosolen verbundenen menschengemachten Klimaanstieg solide zu quantifizieren. Insbesondere die erwartete starke Verringerung der Aerosolemissionen in den kommenden Jahrzehnten wird zu einem Erwärmungseffekt führen, der derzeit nur sehr schlecht quantifiziert ist. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, das Ausmaß zu bestimmen, in dem Aerosolveränderungen, ob aufgrund anthropogener Emissionen oder als Rückkopplung durch die Erwärmung, die Erwärmung durch Treibhausgase ausgleichen.

Mehr erfahren


Teilnehmer:

  • Coordinator: Stockholm University
  • ETH Zürich
  • Karlsruhe Institute of Technology (KIT)
  • Foundation for Research and Technology - Hellas  - Institute of Chemical Engineering Sciences (FORTH)
  • Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI)
  • Universität Leipzig (ULEI)
  • University of Helsinki
  • National Research Council of Italy, Institute of Atmospheric Sciences and Climate
  • Barcelona Supercomputing Center
  • Norwegian Meteorological Institute
  • University of Eastern Finland
  • University of Leeds
  • University of Oslo
  • Forschungszentrum Jülich
  • University of Oxford
  • Finnish Meteorological Institute
  • Swedish Meteorological and Hydrological Institute
  • French National Institute for Industrial Environment and Risks
  • International Institute for Applied Systems Analysis
  • University of Exeter
  • Sheffield Hallam University
  • École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Der Flüssigwasserweg (liquid water path, LWP) ändert sich als Funktion der Wolkentröpfchenkonzentration (Nd), allerdings in nicht-linearer Weise. Welche Prozesse genau sich ändern, soll in FORCES untersucht und besser in Klimamodellen dargestellt werden: Grafik: Dipu Sudhakar / Universität Leipzig
Der Flüssigwasserweg (liquid water path, LWP) ändert sich als Funktion der Wolkentröpfchenkonzentration (Nd). Welche Prozesse genau sich ändern, wird FORCeS untersucht und besser in Klimamodellen dargestellt. Grafik:...

Teilprojekt: Verstehen von Wolkenprozessen und Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen

Laufzeit: 01.01.2020 – 30.04.2023

Team:  Dr. Dipu Soudhakar, Enrico Metzner,  Iris Papakonstantinou-Presvelou,  Prof. Dr. Johannes Quaas

Partner: Annele Virtanen (UEF)

Dieses Arbeitspaket zielt darauf ab, die Darstellung von Wolken-, Niederschlags- und Aerosolprozessen in Erdsystemmodellen zu verbessern, um eine qualitativ zuverlässigere Simulation des effektiven Strahlungsantriebs aufgrund von Aerosol-Klima-Wechselwirkungen zu erreichen.
Mehr erfahren

Reduktion der Unsicherheit von multidekadischen Klimaprojektionen

Förderung: Dieses Projekt wurde durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 820829 gefördert.

Teilnehmer:

  • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V
  • CICERO - Senter for klimaforskning stiftelse
  • The University of Reading
  • Universität Wien
  • Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
  • Universität Leipzig
  • Technische Universiteit Delft
  • Forschungszentrum Jülich GmbH
  • Centre National de la Recherche Scientifique
  • Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften

Mehr erfahren

Die schnellen Anpassungen insbesondere von Wolken nach einer Erhöhung von CO2 in der Atmosphäre sollen mit Hilfe von globalen Klimamodellen und wolkenauflösenden Modellen besser verstanden werden. Grafik: Christine Nam
Die schnellen Anpassungen insbesondere von Wolken nach einer Erhöhung von CO2 in der Atmosphäre sollen mit Hilfe von globalen Klimamodellen und wolkenauflösenden Modellen besser verstanden werden. Grafik: Christine Nam

