Geowissenschaften
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Spatial interpolation of rain gauge data is important in forcing of hydrological simulations or evaluation of weather predictions, for example. This paper investigates the application of statistical distance, like one minus common variance of observation time series, between data sites instead of geographical distance in interpolation. Here, as a typical representative of interpolation methods the inverse distance weighting interpolation is applied and the test data is daily precipitation observed in Austria. Choosing statistical distance instead of geographical distance in interpolation of available coarse network observations to sites of a denser network, which is not reporting for the interpolation date, yields more robust interpolation results. The most distinct performance enhancement is in or close to mountainous terrain. Therefore, application of statistical distance in the inverse distance weighting interpolation or in similar methods can parsimoniously densify the currently available observation network. Additionally, the success further motivates search for conceptual rain-orography interaction models as components of spatial rain interpolation algorithms in mountainous terrain.
During the second part of the TROCCINOX campaign that took place in Brazil in early 2005, chemical species were measured on-board of the high altitude research aircraft Geophysica (ozone, water vapor, NO, NOy, CH4 and CO) in the altitude range up to 20 km (or up to 450 K potential temperature), i.e. spanning the TTL region roughly extending between 350 and 420 K.
Analysis of transport across TTL is performed using a new version of the Chemical Lagrangian Model of the Stratosphere (CLaMS). In this new version, the stratospheric model has been extended to the earth surface. Above the tropopause, the isentropic and cross-isentropic advection in CLaMS is driven by ECMWF winds and heating/cooling rates derived from a radiation calculation. Below the tropopause the model smoothly transforms from the isentropic to hybrid-pressure coordinate and, in this way, takes into account the effect of large-scale convective transport as implemented in the ECMWF vertical wind. As with other CLaMS simulations, the irreversible transport, i.e. mixing, is controlled by the local horizontal strain and vertical shear rates.
Stratospheric and tropospheric signatures in the TTL can be seen both in the observation and in the model. The composition of air above ≈350 K is mainly controlled by mixing on a time scale of weeks or even months. Based on CLaMS transport studies where mixing can be completely switched off, we deduce that vertical mixing, mainly driven by the vertical shear in the outflow regions of the large-scale convection and in the vicinity of the subtropical jets, is necessary to understand the upward transport of the tropospheric air from the main convective outflow around 350 K up to the tropical tropopause around 380 K. This mechanism is most effective if the outflow of the mesoscale convective systems interacts with the subtropical jets.
Seit nunmehr 20 Jahren findet regelmäßig alle zwei Jahre das Symposium "Tektonik — Strukturgeologie — Kristallingeologie" (TSK) statt. Die Tagung soll insbesondere jungen Nachwuchswissenschaftlern die Möglichkeit bieten, ihre Ergebnisse zu diskutieren und einem breiten Fachpublikum vorzustellen. Dies ist natürlich besonders attraktiv, wenn auch die ‚alten Hasen‘ der Zunft eifrig dabei sind.
In diesem Jahr wird schon TSK 11 — nach Tübingen, Erlangen, Graz, Frankfurt, Salzburg, Freiberg, Freiburg und Aachen nun zum zweiten Mal nach 1994 wieder in Göttingen durchgeführt. Wir freuen uns, auch dieses Mal wieder ein vielseitiges Tagungsprogramm präsentieren zu können. Die vorgestellten Arbeiten befassen sich mit Geländebeobachtungen, Laboranalysen und -experimenten bis hin zu Computermodellierungen. Im Maßstab reichen sie vom submikroskopischen Bereich bis hin zu ganzen Orogenen. Dabei werden sowohl duktile als auch spröde Deformationsprozesse beleuchtet. Regionale Geologie ist ebenso Thema wie auch eher angewandte Fragestellungen.
