Topic 1: Die Atmosphäre im globalen Wandel

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Über Topic 1

Auftrag:

Topic 1 beinhaltet die drei Unterthemen Luftqualität, atmosphärische Rückkopplungsprozesse sowie zukünftige Wetter- und Extremereignisse. Die Erkenntnisse zu diesen Bereichen liefern Anhaltspunkte für die Bewertung von Anpassungs- und Abschwächungsmaßnahmen, während wir uns der Grenze von 1,5°C globaler Erwärmung nähern. Es sollen Beobachtungsmethoden und Modellierungen zu verbesserten atmosphärischen Vorhersagen entwickelt und angewendet werden. Hierbei steht die gesamte Atmosphäre mit allen Prozessen und Rückkopplungen durch die Auswirkungen des globalen Wandels und erhöhter Temperaturen im Mittelpunkt der Betrachtung. Untersucht werden die Auswirkungen des globalen Wandels auf Luftqualität, Wasserressourcen, Treibhausgasbudgets, Landnutzungsänderungen, der Erhalt und Schutz von Ökosystemen und das Risiko extremerer Wetterereignisse.

Schwerpunkte:

Das gemeinsame Ziel der Arbeiten im Topic 1 ist es, eine wissenschaftliche Grundlage für Maßnahmen zur Eindämmung und zur Anpassung an den globalen Wandel zu legen. Die entwickelten Maßnahmen sollen regional eindeutig, wirksam und anwendbar sein. Hierfür ist eine zuverlässige Modellierung von Kopplungsprozessen und Wechselwirkungen zwischen den Erdsystembestandteilen (Atmosphäre, Ozean, Kryosphäre, Landoberfläche, Biosphäre und sozioökonomischen Aspekten) erforderlich. Um dieses langfristige Ziel zu erreichen, werden die einzelnen Modellierungskomponenten mit den übergreifenden Prozessen und Beobachtungsprogrammen in Verbindung gesetzt und weiterentwickelt.

Im Einzelnen konzentrieren wir uns auf die folgenden Ziele:

Bewertung und Analyse der künftigen Luftqualität mit dem Schwerpunkt auf den Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und der Umwelt unter dem Einfluss des globalen Wandels. Hierfür werden die Quellen, Senken und Umwandlungsprozesse erfasst, die sich unmittelbar auf die Luftqualität und die Zusammensetzung der Atmosphäre (einschließlich der Treibhausgase) auswirken. Zudem sollen die Folgen auf Gesundheit, Wirtschaft und Lebensqualität betrachtet werden.

Verlässliche Modellierungen und Vorhersagen werden miteinander verknüpft, um die künftigen Entwicklungen von Klima, Atmosphäre und Landnutzung in Bezug auf die künftigen Lebensbedingungen und Optionen für eine nachhaltige Ressourcennutzung zu bewerten. Um Rückkopplungsprozesse zwischen physikalischen, chemischen, biologischen und sozioökonomischen Prozessen und Mechanismen erforschen und quantifizieren zu können, werden skalenübergreifende Beobachtungs- und Modellierungsmethoden entwickelt.

Verbesserte Vorhersage von Naturgefahren, wie Überschwemmungen und Dürren, mit einem Fokus auf die Anpassung an extreme Wetterverhältnisse im Zuge des globalen Wandels sowie auf das Katastrophenmanagement. Hierfür werden extreme Wetterereignisse im Hinblick auf die Vorhersagbarkeit und Trends durch Beobachtungsprogramme (z.B. MOSES), neue Beobachtungstechniken und komplexe numerische Modelle mit bisher noch nicht erreichter Auflösung genutzt, um diese zu analysieren und zu bewerten.

Integration, Verbesserung und Zusammenführung von Mehrzweck- und modularen Beobachtungsinfrastrukturen für die Atmosphären- und Klimaforschung (ATMOsense ist in Planung). Durch die Einführung neuartiger Techniken für die Datenassimilation wird die Fusion von Modellen und Daten zukünftig erleichtert.

Aufbau einer IT-Dateninfrastruktur und des Fachwissens auf einem international führenden Niveau in der Atmosphären- und Klimaforschung, wobei eine koordinierende Strategie für das gesamte Programm im Gebiet der Umweltdatenwissenschaften verfolgt wird.