Teilproject 1: Erweiterung der Kenntnisse über indirekte Aerosoleffekte

Laufzeit: 01.10.2020 – 30.04.2023

Team:  Dr. Karoline Block, Dr. Tom Goren, Olivia Linke, Prof. Dr. Johannes Quaas,

Partner: CICERO - Senter for klimaforskning stiftelse

TP1 untersucht, warum sich Klimamodell-Simulationen des effektiven Strahlungsantriebs (ERF) unterscheiden und zielt darauf ab, Fehler in den Modellen zu quantifizieren. Dies ist wichtig, um die Klimasensitivität einzuschränken. Ein Schwerpunkt wird auf Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen und schnellen Anpassungsmechanismen liegen, um sowohl die Prozesse als auch ihre Unsicherheiten zu verstehen und als Ergebnis wesentliche Verbesserungen in den Modellschätzungen des ERF zu erreichen.

Abgeschlossene Projekte

Die nachfolgend aufgelisteten abgeschlossenen Projekte sind Teilprojekte in Verbundprojekten gefördert von der Deuschen Forschungsgemeinschaft, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung und der Europäischen Union.

Wolken lösen sich auf, entweder wenn sie ausregnen, oder wenn sie verdunsten. Foto: Kenrick Mills
Wolken lösen sich auf, entweder wenn sie ausregnen, oder wenn sie verdunsten. Foto: Kenrick Mills

Atmosphärenüberwachungsdienst (CAMS)

Förderung: CAMS ist einer der sechs Dienste, die Copernicus bilden, das Erdbeobachtungsprogramm der Europäischen Union, das unseren Planeten und seine Umwelt zum letztendlichen Nutzen aller europäischen Bürger überwacht. Copernicus bietet Informationsdienste, die auf satellitengestützter Erdbeobachtung, In-situ-Daten (ohne Satelliten) und Modellierung basieren.

Mehr erfahren

Teilprojekt: Quantifizierung des Strahlungsantriebs durch Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen auf Basis der CAMS-Reanalyse

Laufzeit: 01.07 2019 – 30.06.2020

Team: Dr. Caroline Block, Prof  Dr. Johannes Quaas

Atmosphären- und Erdsystemforschung mit dem Forschungsflugzeug HALO

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 01.08 2016 – 31.07.2020

Teilprojekt: Langwelliger Strahlungsanstieg durch Aersol-Wolken-Wechselwirkungen: Satelliten und Klimamodelle im Vergleich zu HALO

Das wichtigste Ergebnis des Projekts war die gründliche Evaluierung des Eiskristallanzahlkonzentrationretrievals mit Hilfe von HALO-Daten (Sourdeval et al., 2018; Gryspeerdt et al., 2018). Dabei wurde zunächst untersucht, inwiefern die dem DARDAR-Algorithmus zugrundeliegenden Größenverteilungen (modifizierte Gamma-Verteilungen) der Realität entsprechen.

Wir fanden heruas, dass die Parametrisierungen der Größenverteilungen grundsätzlich gut mit den in situ-Beobachtungen übereinstimmten. Dies ist insbesondere der Fall für die kalten Temperaturen, während bei Temperaturen oberhalb von -50°C die beobachteten Verteilungen bimodal werden, was die Parametrisierung nicht hergibt.

