Beobachtungen

Beobachtungen sind Aufzeichnungen von Daten mit Hilfe wissenschaftlicher Messinstrumente. Weltweit gibt es unzählige Wetterstationen, die beispielsweise die Temperatur an Land, in der Luft und im Meer messen, sowie Satelliten, Schiffe und Flugzeuge, die ebenfalls Messungen verschiedener Größen vornehmen. Beobachtungen erfahren im Max-Planck-Institut für Meteorologie eine Renaissance.

Dafür gibt es zwei Hauptgründe. Der eine ist, dass die wichtigsten Werkzeuge, die wir zur Untersuchung des Klimasystems verwenden, auf immer feineren Skalen arbeiten und komplexere Prozesse abbilden können. Hierfür sind die Beobachtungsdaten ein Gewinn, da sie es ermöglichen, auf kleiner Skala Mess- und Modelldaten zu vergleichen. Der andere ist, dass die Datensätze selbst bereits wichtig für Untersuchungen des Klimasystems sind – ganz unabhängig von einer umfassenden Modellierung.

Das maschinelle Lernen erfreut sich großer Beliebtheit und wird auch an unserem Institut eingesetzt. Es ermöglicht Systemen, auf Basis von Trainingsdaten automatisch zu lernen und hinzuzulernen. Maschinelles Lernen befasst sich mit der Entwicklung lernfähiger Systeme und Algorithmen, und benutzerfreundliche Python-Bibliotheken fördern eine leichte Zugänglichkeit. Auf diese Weise können Informationen aus der immer größeren Fülle von Beobachtungsdaten gewonnen werden.

In der Vergangenheit hat das Institut mehrere Messkampagnen durchgeführt, und zukünftige Kampagnen sind bereits in Planung. Im letzten Jahrzehnt hat das Institut in seine Beobachtungsinfrastruktur investiert. Sowohl das Barbados Wolkenobservatorium (BCO) als auch das Forschungsflugzeug HALO (High Altitude and Long Range Research Aircraft) liefern wertvolle Atmosphärendaten.

Wolken aus dem Forschungsflugzeug HALO

Wolkenmessung im tropischen Atlantik

Ein Fokus der Beobachtungsaktivitäten der Abteilung Klimaphysik ist seit über 10 Jahren die Beobachtung tropischer Wolken, besonders im Bereich der Passatwinde. Das übergeordnete Ziel dieser Messungen ist es, die Repräsentation dieser Wolken in Klimamodellen zu verbessern, da seit langem bekannt ist, dass hier ein Schwachpunkt der Modelle liegt. Zu diesem Zweck wurde vor über 10 Jahren die Forschungsstation „Barbados Cloud Observatory“ (BCO) in der Karibik errichtet und seitdem kontinuierlich betrieben und weiter ausgebaut. Mit dem gleichen Ziel wurde eine Instrumentierung des deutschen Forschungsflugzeugs HALO in Betrieb genommen und im Rahmen mehrerer Messkampagnen zur Wolkenbeobachtung im erweiterten Anströmungsbereich des BCO zum Einsatz gebracht. Für das Jahr 2024 ist eine Messkampagne geplant, die zusätzlich zur Beobachtungen der niedrigen Passatwolken auch die mit hochreichender Konvektion verbundenen Wolken beobachten soll. Passend zu diesen in die Zukunft gerichteten Plänen, soll auch das BCO noch weitere 10-15 Jahre vom Max-Planck-Institut für Meteorologie betrieben werden.

Arbeitsgruppe Beobachtung tropischer Wolken

Kohlenstoffkreislauf im Südlichen Ozean

Steigende Konzentrationen von atmosphärischem Kohlendioxid (CO2), die sich auf menschliche Aktivitäten zurückführen lassen, führen zu einer zunehmenden CO2-Aufnahme durch den Ozean. Dieser Massenaustausch zwischen dem Ozean und der Atmosphäre mildert die Auswirkungen des emittierten CO2 in der Atmosphäre, führt aber wiederum zur Versauerung der Ozeane. Die Versauerung der Ozeane wird erhebliche Auswirkungen auf die marine Umwelt haben, jedoch sind unsere Kenntnisse über die künftigen Veränderungen des CO2 und des pH-Werts im Ozean sowie über die Auswirkungen ihrer jährlichen Schwankungen und langfristigen Veränderungen auf die marinen Ökosysteme unzureichend.