Übernahme einer international führenden Rolle in der regionalen Erdsystemmodellierung und einer gestaltenden Rolle in der nationalen Strategie zur Erdsystemmodellierung in Kooperation mit Partnern innerhalb des Programms und der deutschen Forschungsgemeinschaft insgesamt. Die geplante neue ATMOsense-Infrastruktur wird Daten für die skalenübergreifende Modellevaluation bereitstellen.

Etablierung eines international führenden strukturierten Qualifizierungs- und Talentmanagementprogramms für Studenten, Doktoranden bis hin zu Nachwuchsgruppenleitern in der Atmosphären- und Klimaforschung. Zentrale Bausteine eines solchen Programms (spezifisch für die Topic 1) gibt es bereits in den beteiligten Zentren.

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Aktuelle Highlights

New utilization of GNSS data

A novel neural network model of Earth’s topside ionosphere

The Earth’s ionosphere affects the propagation of signals from the Global Navigation Satellite Systems (GNSS). The future appearance of the autonomous vehicles requires now more accurate GNSS navigation tools. The development of accurate models of the ionosphere has been a long-standing challenge. A new study presents a Neural network-based model of Electron density in the topside ionosphere (NET), which is constructed using 19 years of GNSS data.

Trace gas measurements in the stratosphere near Beaufort West

Jülich weather balloons over South Africa

Impact of submarine volcano eruption in January 2022

Global perturbation of stratospheric water and aerosol burden by Hunga eruption

Struktur

Grafische Darstellung der Unterthemen

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Details zu den Unterthemen

Die Hauptziele von Subtopic 1.1 sind die Quantifizierung der Verteilung sekundärer Schadstoffe in der derzeitigen Atmosphäre sowie die Vorhersage künftiger Veränderungen in der atmosphärischen Zusammensetzung durch den globalen Wandel.

Um die künftige Luftqualität vorhersagen zu können, ist es notwendig die Emissionen, ihre Veränderungen im Kontext des globalen Wandels und die Wechselwirkungen zu verstehen. Dieses übergeordnete Thema verbindet alle Subtopics miteinander. Beeinflusst wird die Zusammensetzung der Atmosphäre auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen unter anderem durch Änderungen des Energie- und Verkehrssystems, der Verstädterung, der veränderten Flächennutzung sowie der Wechselwirkungen zwischen anthropogenen und biogenen Emissionen.

Spokesperson: Hendrik Fuchs (FZJ)
Deputy: Thomas Leisner (KIT)

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Das Hauptziel von Subtopic 1.2 besteht darin, die Rückkopplungen und Wechselwirkungen detaillierter und mit verbesserter zeitlicher und räumlicher Auflösung zu entschlüsseln und zu quantifizieren, um die Vorhersagekraft künftiger Klimaprojektionen erheblich zu verbessern. Dies erfordert eine Kombination aus Laborstudien, Feldbeobachtungen, die Nutzung von Satellitenbeobachtungen bis hin zur hochauflösenden Modellierung.

Die Subtopic 1.2-Forschung ist eng mit internationalen Institutionen, Programmen und Initiativen wie der World Meteorological Organization (WMO), Stratospheric and Tropospheric Processes And their Role in Climate (WCRPSPARC), dem International Space Science Institute (ISSI), Future Earth, COSPAR, SCOSTEP, IPCC und IPBES verknüpft. Die internationale Ausrichtung des Subtopics profitiert auch von der langjährigen Zusammenarbeit mit anderen führenden internationalen Forschungsorganisationen und Universitäten.

Spezifische wissenschaftliche Ziele sind:

Quantifizierung der Auswirkungen von Landnutzungsänderungen und des Klimawandels auf die Wasserverfügbarkeit und die terrestrischen Treibhausgasemissionen in Verbindung mit verschiedenen Landnutzungssektoren, Ermittlung der entsprechenden Rückkopplungsmechanismen und Entwicklung von Konzepten für eine umweltgerechte Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen unter den Bedingungen des globalen Wandels.