Ein direkter Vergleich zwischen in situ-Messungen und Satellitenretrievals ergab Übereinstimmung belegen, die besser wird, je niedriger die Temperatur ist, und je größer die untere Integrationsgrenze über die Eiskristallgrößenverteilung gewählt wird, und wenn die Retrievals dadurch genauer werden, dass beide Messinstrumente (Lidar und Radar) ein Wolkenelement beobachten. In Gryspeerdt et al. (2018) wurden dann die Temperatur- und Aerosolabhängigkeiten der Eiskristallkonzentration betrachtet, die auf eine Zunahme mit der Temperatur und eine Zunahme mit der Aerosolkonzentration für kalte Temperaturen und insbesondere starke Aufwinde (also Bedingungen mit vorzugsweise homogenem Gefrieren) hinweisen. Die Verteilungen sind nun Grundlage auch für Modellevaluierungen und Zirrenklimatologien. In Bezug auf die Modellevaluierung mit beobachtungsbasierten Statistiken ist es nötig, die verschiedenen Prozesse (Wolkenpartikelanzahlkonzentrationsänderungen und Wolkenanpassungen) zu separieren und getrennt zu betrachten, und dann auch die jeweiligen Einflüsse auf die Strahlungsbilanz zu unterscheiden, Dies ist in Mülmenstädt et al. (2019) gelungen; die Studie baut den Arbeiten in FLASH auf. Neben diesen wissenschaftlichen Erfolgen wurde auch die relevante HALO-Wissenschaftsdiskussion vorangetrieben: Ein Workshop “Ice crystal concentrations: measurements, retrievals, sensitivities” mit finanzieller und logistischer Unterstützung des HALO SPP 1294 wurde durch den Antragsteller und Projektwissenschaftler organisiert (in Zusammenarbeit mit der Kooperationspartnerin im HALO-SPP, Martina Krämer, FZ Jülich) und fand am 19. – 21. September 2018 in Leipzig statt. Der Workshop hat außerordentlichen Zuspruch in der HALO-Community und darüber hinaus gefunden. 87 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, darunter insbesondere Doktorandinnen und Doktoranden sowie post-docs nahmen teil. Ein wesentlicher Gesichtspunkt des Workshops war die Diskussion des neuen Eiskristallanzahlkonzentrationsdatensatzes aus FLASH.

BMBF-Verbundprojekt Hochauflösende Wolken und Klima für eine verbesserte Klimavorhersage (HD(CP)²)

Förderung: HD(CP)² is eine druch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte deutschlandweite Forschugnsinitiativ, um das Verständnis für Wolken- und Niederschlagsprozesse und deren Auswirkungen auf die Klimavorhersage zu verbessern.

Laufzeit: 01.01.2016 – 31.12.2019

Wichtigste Partner:

Ziele des Projekts

Das übergeordnete Ziel des Projekts “High Definition Clouds and Precipitation for Climate Projections” (HD(CP)2) war es, verlässlichere Klimaprojektionen zu erlangen, indem die relevanten Wolken- und Niederschlagsprozesse besser verstanden und simuliert werden sollten. Ein Schlüsselproblem bezüglich der Wolken im Klimawandel ist die Frage, wie durch anthropogene Aerosole Wolkeneigenschaften geändert werden (Boucher et al., 2013). Die größte Unsicherheit hierbei sind die schnellen Wolkenanpassungen nach initialer Änderung der Wolkentröpfchenanzahlkonzentration (Bellouin et al., 2020). Das Ziel des Verbundprojekt S1 war es, das neuartige hochaufgelöste ICON-LEM soweit zu verbessern, dass diese schnellen Wolkenanpassungen realistisch dargestellt werden konnten. Damit sollten dann Simulationen mit den gegebenen Aerosol-Konzentrationen und den stark höheren Aerosolkonzentrationen in den 1980er-Jahren durchgeführt werden. Diese sollten in Verbindung mit Beobachtungsdaten genutzt werden, um das wissenschaftliche Verständnis der schnellen Wolkenanpassungen substantiell zu verbessern.

