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Die Abstrahlung von internen Schwerewellen in atmosphärischen Strahlströmen und Temperaturfronten trägt vermutlich mit einem signifikanten Beitrag zum gesamten Schwerewellenspektrum bei. Das physikalische Verständnis der dabei ablaufenden Prozesse ist derzeit allerdings noch zu gering ausgeprägt, um eine adäquate mathematische Darstellung für operationelle Wetter- und Klimamodelle zu entwickeln. In dieser Arbeit wird der Mechanismus dieser Schwerewellenquelle in numerischen Simulationen des differenziell geheizten rotierenden Annulusexperiments erforscht. Dieses Experiment besitzt eine im Vergleich zur Atmosphäre deutlich verringerte Anzahl an Freiheitsgraden und eignet sich besonders gut zum Studium der Dynamik der mittleren Breiten. Analoge Untersuchungen werden in einem äquivalenten kartesischen Modellsystem vorgenommen, in dem periodische Bedingungen in den beiden horizontalen Raumrichtungen vorliegen.
Im Gegensatz zur Annuluskonfiguration, in der nachweislich auch eine Schwerwellenabstrahlung an den Zylinderwänden erfolgt, kommt in dieser Konfiguration nur die interne Dynamik als Schwerewellenquelle in Frage. Die nichtlinearen Simulationen beider Modellkonfigurationen zeigen eine großskalige barokline Wellenstruktur, die ein atmosphärenähnliches Jet-Front System beinhaltet. Darin eingelagert werden vier voneinander isolierte Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration sowie zwei Schwerewellenpakete im doppeltperiodischen Modellsystem charakterisiert. Um den zugrundeliegenden Quellmechanismus zu untersuchen, erfolgt eine Aufspaltung der Zustandsvariablen in einen balancierten und einen unbalancierten Anteil, wobei erstgenannter das geostrophische und hydrostatische Gleichgewicht erfüllt und letztgenannter das Schwerewellensignal enthält. Die Strömungsaufspaltung bildet die Grundlage für die Entwicklung eines tangential-linearen Modells für den unbalancierten Strömungsanteil. Hierbei wird eine systematische Umformulierung der dynamischen Grundgleichungen hinsichtlich der Wechselwirkung beider Strömungsanteile vollzogen. Insbesondere wird der rein balancierte Antrieb der unbalancierten Strömung freigelegt, um dessen Einfluss auf die Schwerewellenaktivität zu quantifizieren. Die anschließenden tangential-linearen Simulationen zeigen, dass drei der vier Schwerewellenpakete in der Annuluskonfiguration in der internen Strömung generiert werden. Ein verbleibendes Wellenpaket entsteht an der inneren Zylinderwand, ehe es in das innere Modellvolumen propagiert. Darüber hinaus wird deutlich, dass der rein balancierte interne Antrieb der Schwerewellen einen signifikanten Beitrag zur Schwerewellengenerierung leistet. Im doppeltperiodischen Modellsystem gibt es eine nahezu perfekte Übereinstimmung zwischen den unbalancierten Strömungsmustern in den tangential-linearen und den nichtlinearen Simulationen. Auch dort nimmt der balancierte Antrieb eine zentrale Rolle bei der Schwerewellenabstrahlung ein. Die abschließende Gegenüberstellung verschiedener, voneinander unabhängiger Gleichgewichtskonzepte macht deutlich, dass die balancierte Strömung der führenden Ordnung in der Rossbyzahl bereits eine erstaunliche Übereinstimmung mit der vollen Strömung liefert. Zudem erbringt die Anwendung einer Lagrange'schen Filtermethode den Nachweis, dass die Vertikalbewegungen und die horizontalen Divergenzsignale in der Annuluskonfiguration fast ausschließlich auf die Schwerewellenaktivität zurückzuführen sind.