Um die einzelnen Beiträge schnell auffinden zu können, wurden diese alphabetisch nach Erstautoren geordnet. Aus Zeitgründen konnte nur der kleinere Teil der mehr als einhundert eingegangen Beiträge in das Vortragsprogramm aufgenommen werden. Auf parallele Vortragssitzungen haben wir bewusst verzichtet. Besonderen Raum für anregende Diskussionen sollen auch die thematisch zusammengestellten Postersitzungen bieten, für die wir spezielle Zeiten eingeräumt haben. Hierzu werden Poster jeweils vorher im Plenum kurz vorgestellt.
Die eingegangenen Manuskripte wurden, wie bei TSK üblich, für die Publikation keinem Gutachterverfahren unterzogen. Daher sind die jeweiligen Autoren allein für den Inhalt verantwortlich. ...
A comprehensive set of stratospheric balloon and aircraft samples was analyzed for the position-dependent isotopic composition of nitrous oxide (N2O). Results for a total of 220 samples from between 1987 and 2003 are presented, nearly tripling the number of mass-spectrometric N2O isotope measurements in the stratosphere published to date. Cryogenic balloon samples were obtained at polar (Kiruna/Sweden, 68° N), mid-latitude (southern France, 44° N) and tropical sites (Hyderabad/India, 18° N). Aircraft samples were collected with a newly-developed whole air sampler on board of the high-altitude aircraft M55 Geophysica during the EUPLEX 2003 campaign. All samples were analyzed by laboratory mass spectrometry for their 18O/16O and position-dependent 15N/14N isotope ratios with very high precision (standard deviation about 0.15 per mil for 18O/16O and average 15N/14N ratios, about 0.5 per mil for 15NNO/14NNO and N15NO/N14NO ratios). For mixing ratios above 200 nmol mol−1, relative isotope enrichments (δ values) and mixing ratios display a compact relationship, which is nearly independent of latitude and season and which can be explained equally well by Rayleigh fractionation or mixing. However, for mixing ratios below 200 nmol mol−1 this compact relationship gives way to meridional, seasonal and interannual variations. A comparison to a previously published mid-latitude balloon profile even shows large zonal variations, justifying the use of three-dimensional models for further data interpretation.
In general, the magnitude of the apparent fractionation constants (apparent isotope effects) increases continuously with altitude and decreases from the equator to the North pole, which can be qualitatively understood by the interplay between the time-scales of N2O photochemistry and transport. Deviations from this behavior occur where polar vortex air mixes with nearly N2O-free upper stratospheric/mesospheric air (e.g., during the boreal winter of 2003 and possibly 1992). Aircraft observations in the polar vortex at mixing ratios below 200 nmol mol−1 deviate from isotope variations expected for both Rayleigh fractionation and end-member mixing, but could be explained by continuous weak mixing between intravortex and extravortex air (Plumb et al., 2000). Finally, correlations between 18O/16O and average 15N/14N isotope ratios or between the position-dependent 15N/14N isotope ratios show that photo-oxidation makes a large contribution to the total N2O sink in the lower stratosphere (up to 100%). Towards higher altitudes, the temperature dependence of these isotope correlations becomes visible in the stratospheric observations.
Two aircraft instruments for the measurement of total odd nitrogen (NOy) were compared side by side aboard a Learjet A35 in April 2003 during a campaign of the AFO2000 project SPURT (Spurengastransport in der Tropopausenregion). The instruments albeit employing the same measurement principle (gold converter and chemiluminescence) had different inlet configurations. The ECO-Physics instrument operated by ETH-Zürich in SPURT had the gold converter mounted outside the aircraft, whereas the instrument operated by FZ-Jülich in the European project MOZAIC III (Measurements of ozone, water vapour, carbon monoxide and nitrogen oxides aboard Airbus A340 in-service aircraft) employed a Rosemount probe with 80 cm of FEP-tubing connecting the inlet to the gold converter. The NOy concentrations during the flight ranged between 0.3 and 3 ppb. The two data sets were compared in a blind fashion and each team followed its normal operating procedures. On average, the measurements agreed within 6%, i.e. within the combined uncertainty of the two instruments. This puts an upper limit on potential losses of HNO3 in the Rosemount inlet of the MOZAIC instrument. Larger transient deviations were observed during periods after calibrations and when the aircraft entered the stratosphere. The time lag of the MOZAIC instrument observed in these instances is in accordance with the time constant of the MOZAIC inlet line determined in the laboratory for HNO3.