Quantifizierung der Veränderungen in der Zusammensetzung der Atmosphäre (einschließlich Wolken) und der Zirkulationsmuster (einschließlich Monsun-Systeme und Brewer-Dobson-Zirkulation) in einem sich ändernden Klima und verbesserte Darstellung der zugrunde liegenden Prozesse in Erdsystemmodellen.

Quantifizierung von Prozessketten, die die Stratosphäre und den Ozean einbeziehen, um unser Verständnis der dekadischen Variabilität bis hin zur saisonalen und sub-saisonalen Vorhersagbarkeit zu verbessern und die Qualität regionaler Projektionen des Klimawandels in Erdsystemmodellen zu erhöhen.

Quantifizierung des Einflusses von unten (Atmosphäre) und oben (Sonne, Magnetosphäre) auf die Dynamik und Zusammensetzung im erdnahen Raum und Untersuchung von Rückkopplungsmechanismen mit der unteren Atmosphäre.

Spokesperson: Peter Braesicke (KIT)
Deputy: Martin Riese (FZJ)

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Die folgenden Ziele sind Bausteine einer Strategie zur Bewältigung der oben beschriebenen Herausforderungen:

Entwicklung und Anwendung neuer Beobachtungssysteme für konvektive und synoptische Wettersysteme und Förderung der plattformübergreifenden Integration. Um ein besseres Verständnis der mikrophysikalischen Prozesse (AIDA) und der mesoskaligen Prozesse (KITcube) zu erreichen, werden atmosphärische Beobachtungen über verschiedene Skalen und Beobachtungstechniken hinweg mit Modellierungsstudien kombiniert. Hochauflösende Modelle werden es ermöglichen, mehrere räumliche und zeitliche Skalen gleichzeitig zu berücksichtigen und eine enge Verbindung mit hochauflösenden Beobachtungen sowohl aus dem Weltraum als auch vom Boden aus herzustellen.

Weiterentwicklung der Atmosphären- und Erdsystemmodellierungssysteme ICON/ICON-ART auf der regionalen Skala mit geeigneten Assimilationstechniken und Konfrontation der Modelle mit integrierten Beobachtungen. Der Schwerpunkt liegt auf einer verbesserten räumlichen und zeitlichen Auflösung (in Richtung km-Skala) und auf Aerosol- und Gasphasenprozessen, die noch nicht im Modellierungssystem enthalten sind.

Verschiebung der praktischen Grenzen der Vorhersagbarkeit auf der Grundlage neuer Modellierungsfähigkeiten im Hinblick auf die Bereitstellung verbesserter quantitativer, nahtloser Vorhersagen von Wetter, Zusammensetzung und Extremen auf verschiedenen Skalen, einschließlich derjenigen, die noch nicht von operationellen DWD-Diensten abgedeckt werden, z. B. sub-saisonale und dekadische Vorhersagen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf lokalen und regionalen Wettervorhersagen für einzelne einschneidende Wetterereignisse bis hin zu Verschiebungen in der Häufigkeit des Auftretens von Extremen auf klimatischen Zeitskalen.

Übertragung der Fortschritte bei der Wetter- und Klimamodellierung zur quantitativen Vorhersage der Auswirkungen auf maßgeschneiderte Informationen zur Anpassung an den Klimawandel. Besonderes Augenmerk wird auf Regionen mit hoher Anfälligkeit und Brennpunkten des Klimawandels (z. B. Südeuropa, Westafrika) sowie auf die Quantifizierung der Auswirkungen von Wetterextremen gelegt.

Die Forschung in Subtopic 1.3 leistet wesentliche Beiträge zu den international organisierten Forschungsplänen von WCRP und WWRP. Dazu gehören Projekte wie das High Impact Weather Project (HI-Weather), das S2S-Projekt (sub-seasonal to seasonal) und die CORDEX-Flaggschiff-Aktivitäten, die eng mit Subtopic 1.3-Forschenden verbunden sind und von ihnen stark unterstützt werden. Die Forschung wird in Zusammenarbeit mit unserem assoziierten Partner DWD und dem Europäischen Zentrum für mittelfristige Wettervorhersage (ECMWF) durchgeführt und ist mit dem Klimadienst COPERNICUS verbunden.

Spokesperson: Peter Knippertz (KIT)
Deputy: Jens Wickert (GFZ)

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