Mistral and Tramontane are wind systems in southern France and the western Mediterranean Sea. Both are caused by similar synoptic situations and channeled in valleys. Their relevance for the climate of the western Mediterranean region motivated this work. The representation of Mistral and Tramontane in regional climate simulations was surveyed with the models ALADIN, WRF, PROMES, COSMO-CLM, RegCM, and LMDZ. ERA-Interim and global CMIP5 simulations (MPI-ESM, CMCC-CM, HadGEM2-ES, and CNRM-CM5) provided the lateral boundary data for the regional simulations regarding the 20th century and two representative concentration pathways for the 21st century (RCP4.5 and RCP8.5).
A Mistral and Tramontane time series, a principal component analysis of pressure fields, and a Bayesian network were combined to develop a classification algorithm to identify pressure patterns in favor of Mistral and Tramontane. The regional climate models were able to reproduce the observed climatology of Mistral and Tramontane. Compared to observational data (SAFRAN and QuikSCAT), the simulations underestimate the wind speed over the Mediterranean Sea, mainly at the borders of the main flow. Simulations with smaller grid spacing showed better agreement with the observations.
A sensitivity study tested the influence of the Charnock parameter on the Mistral wind field. Its value impacted both wind speed and wind direction. Decreasing the orographic resolution in idealized simulations using COSMO-CLM caused a reduction in wind speed and a broader flow area. Including a parameterization for subgrid scale orography improved the simulation. However, an accurate simulation of Mistral and Tramontane still requires a high-resolution orography.
The classification algorithm also was applied to pressure fields from regional climate simulations driven by global simulation data. At the end of the 21st century, only small, non-significant changes in the number of Mistral days per year occur in the projection simulations. The number of Tramontane days per year decreased significantly.
Eiskeime (INP) sind Aerosolpartikel, die das Entstehen von Eiskristallen in der Atmosphäre zwischen 0 und -37°C ermöglichen, indem sie die zur Ausbildung der Eisphase nötige Energie gegenüber einem reinen Wassersystem stark herabsetzen. Dabei sind aktive Stellen auf der Oberfläche dieser Partikel für die erste Nukleation von Eis verantwortlich. In der Folge können die Eiskristalle zulasten von verdunstenden Wasserdampfmolekülen und Wassertröpfchen weiter anwachsen. Über Eismultiplikationsprozesse zersplittern und vervielfältigen sich die Eiskristalle und wachsen über Bereifung schließlich zu einer kritischen Größe heran, wodurch sie als Niederschlag zu Boden fallen können. Auch wenn der Anteil der zur heterogenen Eisnukleation fähigen Aerosole vergleichsweise gering ist, spielen INP eine entscheidende Rolle für die Entwicklung von Niederschlag und nehmen Einfluss auf Strahlungsprozesse, indem sie auf die Phase der Wolken und damit auf deren Strahlungseigenschaften einwirken. Viele Fragen im Forschungsgebiet der heterogenen Eisnukleation sind jedoch weiterhin nicht hinreichend genau geklärt. Ohne eine verbesserte Kenntnis von Konzentrationen, geographischer und vertikaler Verteilung, sowie zeitlicher Variation, Quellen und Natur von INP, sind noch vorhandene Wissenslücken im Strahlungsantrieb durch Wechselwirkungen von Aerosolen und Wolken nur zu einem gewissem Grad zu reduzieren. Dies ist nötig, um aktuelle Beobachtungsdaten der sich erwärmenden Atmosphäre besser verstehen und die zukünftigen Änderungen des Klimas sicherer vorhersagen zu können. In dieser Arbeit wird die Vakuumdiffusionskammer FRIDGE verwendet, um atmosphärische INP-Konzentrationen zu bestimmen. Aerosolpartikel