Two aircraft instruments for the measurement of total odd nitrogen (NOy) were compared side by side aboard a Learjet A35 in April 2003 during a campaign of the AFO2000 project SPURT (Spurengastransport in der Tropopausenregion). The instruments albeit employing the same measurement principle (gold converter and chemiluminescence) had different inlet configurations. The ECO-Physics instrument operated by ETH-Zürich in SPURT had the gold converter mounted outside the aircraft, whereas the instrument operated by FZ-Jülich in the European project MOZAIC III (Measurements of ozone, water vapour, carbon monoxide and nitrogen oxides aboard Airbus A340 in-service aircraft) employed a Rosemount probe with 80 cm of FEP-tubing connecting the inlet to the gold converter. The NOy concentrations during the flight ranged between 0.3 and 3 ppb. The two data sets were compared in a blind fashion and each team followed its normal operating procedures. On average, the measurements agreed within 7%, i.e. within the combined uncertainty of the two instruments. This puts an upper limit on potential losses of HNO3 in the Rosemount inlet of the MOZAIC instrument. Larger transient deviations were observed during periods after calibrations and when the aircraft entered the stratosphere. The time lag of the MOZAIC instrument observed in these instances is in accordance with the time constant of the MOZAIC inlet line determined in the laboratory for HNO3.
In Ergänzung zu einem vorangegangenen Projekt (Schönwiese et al., 2005) ist in der vorliegenden Studie eine weitere extremwertstatistische Untersuchung durchgeführt worden. Dazu wurden auf der Basis von täglichen Klimadaten aus Hessen und Umgebung (49°N bis 52°N, 7°O bis 11°O), und zwar der Temperatur von 53 Stationen und des Niederschlages von 84 Stationen, Schwellen extremer Werte definiert, um die Anzahl der Über- bzw. Unterschreitungen dieser Schwellen auf signifikante Trends hin zu untersuchen. Bei der Temperatur findet sich dabei eine systematische Zunahme von Hitzetagen (Maximumtemperatur über 30 °C) im August, wohingegen im Juli fast keine, und im Juni nur vereinzelt signifikante Zunahmen von Hitzetagen gefunden wurden. Hierbei zeigt sich, wie auch bei anderen Temperatur-Schwellen eine Abnahme der Signifikanz mit zunehmender Schwellenhöhe, was durch selteneres Auftreten besonders extremer Ereignisse verursacht wird. Im Winter und Frühjahr hat entsprechend die Anzahl der Frost- bzw. Eistage (Minimum- bzw. Maximumtemperatur unter 0 °C) signifikant abgenommen. Besonders ausgeprägt ist dies für die Frosttage im Frühling der Fall. Beim Niederschlag hat im Sommer, wiederum vor allem im August, die Anzahl von Trockentagen zugenommen. Extrem hohe Niederschlagssummen sind dagegen in dieser Jahreszeit seltener geworden, in den anderen Jahreszeiten jedoch häufiger. Vor allem der März zeichnet sich durch verbreitet hochsignifikante Zunahmen von Tagen mit Starkniederschlägen aus. Die Erhaltungsneigung von besonders warmen bzw. kalten Witterungen hat sich in den meisten Monaten nicht signifikant verändert. Es ist jedoch eine Neigung zu kürzeren relativ einheitlichen Witterungsabschnitten im Februar und März, sowie zu längeren im Oktober und November zu beobachten. Diese Ergebnisse sind jedoch vermutlich nicht sehr robust, da sich bei einer Verkürzung des Zeitfensters der Autokorrelationsfunktion die Signifikanzen teilweise (vor allem im