Mehr erfahren

Teilprojekte:

  • TP 9: Aktive Satelittenfernerkundung von Eiswolken für Modellevaluierung (Phase 1)
  • TP 12: Übergreifende Modellevaluation (Phase 2)
  • TP 3: Evaluation von Parametrisierungen der Niederschlagsverdunstun mittels Beobachtungen an Supersites (TP 6: SchnelleAnpassung I: Simulation mit erhöhrem CO2) (Phase 2)
  • TP 8: Nachweisbarkeit in Beobachtungen (Phase 2)

Quantifizierung der Aerosol-Wolken-Klima-Effekte

Förderung: Europäische Union (Grant agreement ID: 306284)

Laufzeit: 01.10 2012 – 30.09.2017

Vorhersagen des menschengemachten Klimawandels sind sehr ungenau. Sie werden durch die enorme Unsicherheit des Klimaantriebs erschwert, der von der Unsicherheit der anthropogenen Aerosol-Wolken-Klima-Effekte beherrscht wird.
QUAERERE (lateinisch für Erforschung) zielte auf eine zuverlässige, beobachtungsbasierte, globale Quantifizierung dieser Effekte ab. Der Ansatz bestand darin, neue Satellitendaten zu entwickeln und diese in Kombination mit skalenübergreifender Klimamodellierung statistisch zu analysieren.

Abschlussbreicht (nur in englisch verfügbar)

 

DFG-Schwerpunktprogramm 1689: Climate Engineering: Risisken, Herausforderungen, Möglichkeiten?

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Laufzeit: 01.01.2013 – 31.12.2018

Die Idee von LEAC in seinen beiden Phasen lag darin, climate engineering durch das Aufhellen mariner Grenzschichtwolken zu untersuchen. Ein wichtiger Aspekt dabei war die interdiziplinäre Zusammenarbeit zwischen Meteorologie und Volkswirtschaftslehre, was es erlaubt hat, die Wechselbeziehung zwischen naturwissenschaftlicher Machbarkeit/Sinnhaftigkeit von Climate engineering und sozio-ökonomischer Regulierung bzw. Anreizen zu untersuchen. Die zentrale Hypothese in Phase I war es, dass einer der nächsten wesentlichen Schritte in derwissenschaftlichen Untersuchung von climate engineering ein Feldexperiment wäre. Dabei war die Frage, würde man ein solches Experiment durchführen wollen, und, wenn ja, wie müsste es aussehen?. In Phase II war der Grundgedanke, dass perspektivisch Climate engineering auf begrenzter Skala (limited area climate engineering) plausibler und angesichts divergierender sozio-ökonomischer Interessen von verschiedenen Staaten bzw. Staatengruppen auch sinnvoller wäre als globales Climate engineering. Gleichzeitig stellen sich wesentliche Fragen an Machbarkeit und Regulierung.

Mehr erfahren

Teilprojekt: LEarning About Cloud Modification under Risk and Uncertainty: Untersuchung von Machbarkeit, Nachvollziehbarkeit, Anreizen und dezentraler Steuerung von flächenbegrenztem Climate Engineering

Partner: Universität Kiel

Teilprojekte:

  • LEAC-I: Analyse von Satellitendaten und Modellergebnissen, um herauszufinden, wie groß in Raum und Zeit ein Feldexperiment sein müsste, um statistisch gesicherte Aussagen über die Wirksamkeit des Impfens von Wolken zur Milderung des Klimawandels zu erhalten.
  • LEAC-II trägt insbesondere zu den bereichsübergreifenden Themen "Kennzahlen im Hinblick auf die Entscheidung unter Unsicherheit" und "Verantwortung, Erkennung und Zuweisung" bei. Besonders intensiv sind die Kooperationen mit den Projekten CELARIT, CEMICS2, ComparCE-2 und AWICIT.

Marine Stratocumulus-Wolkenbedeckung und Klima

Förderung Dieses Projekt wird durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 703880 gefördert.

Laufzeit: 2018

Das Projekt „Marine Stratocumulus Cloud Cover and Climate (MSCCC)“ (Marine Stratokumuluswolken und Klima) betrachtet diese besonders wichtige Wolkenart, die sehr große Flächen bedeckt und besonders stark das Klima beeinflusst. Konkret ging es darum, die Änderung von marinen Stratokumuluswolken durch anthropogene Aerosole besser zu verstehen, und hierbei insbesondere den Übergang von geschlossenen nach offenen konvektiven Zellen und ihre geographische Verschiebung.