werden dabei in einem ersten Schritt auf einem Silicium-Probenträger elektrostatisch niedergeschlagen. Die Effizienz des Sammelprozesses, also der Anteil der Partikel die tatsächlich auf dem Si-Substrat abgeschieden werden, wurde mittels zweier unabhängiger Methoden auf etwa 60% bestimmt. In einem zweiten Mess-Schritt werden die Proben in FRIDGE typischen Bedingungen von Mischphasenwolken ausgesetzt, wodurch Eiskristalle an den INP aktiviert werden und im Verlauf einer Messung anwachsen. Eine Kamera beobachtet die durch das Eiswachstum entstehenden Helligkeitsänderungen auf dem dunklen Probensubstrat. Die Kriterien, wann ein Objekt als Eiskristall identifiziert und gezählt wird, mussten im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelt werden. In der zu Beginn der Arbeit vorgefundenen Einstellung hatte bereits eine sehr geringe Helligkeitsänderung, wie sie durch das hygroskopische Wachstum von Aerosolpartikeln hervorgerufen wird, zu Signalen geführt, die fälschlicherweise als Eiskristalle gezählt wurden. Das reevaluierte Messverfahren von FRIDGE wurde im Zuge der FIN-02 Kampagne in einem groß angelegten Laborexperiment an der AIDA Wolkenkammer mit zahlreichen anderen INP-Zählern aus der ganzen Welt verglichen. Für den Großteil der Messungen der untersuchten Modell-Aerosoltypen konnte eine zufriedenstellende Übereinstimmung mit den anderen Instrumenten erzielt werden. In einer einmonatigen Feldmesskampagne im östlichen Mittelmeerraum konnten die ersten INP-Messungen an Bord eines unbemannten Flugzeugs durchgeführt werden. Während der Kampagne auf Zypern wurden mehrere Fälle von transportiertem Saharastaub beprobt, in denen die INP-Konzentration maßgeblich erhöht war. Lidar-Beobachtungen und ein Staubtransportmodell zeigten, dass sich das Maximum der Staubschichten zumeist in etwa 2-4 Kilometern Höhe befand. In der Höhe wurden INP-Konzentrationen gefunden, die im Mittel um einen Faktor 10 größer waren als auf Bodenniveau. Es wird gefolgert, dass INP-Messungen am Boden möglicherweise nur begrenzte Aussagekraft über die Situation nahe der Wolkenbildung besitzen. Im Rahmen BACCHUS-Projekts wurden zwischen August 2014 und Januar 2017 (mit Unterbrechungen) alle 1-2 Tage Proben an drei Reinluftstationen gesammelt (insgesamt über 900). Das INP-Messnetz mit einer geographischen Ausdehnung von der Arktis zum Äquator bestand aus Stationen in Spitzbergen, Martinique und im Amazonas. Die Station im brasilianischen Regenwald ist durch wechselnde Bedingungen von sauberer Regen- und verunreinigter Trockenzeit charakterisiert. In der Trockenzeit steigen die Partikelkonzentrationen durch starke Belastung aus Biomassenverbrennung um eine Größenordnung an; eine gleichzeitige Zunahme der INP-Konzentrationen konnte nicht beobachtet werden. Daraus kann vermutet werden, dass Partikel aus Feueremissionen keine ausgezeichneten Fähigkeiten zur Eisnukleation aufweisen. Die INP-Konzentrationen in der Karibik konnten mit dem Jahresgang von transportieren Saharastaub in Verbindung gebracht werden. In der Arktis wurden die niedrigsten INP-Konzentrationen der drei Stationen beobachtet. Zum Zeitpunkt des Erstellens dieser Arbeit können die determinierenden Einflussfaktoren, sowie der anthropogene Einfluss zur Zeit des arktischen Dunstes noch nicht abschließend geklärt werden.
Transforming the current rather centralized electricity generating system into a climate neutral system based on renewable energy is an important approach to reduce greenhouse gas emissions and thus mitigate climate change. Stakeholders have each of them their own perception of the best strategies to achieve such a transformation. All perspectives are equally legitimate and needed for developing a specific transformation strategy suited for the region in focus....