Es gibt derzeit zu wenige marine CO2-Messungen  für die  Abschätzung des CO2-Austauschs zwischen Luft und Meer anhand von Beobachtungen im Südlichen Ozean. Die Berechnung der CO2-Flüsse zwischen Luft und Meer erfordert genaue Kenntnisse über den CO2-Partialdruck (pCO2) sowohl an der Meeresoberfläche als auch in der darüber liegenden Atmosphäre. Während der pCO2 in der Atmosphäre gut durchmischt ist und mit wenigen Messstationen hinreichend genau bestimmt werden kann, schwankt der pCO2 im Oberflächenwasser des Ozeans räumlich um bis zu zwei Größenordnungen stärker als in der Atmosphäre, was ein dichtes, derzeit nicht existierendes Beobachtungsnetzwerk erfordert.

Obwohl der Südliche Ozean (südlich von 35°S) nur etwa 30 % der Meeresoberfläche ausmacht, ist er seit Beginn der Industrialisierung für 43 % der anthropogenen CO2-Aufnahme und 75 % der überschüssigen Wärmespeicherung im Ozean verantwortlich. Es ist daher sehr besorgniserregend, dass diese Region zu den am wenigsten untersuchten Ozeanregionen weltweit gehört, was vor allem auf ihre Abgelegenheit und die rauen Meeresbedingungen zurückzuführen ist.

Am Max-Planck-Institut für Meteorologie versuchen wir, innovative Lösungen zu schaffen, indem wir uns mit einer Flotte zusammentun, die bisher nur wenig Beachtung gefunden hat: Segelboote. Im Gegensatz zu Frachtschiffen bieten Segelboote die Möglichkeit, Daten in abgelegenen Ozeanen zu wesentlich geringeren Kosten als mit Forschungsschiffen zu sammeln, ohne dabei Kompromisse bei der Datenqualität eingehen zu müssen. In der Vergangenheit haben wir mit dem Team Malizia und der Rennyacht "Seaexplorer - Yacht Club de Monaco" sowie dem Team Newrest und der Rennyacht "Newrest - Art & Fenêtres" zusammengearbeitet und an Bord dieser Schiffe während ihrer Hochseeregatten Qualitätsmessungen durchgeführt. Seit 2018 haben wir einen beeindruckenden Datensatz gesammelt, der das Potenzial von Segelbooten für die Datenerfassung im Südpolarmeer zeigt, wo in den letzten 70 Jahren keine direkten CO2-Messungen gemacht wurden.

Seit 2020 wird die Zusammenarbeit zwischen dem Max-Planck-Institut für Meteorologie und dem Team Malizia von der Max-Planck-Förderstiftung gefördert. Dies ermöglicht die Fortsetzung der Partnerschaft zwischen Profisport und Wissenschaft und die weitere Datenerfassung in den abgelegenen Gewässern des Südpolarmeeres.

Infrastruktur

Barbados Cloud Observatory

Um wichtige Fragen zu den statistischen Eigenschaften flacher Kumuluswolken und ihrer Verbindung mit dem Klimawandel zu beantworten, werden Messungen und ein kontinuierlicher Datensatz benötigt.

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Forschungsflugzeug HALO

Welche Klimawirkung haben Wolken? Unter welchen Bedingungen wärmen oder kühlen sie die Atmosphäre? Zur Beantwortung dieser und ähnlicher Fragen werden umfangreiche Messdaten benötigt.

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Forschungschiffe

Rund 70 % der Erde sind von Ozeanen bedeckt. Daher kann die Bedeutung der Wechselwirkung von Ozean und Atmosphäre für unser Wetter und Klima gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Die überwiegende Mehrzahl der meteorologischen Messstationen ...

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Feldstudien

BOW-TIE

In der Innertropischen Konvergenzzone (ITCZ) treffen die Passatwinde der nördlichen Hemisphäre auf die Passatwinde der südlichen Hemisphäre. Seit langem ist bekannt, dass diese großräumige Konvergenz die Bildung hoher, niederschlagsreicher Konvektion auslöst.

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FESSTVaL

FESSTVaL: ein Festival von fast 300 Instrumenten, die zusammenkommen, um einen Blick auf die Entstehung von Gewittern in den mittleren Breiten zu werfen. Voll entwickelte Gewitter erscheinen als beeindruckende Wetterphänomene ...

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EUREC4A

Im Januar und Februar 2020 fand auf und um die Karibikinsel Barbados unter Federführung des Max-Planck-Instituts für Meteorologie in Hamburg und dem CNRS der Sorbonne Universität zu Paris eine internationale Messkampagne in der Passatregion statt. Sie hatte das Ziel zu verstehen, wie die Passatbewölkung auf die Klimaerwärmung reagiert und eventuell zu ihr beiträgt.

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