Überwachung der Atmosphärenzusammensetzung und des Klimas – Zwischenbericht (MACC-II)

Förderung: Das Projekt wurde gefördert durch das FP7 Förderprogamm für 2007 – 2013 under Fördernummer 283576.

Laufzeit: 01.12.2012 – 31.12.2014

Partner:

Teilprojekt: Ermittlung des Strahlungsantriebs durch direkte und indirekte Aerosol-Effekte auf der Basis der assimilierten Aerosol-Verteilungen im IFS-Modell des EZMW.

Bewertung der Auswirkungen von kurzlebigen Schadstoffen auf das Klima und die Luftqualität

Förderung: Das Projekt wurde gefördert durch das FP7 Förderprogamm für 2007 – 2013 under Fördernummer 283576

Laufzeit: 01.11.2011 – 30.04.2013

Partner:

  • Norwegian Institute for Air Research
  • Center for International Climate and Environmental Research – Oslo
  • Norwegian Meteorological Institute 
  • International Institute for Applied Systems Analysis 
  • Met Office
  • Department of Meteorology, University of Reading
  • Université Pierre et Marie Curie, Paris
  • Institute of Chemical Engineering and High Temperature
  • Chemical Processes (ICE-HT) of the Foundation for Research and Technology Hellas
  • Institute for Meteorology, University of Leipzig 
  • College of Environmental Sciences and Engineering, Peking University
  • Tsinghua University

ECLIPSE zielt darauf ab, effektive Emissionsminderungsstrategien für kurzlebige Klimastoffe zu entwickeln und zu bewerten, um fundierte wissenschaftliche Ratschläge zu geben, wie man den Klimawandel abmildern und gleichzeitig die Luftqualität verbessern kann. Die derzeitige Klimapolitik berücksichtigt eine Reihe von kurzlebigen Gasen und Aerosolen sowie deren Vorläufersubstanzen (u.a. Stickoxide, flüchtige organische Verbindungen, Sulfat und Schwarzkohle) nicht. Diese tragen jedoch erheblich zum Klimawandel bei und beeinflussen direkt die Luftqualität.

Mehr erfahren

Teilprojekt 6: Antworten zum Klima

Partner: UK Met Office, Exeter, Großbritannien;

In diesem Arbeitspaket werden Klima-Integrationen von Modellen verwendet, die mit einer vollständigen Ozean-Darstellung gekoppelt sind, um Klimaänderungen durch kurzlebige Klima-Faktoren über die einfache globale Oberflächentemperatur hinaus zu erfassen. Im Gegensatz zu Konfigurationen ohne Ozean oder mit einer gemischten Ozeanschicht werden diese gekoppelten Simulationen nicht bis zum Gleichgewicht laufen, sondern es werden Vergleiche zwischen instationären Läufen analysiert. Das experimentelle Design wird eine Reihe von parallelen instationären Läufen mit einer Kontrolle und mehreren Experimenten (mit gestörten Arten) einrichten. Die Differenz zwischen den Experimenten und der Kontrolle wird als dekadischer Durchschnitt nach 50 Jahren Integration quantifiziert. Frühere Erfahrungen deuten darauf hin, dass diese Länge der Integration notwendig ist, um ein Signal zu identifizieren.

Grundlegende Konzepte für die Konvektionsparametrisierung in Wettervorhersage- und Klimamodellen

Förderung:

Laufzeit: 2010 – 2014

Die COST-Aktivität hatte die Verbesserung der Konvektionsparameterisierung in Wetter- und Klimamodellen zum Ziel. Hierfür haben in mehreren Arbeitsgruppen zahlreiche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zahlreichen europäischen Ländern zusammengearbeitet.

Teilprojekt 6: Physik und Betrachtungen

Das könnte Sie auch interessieren