In light of the global sea-level rise and climate change of the 21th century, it is important to look back into the recent past in order to understand what the future might hold. A multi-proxy data set was compiled to evaluate the influence of geomorphological and environmental factors, such as antecedent topography, subsidence, sea level and climate, on reef, sand apron and lagoon development in modern carbonate platforms through the Holocene. Therefore, a combination of remote sensing and morphological data from 122 modern carbonate platforms and atolls in the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were conducted, along with a case study from the oceanic (Darwinian) barrier-reef system of Bora Bora, French Polynesia, South Pacific.
The influence of antecedent topography and platform size as factors controlling Holocene sand apron development and extension in modern atolls and carbonate platforms is hypothesized. Antecedent topography describes the elevation and relief of the underlying Pleistocene topography (karst) and determines the distance from the sea floor to the rising postglacial sea level. Maximum lagoon depth and marginal reef thickness, when available in literature, were used as proxies for antecedent topography. Sand apron proportions of 122 atolls and carbonate platforms from the Atlantic, Indian and Pacific Oceans were quantified and correlated to maximum lagoon depth, total platform area and marginal reef thickness. This study shows that sand apron proportions increase with decreasing lagoon depths. Sand apron proportions also increase with decreasing platform area. The interaction of antecedent topography and Holocene sea-level rise is responsible for variations in accommodation space and at least determines the extension of the lateral expansion of sand aprons. In general, sand apron formation started when marginal reefs approached relative sea level. Spatial and regional variations in sea-level history let sand apron formation start earlier in the Indo-Pacific region (transgressive-regressive) than in the Western Atlantic Ocean (transgressive).
The influence of sea level, antecedent topography and subsidence of a volcanic island on late Quaternary reef development was evaluated based on six rotary core transects on the barrier and fringing reefs of Bora Bora. This study was designed to revalue the Darwinian model, the subsidence theory of reef development, which genetically connects fringing reef, barrier reef and atoll development by continuous subsidence of the volcanic basement. Postglacial sea-level rise, and to a minor degree subsidence, were identified as major factors controlling Holocene reef development in that they have created accommodation space and controlled reef architecture. Antecedent topography was also an important factor because the Holocene barrier reef is located on a Pleistocene barrier reef forming a topographic high. Pleistocene soil and basalt formed the pedestal of the fringing reef. Uranium-Thorium dating shows that barrier and fringing reefs developed contemporaneously during the Holocene.
In the barrier–reef lagoon of Bora Bora, the influence of environmental factors, such as sea level and climate, tsunamis and tropical cyclones controlling Holocene sediment dynamics was evaluated based on sedimentological, paleontological, geochronological and geochemical data. The lagoonal succession comprises mixed carbonate-siliciclastic sediments overlying peat and Pleistocene soil. The multi-proxy data set shows variations in grain-size, total organic carbon (proxy for primary productivity), Ca and Cl element intensities (proxies for carbonate availability and lagoonal salinity) during the mid-late Holocene. These patterns could result from event sedimentation during storms and correlate to event deposits found in nearby Tahaa, probably induced by elevated cyclone activity. Accordingly, elevated erosion and runoff from the volcanic island and lower lagoonal salinity would be a result of rainfall during repeated cyclone landfall. However, Ti/Ca and Fe/Ca ratios as proxies for terrigenous sediment delivery peaked out in the early Holocene and declined since the mid-Holocene. Benthic foraminifera assemblages do not indicate reef-to-lagoon transport. Alternatively, higher and sustained hydrodynamic energy is probably induced by stronger trade winds and a higher-than-present sea level during the mid-late Holocene. The increase in mid-late Holocene sediment dynamics within the back-reef lagoon is supposed to display sediment-load shedding of sand aprons due to the oversteepening of slopes at sand apron/lagoon edges during their progradation rather than an increase in tropical storm activity during that time.