April) deutlich verändern. Bei den Trends der Zahl der Trockenperioden erkennt man im Sommer einen positiven Trend; sie nehmen somit zu. Dies gilt sowohl für die 7-tägigen als auch für die 11-tägigen Trockenperioden. Die übrigen Jahreszeiten zeigen bei den 7-tägigen Trockenperioden nur schwache oder negative Trends. Bei den 11-tägigen Trockenperioden gilt dies nur für das Frühjahr und den Herbst, im Winter sind die Trends im Norden überwiegend positiv, im Süden negativ. Betrachtet man die Länge der längsten Trockenperioden, so nimmt diese im Sommer zu, im Frühjahr und im Gesamtjahr jedoch ab. Im Herbst ist das Bild uneinheitlich; dies kann aber auch daran liegen, dass lange sommerliche Trockenperioden in den Herbst hineinreichen und dann dort gezählt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Analyse der Anzahl und Länge bestimmter Witterungsabschnitte (Clusteranalyse), die durch relativ hohe oder tiefe Temperatur bzw. relativ wenig bzw. viel Niederschlag definiert sind. So können beispielsweise Tage mit weniger als 1 mm Niederschlag als Trockencluster bezeichnet werden. Dabei erkennt man im Sommer einen Trend zu mehr Trockenclustern,in Übereinstimmung mit den oben genannten Ergebnissen, in den übrigen Jahreszeiten und im Gesamtjahr jedoch einen Trend zu weniger Trockenclustern. Innerhalb des Sommers ist dieser Trend im August am stärksten, in den übrigen Jahreszeiten im März, Oktober und Dezember. Bei den Clustern von Feuchteereignissen, das heißt Tagen mit relativ viel Niederschlag, ist das Bild umgekehrt. Im Sommer nimmt deren Zahl ab, ansonsten nimmt sie zu. Die stärksten Trends sind dabei wiederum im August (Abnahme) bzw. im März, Oktober und Dezember (jeweils Zunahme) zu erkennen. Alle diese Trends werden im der Regel umso schwächer, je höher die Schranke der Niederschlagsmenge gewählt wird. Bei den Temperaturdaten sind die Trends von Frost- und Eistagen nur im November überwiegend positiv, in allen Wintermonaten (Dezember, Januar und Februar) jedoch fast ausschließlich negativ. Darin spiegelt sich somit der Trend zu höheren Temperaturen wider. Bei den Wärmeclustern ändern sich die Trends mit der Höhe der Schranke. Bei der Schranke von 25°C zeigen der Juli, insbesondere aber der August positive Trends. Bei der 30°C-Schranke bleibt der Augusttrend positiv, der Julitrend wird dagegen negativ. Bei der Schranke von 35°C werden die Augusttrends dann deutlich geringer, während die Julitrends, wenn auch schwächer ausgeprägt, negativ bleiben. Die Trends im Juni sind dagegen insgesamt schwach. Betrachtet man die Signifikanz der Trends, so sind insbesondere die Trends bei hohen Schranken weniger signifikant. Dies gilt für die hohen Niederschlagschranken (20mm, 30mm, 95%-Perzentil, 99%-Perzentil) ebenso wie für die hohen Temperaturschranken (30°C, 35°C). Weiterhin ist die Signifikanz dann niedrig, wenn die Zahl der Cluster im betrachteten Zeitraum klein ist. In Monaten und Jahreszeiten, in denen nur wenige Cluster auftreten, ist der Trend der Zahl der Cluster meist nicht signifikant. Insgesamt zeigen beim Niederschlag die untere Schranke von 1mm sowie die oberen Schranken von 10mm und 90% die signifikantesten Trends. Bei den Temperaturdaten ist das bei den Frosttagen generell, bei den Eistagen im Januar und Februar sowie bei den sommerlichen Clustern mit einer Tagesmaximumtemperatur von über 25°C der Fall (mit zum Teil über 95% bzw. 99% Signifikanz).
Vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der Diskussion menschlicher Einflussnahme („anthropogener Treibhauseffekt“) ist anhand von Beobachtungsdaten der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlags untersucht worden, welche Strukturen die Klimaveränderungen in Hessen erkennen lassen. Dabei umfasst das betrachtete Gebiet den Bereich 49°- 52° Nord / 7°-11° Ost und schließt somit auch Teilgebiete der angrenzenden Bundesländer mit ein. Zeitlich lag der Schwerpunkt der Betrachtung auf dem Intervall 1951-2000, da aus dieser Zeit bei weitem die meisten Daten verfügbar sind (Temperatur 53, Niederschlag 674 Stationen). Darüber hinaus wurden aber auch Untersuchungen für die Zeit 1901 bis 2000 bzw. 2003 sowie für 30-jährige Subintervalle durchgeführt. Die Analysemethodik umfasst die Berechnung linearer Trends, einschließlich ihrer räumlichen Strukturen (Trendkarten), Aufdeckung von Fluktuationen (spektrale Varianzanalyse), Extremwertanalysen und die Diskussion natürlicher bzw. anthropogener Einflussfaktoren (Signalanalyse mittels multipler schrittweiser Regression). Die aus Tages-, Monats-, jahreszeitlichen und jährlichen Daten gewonnenen Ergebnisse sind überaus vielfältig und heterogen. Für das Flächenmittel Hessen ergibt sich 1951-2000 insgesamt (Jahresdaten) ein Temperaturanstieg von 0,9 °C mit dem Schwerpunkt im Winter (1,6 °C) und der geringsten Erwärmung im Herbst (0,2 °C). 1901-2003 liegen an den erfassten Stationen die jährlichen Erwärmungen bei 0,7 bis 1,8 °C; 30-jährig treten zum Teil auch Abkühlungen auf, insbesondere wenn die regional-jahreszeitlichen bzw. monatlichen Strukturen erfasst werden. Diese Strukturen sind beim Niederschlag noch weit ausgeprägter. Im Flächenmittel Hessen beträgt 1951-2000 der jährliche Niederschlagsanstieg 8,5 %, mit Maxima im Herbst (25 %) und Winter (22 %; Frühling 20%), während im Sommer ein Rückgang um 18 % eingetreten ist (mit Schwerpunkten im Juni und insbesondere August). Bei den Fluktuationen dominieren mittlere Perioden von ca. 2,2, 3,3, 5,5 und 7,5-8 Jahren, beim Niederschlag auch ca. 4,5 Jahre. Der Sonnenfleckenzyklus spiegelt sich in den analysierten Klimadaten nicht wider. Zusammen mit den Extremwerten sorgen diese Fluktuationen für zeitliche Instabilitäten der Klimatrends, insbesondere wenn relativ kurze (z.B. 30-jährige) Zeitabschnitte betrachtet werden. Die wiederum sehr vielfältigen und unterschiedlichen Ergebnisse der Extremwertanalyse spiegeln bei der Temperatur weitgehend die Trends wider, da sich die Streuung der Daten kaum verändert hat: d.h. Zunahme der Überschreitungswahrscheinlichkeit extrem warmer Ereignisse (insbesondere Frühling, überwiegend auch Sommer und Winter, am wenigsten im Herbst) und Abnahme der Unterschreitungswahrscheinlichkeit extrem kalter Ereignisse (dies im Winter bei den Tagesdaten jedoch sehr uneinheitlich). Beim Niederschlag sind die Abnahme extrem feuchter Monate im Sommer und die Zunahme extrem feuchter Tage im Herbst und Winter am auffälligsten. Langfristig folgen daraus ganz markante Änderungen der Jährlichkeiten. So ist beispielsweise 1901-2001 in Alsfeld die Jährlichkeit eines extrem feuchten Winters von 100 auf 5,6 Jahre zurückgegangen, die entsprechende Jährlichkeit eines extrem feuchten Sommers in Bad Camberg dagegen fast bis zur Unmöglichkeit angestiegen. Bei der Ursachendiskussion lässt sich in den Temperaturdaten ein deutlicher anthropogener Einfluss („Treibhauseffekt“) ausfindig machen. Abschließend wird diskutiert, inwieweit es sinnvoll ist, die beobachteten Trends, im Vergleich mit Modellprojektionen, in die Zukunft zu extrapolieren.