Globale Zirkulation und Klima

Es besteht ein überwältigender wissenschaftlicher Konsens darüber, dass steigende Treibhausgaskonzentrationen eine globale Erwärmung verursachen. Es wird jedoch immer noch diskutiert, wie viel Erwärmung genau eintritt, beispielsweise bei einer Verdoppelung der atmosphärischen Kohlendioxid (CO2)-Konzentration. Diese Erwärmung wird als Klimasensitivität bezeichnet. Außerdem erlebt der Mensch nicht die globale Mitteltemperatur, sondern das tägliche Wetter. Leider ist in vielerlei Hinsicht noch weniger klar, wie sich das Wetter, z. B. Mittelwerte und Extreme von Winden und Niederschlägen an einem Ort, bei einem bestimmten globalen Temperaturanstieg verändert. Unsere Forschung zielt auf ein besseres Verständnis ausgewählter grundlegender Prozesse und Elemente des Erdklimas ab, die dazu beitragen können, diese beiden Fragen, nach der Klimasensitivität und der Veränderung der Wettermuster bei globalen Temperaturänderungen, einzugrenzen.

Im Folgenden stellen wir unsere aktuellen Forschungsbereiche und die Instrumente vor, die wir zur Beantwortung dringender Forschungsfragen einsetzen:

Die Tropen

Die obere tropische Troposphäre ist ein faszinierender Teil der Atmosphäre, in dem Zusammensetzung und Erwärmung durch Konvektion und Strahlung die thermische Struktur bestimmen, die wiederum die großräumige Zirkulation beeinflusst. Die Arbeit unserer Gruppe konzentriert sich auf das Verständnis der verschiedenen Beiträge zum vertikalen Temperaturgradienten in dieser Region und seiner Auswirkungen. Eine seit langem bestehende Frage in der Klimaforschung ist das Verhalten dieses Teils der Atmosphäre bei globaler Erwärmung. Im Allgemeinen simulieren Modelle eine stärkere Erwärmung der oberen Troposphäre als aus Satelliten- oder Radiosondendaten hervorgeht. Wir bemühen uns um ein besseres Verständnis dieser Diskrepanz.

Strahlungsantriebe, Rückkopplungen und Klimasensitivität

Es wird angenommen, dass die globale Erwärmung den Auftrieb von Luftmassen in der UTLS-Region, d. h. in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre, beschleunigt. Diese Zirkulationsänderung beeinflusst die thermische Struktur der UTLS sowohl direkt als auch indirekt über Veränderungen bei Ozon und Wasserdampf. All diese Veränderungen wirken auf die Erwärmung zurück und beeinflussen die Klimasensitivität. Wir versuchen, das Ausmaß dieser Auswirkungen besser zu quantifizieren.

Ein weiterer Aspekt, den wir untersuchen, ist, dass nicht nur Treibhausgase, sondern auch Aerosole, z. B. von Vulkanausbrüchen, die globale Temperatur beeinflussen können. Es wird jedoch angenommen, dass der Antrieb durch vulkanische Aerosole dies weniger effektiv tut als ein gleich starker Antrieb durch, z.B. CO2. Wir versuchen zu verstehen, ob und warum dies der Fall ist, und wie dies mit der räumlichen Struktur der Antriebe und Rückkopplungen zusammenhängen könnte.

Die Albedo der Erde

Eine Besonderheit der Erdatmosphäre ist, dass der Planet auf der Nordhalbkugel genauso viel Sonnenstrahlung reflektiert wie auf der Südhalbkugel, obwohl die Oberfläche im Norden heller ist. Wolken gleichen diesen Oberflächenunterschied aus, aber es ist unklar, ob dies zufällig geschieht oder ob der Ausgleich auf einen physikalischen Mechanismus zurückzuführen ist. Das ist der Grund, warum wir untersuchen, was die Albedo der Erde bestimmt.

Unsere Werkzeuge

Ein wichtiger Schritt für ein besseres konzeptionelles Verständnis der thermischen Struktur der tropischen Atmosphäre war die Entwicklung des 1D-Strahlungs-Konvektions-Gleichgewichtsmodells "konrad". Wir sehen dieses Werkzeug als das einfachste Element einer Modellhierarchie, die wir zur Beantwortung unserer Fragen verwenden. Am anderen Ende der Hierarchie stehen die Sapphire-Konfigurationen des Erdsystemmodells ICON, die eine horizontale Maschenweite von einigen Kilometern haben und explizit die Konvektion auflösen, ein Prozess, der für die thermische Struktur der Tropen entscheidend ist. Um eine Modellhierarchie zu schaffen, die es uns ermöglicht, die Rolle der Zusammensetzung besser zu verstehen, haben wir das wenig rechenintensive, lineare Cariolle-Ozonschema in ICON implementiert und seinen wissenschaftlichen Nutzen bewertet. Dies ergänzt frühere Entwicklungen von vereinfachten Darstellungen der atmosphärischen Zusammensetzung, den "Simple Plumes" und den "Easy Volcanic Aerosol" Generator für troposphärische bzw. vulkanische Aerosole, die beide von unserer Gruppe unterstützt wurden.

Gruppenmitglieder und Publikationen

Name
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Position
Telefon
Raum
Stud. Hilfskraft
B 402
Doktorand*in
B 412
Wiss. Programmierer*in
B 428
Gruppenleiter*in
B 416
Stud. Hilfskraft
B 402
  • Bao, J., Stevens, B., Kluft, L. & Muller, C. (2024). Intensification of tropical precipitation extremes from more organized convection. Science Advances, 10: eadj6801. doi:10.1126/sciadv.adj6801 [supplementary-material][publisher-version]
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  • Schmidt, H., Rast, S., Bao, J., Fang, S.-W., Jiménez de la Cuesta Otero, D., Keil, P., Kluft, L., Kroll, C., Lang, T., Niemeier, U., Schneidereit , A., Williams , A. & Stevens, B. (2024). Effects of vertical grid spacing on the climate simulated in the ICON-Sapphire global storm-resolving model. Geoscientific Model Development, 17, 1563-1584. doi:10.5194/egusphere-2023-1575 [supplementary-material][publisher-version]
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