The influence of sea-level and climate changes on sediment import, composition and distribution in the Bora Bora lagoon during the Holocene is validated. Lagoonal facies succession comprises siderite-rich marly wackestones, foraminifera-siderite wackestones, mollusk-foraminifera marly packstones and mollusk-rich wackestones during the early-mid Holocene, and mudstones since the mid-late Holocene. During the early Holocene, enhanced weathering and iron input from the volcanic island due to wetter climate conditions led to the formation of siderite within the lagoonal sediments. The geochemical composition of these siderites shows that precipitation was driven by microbial activity and iron reduction in the presence of dissolved bicarbonate. Chemical substitutions at grain margins illustrate changes in the oxidation state and probably reflect changes in pore water chemistry due to sea-level rise and climate change (rainfall). In the late Holocene, sediment transport into the lagoon is hampered by motus on the windward side of the lagoon, which led to early submarine lithification within the lagoon.
Floodplains and other wetlands depend on seasonal river flooding and play an important role in the terrestrial water cycle. They influence evapotranspiration, water storage and river discharge dynamics, and they are the habitat of a large number of animals and plants. Thus, to assess the Earth’s system and its changes, a robust understanding of the dynamics of floodplain wetlands including inundated areas, water storages, and water flows is required.
This PhD thesis aims at improving the modeling of large floodplains and wetlands within the global-scale hydrological model WaterGAP, in order to better estimate water flows and water storage variations in different storage compartments. Within the scope of this thesis, I have developed a new approach to simulate dynamic floodplain inundation on a global-scale. This approach introduces an algorithm into WaterGAP, which has a spatial resolution of 0.5 degree (longitude and latitude) globally. The new approach uses subgrid-scale topography, based on high-resolution digital elevation models, to describe the floodplain elevation profile within each grid cell by applying a hypsographic curve. The approach comprises the modeling of a two-way river-floodplain interaction, the separate downstream water transport within the river and the floodplain – both with temporally and spatially different variable flow velocities – and the floodplain-groundwater interactions. The WaterGAP version that includes the floodplain algorithm, WaterGAP 2.2b_fpl, estimates floodplain and river water storage, inundated area and water table elevation, and also simulates backwater effects.
WaterGAP 2.2b_fpl was applied to model river discharge, river flow velocity, water storages, water heights and surface water extent on a global-scale. Model results were comprehensively validated against ground observations and remote sensing data. Overall, the modeled and observed data are in agreement. In comparison to the former version WaterGAP 2.2b, the model performance has improved significantly. The improvements are most remarkable in the Amazon River basin. However, the seasonal variation of surface water extent and total water storage anomalies are still too low in many regions on the globe when compared to observations. A detailed analysis of the simulated results suggests that in the Amazon River basin the introduction of backwater effects is important for realistically simulating water storages and surface water extent. Future efforts should focus on the simulation of water levels in order to better model the flow routing according to water slope. To further improve the model performance in specific regions, I recommend that the globally constant model parameters that affect inundation initiation, river-floodplain interaction, DEM correction for vegetation, and backwater amount at basin or subbasin-scale be adjusted.
Die lakustrinen Sedimente im Vorotan-Becken (Armenien) wurden palynologisch untersucht. Aus den Ergebnissen konnte die Vegetationsgeschichte im Südlichen Kaukasus während des Frühpleistozäns teilweise rekonstruiert werden.
Bei den Sedimenten handelt es sich um diatomeenreiche Tone, Silte und Feinsande, in denen Pollen gut und pflanzliche Makroreste ausgezeichnet erhalten sind. Die Datierung ist durch die Kombination von Paläomagnetik und 39Ar/40Ar-Methode eindeutig: Die Sedimente decken den Beginn der „mid Pleistocene transition“ (1?110?–?960 ka) ab.
An zehn Aufschlüssen wurden insgesamt 506 Sedimentproben genommen und die darin enthaltenen Pollen untersucht. So konnten insgesamt 64 Taxa nachgewiesen werden. Sie wurden in Pollenprofilen zusammengefasst und ökologisch bewertet. Die erhobenen Daten wurden zudem einer Faktorenanalyse und einer Clusteranalyse unterzogen, deren Ergebnisse ebenfalls in die Pollenprofile eingingen.
Die Pollenprofile lassen deutlich regionale Vegetationszyklen während des Frühpleistozäns erkennen. Diese Zyklen werden ausführlich beschrieben und mit Ergebnissen anderer Autoren aus dem Mittelmeerraum verglichen. Auch ein Bezug zur rezenten Vegetation im Südlichen Kaukasus und den angrenzenden Gebieten wird hergestellt.
Die Paläovegetation im Südlichen Kaukasus ist demnach während des Frühpleistozäns geprägt von einem Vegetationsmosaik aus Grassteppe und offenen Wäldern. Je nach Klima lassen sich Einflüsse von angrenzenden Vegetationszonen erkennen: borealer Nadelwald der Höhenlagen des Kaukasus, thermophiler Laubwald der euxinischen und hyrkanischen Wälder sowie xerotherme Steppe des Nordiran.
Während der Interglaziale herrscht eine Waldsteppe aus thermophilem Laubwald (z.?B. Quercus, Carpinus, Ulmus, Zelkova, Tilia) vor, in der bei starken Erwärmungsphasen die Grassteppe deutlich dominiert und die Wälder wohl an Nordhänge und in Uferbereiche zurückgedrängt werden. In den Glazialphasen finden sich zunehmend Koniferen in der Vegetation (z.?B. Tsuga, Abies, Picea, Pinus) – bis hin zu einem nahezu geschlossenen Kiefernwald am Ende des ersten lang andauernden Glazials MIS 30.
Es zeigt sich, dass sich die einzelnen Klimazyklen in der Ausprägung der Vegetation signifikant unterscheiden. Hierbei spielt sowohl die Amplitude der Erwärmung als auch die Dauer der jeweiligen Phase eine Rolle.
Der Vergleich mit anderen Untersuchungen zeigt, dass die Vegetationszyklen im Südlichen Kaukasus teilweise deutlich anders verlaufen als im westlichen, zentralen und östlichen Mittelmeerraum. Entlang einer Ost-West-Achse ist hier ein „Vegetationsgradient“ zu erkennen.
Das hat Auswirkungen auf die Interpretation der Ausbreitung früher Menschen aus Afrika nach Eurasien. Es ist davon auszugehen, dass sich nicht jeder Vegetationszyklus des Frühpleistozäns gleichermaßen gut für ein Vordringen nach Eurasien eignete. Geeignete Bedingungen (offene Landschaft, Vegetationsmosaik, warmes Klima) herrschten im Südlichen Kaukasus vor allem während stark ausgeprägter Interglaziale. Dagegen brachten lang anhaltende Glazialphasen wohl eher lebensfeindlichere Bedingungen für Homo erectus.
Weil in den südlichen Regionen Europas teilweise eine stark abweichende Vegetation während der unterschiedlichen Klimaphasen vorherrschte, ist es naheliegend, dass der Südliche Kaukasus für die frühen Menschen eine Rolle als Refugium spielte.
Deutlich zeichnen sich in den Ergebnissen Veränderungen in der Vegetation beim Übergang von den obliquitätsdominierten 41-ka-Klimazyklen zu den exzentrizitätsbestimmten 100-ka-Zyklen ab („mid Pleistocene transition“). Diese Veränderungen haben sich sicherlich auch auf die Population der Menschen ausgewirkt und größere Wanderbewegungen und/oder Anpassungen hervorgerufen. Möglicherweise haben in dieser drastischen Veränderung sogar kulturelle Entwicklungen ihren Anfang – zum Beispiel die Nutzbarmachung des Feuers.