Zeitraum: Januar 2021 – Januar 2024

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Die Strahlung der Erdatmosph?re im optischen und nahinfraroten Wellenl?ngenbereich wird im Wesentlichen durch ein Emissionslinienspektrum charakterisiert. Dieses Airglow wird?? durch energiereiche solare Ultraviolettstrahlung hervorgerufen, die Luftmoleküle zerst?rt, Atome ionisiert und deshalb diverse chemische Reaktionen und physikalische Prozesse verursacht, die teilweise zur Lichtemission führen, auch bei Nacht.

Die meiste Strahlung entsteht in etwa 90 km H?he in der Mesopausenregion, wo Beitr?ge von Hydroxyl-, Sauerstoff- und Eisenoxidmolekülen sowie Sauerstoff- und Natriumatomen bedeutend sind. Durch die kompakte Schichtung reagiert Airglow sehr sensitiv auf atmosph?rische Dynamik.

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Regelm??ige Studien der Mesopausenregion sind nur durch boden- und satelliten-gebundene Fernerkundung m?glich. Die meisten Airglowinstrumente produzieren entweder Bilder oder Spektren weniger Linien. Eine umfassende Charakterisierung der unterschiedlichen Emissionen erfordert allerdings eine simultane Abdeckung bei ausreichend hoher spektraler Aufl?sung. Dies kann nur durch leistungsf?hige Echellespektrographen erreicht werden. Diese werden von astronomischen Observatorien betrieben.

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Das geplante Projekt wird den gr??ten Satz astronomischer Daten berücksichtigen, der bisher für Airglowforschung benutzt wurde. Er besteht aus mehr als 100.000 Spektren, die mit dem X-shooter-Spektrographen am Very Large Telescope in Chile seit dem Jahr 2009 aufgenommen wurden. Die Daten werden die St?rken und Variationen von zahlreichen Emissionslinien und Kontinuumskomponenten enthüllen. Besonders letztere sind kaum erforscht. Die Beziehungen zwischen den verschiedenen Emissionen werden zeigen, wie die Airglowschicht auf Einflüsse wie Schwerewellen, solare Gezeiten, Jahreszeiten und Sonnenaktivit?t reagiert. Auf diese Weise wird die Studie zu einem besseren Verst?ndnis der chemischen und dynamischen Prozesse in der Mesopausenregion beitragen.

Ein wichtiges Resultat des Projekts wird eine Airglowparametrisierung sein, die die Variabilit?t auf unterschiedlichen Zeitskalen reproduziert und realistische Spektren liefert.?? Dies ist auch nützlich für Absch?tzungen der natürlichen Nachthimmelshelligkeit, die wichtig für den Betrieb astronomischer Observatorien hinsichtlich der Beobachtungsplanung, Instrumentenentwicklung und Datenprozessierung sind. Als eine astronomische Anwendung dieses Projekts wird eine Untersuchung des Einflusses der Airglowhelligkeit und -variabilit?t auf die Nachweisbarkeit molekularer Absorptionsstrukuren in Atmosph?ren erd?hnlicher extrasolarer Planeten, die mit dem zukünftigen Extremely Large Telescope in Chile und einem sogenannten Starshade im Erdorbit, dass das Licht des Heimatplaneten des Exoplaneten blockiert, durchgeführt werden. Daher wird diese Studie auch zur 拉斯维加斯赌城 nach der zweiten Erde und von Leben au?erhalb.

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Kontakt

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Dr. Stefan Noll
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-2952
Fax: +49 8153 28-1363

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Zeitraum: 01. Januar 2019 – 30. November 2022

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Der Klimawandel führt nach heutigem Kenntnisstand zu r?umlich unterschiedlichen Temperatur?nderungen. So ist in hohen Breiten eine st?rkere Temperaturerh?hung zu beobachten als in niedrigen. Dies beeinflusst unmittelbar die gro?r?umigen atmosph?rischen Str?mungsmuster, sogenannte planetare Wellen, mit entsprechenden Folgen für die Gro?wetterlage in unseren geografischen Breiten. Gro?wetterlagen ihrerseits steuern wesentlich das Auftreten und die Auspr?gung extremer K?lte und Hitzeperioden sowie Dürre und extreme Niederschlagsereignisse. Das gegenw?rtige Wissen über die tats?chliche Auswirkung des Klimawandels auf die Dynamik der Atmosph?re ist bislang jedoch noch nicht gut entwickelt; l?ngerfristige Prognosen sind daher ungenau.

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Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts WAVE soll deswegen untersucht werden, inwiefern sich planetare Wellen in den letzten Jahren hinsichtlich Amplitude oder Phasenlage ver?ndert haben. Es soll dabei zwischen natürlichen Einflüssen (z.B. durch die Sonne) und anthropogenen Einflüssen unterschieden werden. Von besonderem Interesse sind hier kleinerskalige planetare Wellen, da eine hohe Aktivit?t dieser Wellen h?ufig zu einer Abschnürung von Hoch- und Tiefdruckgebieten aus der atmosph?rischen Hintergrundstr?mung führt. Von besonders hohem Schadenspotential sind darunter die sogenannten Vb-Wetterlagen. Sie verursachen besonders intensive Starkniederschl?ge im Alpenraum. Es wird versucht, die jeweils aktuelle Strukturfunktion der planetaren Wellen zu der Wahrscheinlichkeit einer bevorstehenden Extremwettersituation für Bayern, den Alpenraum und die angrenzenden Gebiete in Beziehung zu setzen.?

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Darauf aufbauend soll im Projekt WAVE auf starke Tiefdruckgebiete wie die o.g. Vb-Systeme fokussiert werden. Basierend auf Messungen an verschiedenen VAO-Stationen im Alpenraum sowie an einer Station des neuen assoziierten VAO-Partners Tschechien, die h?ufig im Einflussbereich von Vb-Zyklonen liegt, wird ein innovativer Ansatz zur Erfassung der ?nderung des Energieinhaltes solcher starker Tiefdrucksysteme untersucht. Dieser Parameter ist für die Verbesserung der Prognose von Zugbahn- und St?rke dieser Systeme wichtig.??

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Kontakt

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PD Dr. habil. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-1325
Fax: +49 8153 28-1363

VoCaS-ALP (vollst?ndige Charakterisierung von dynamischen Prozessen über dem Alpenraum)

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Zeitraum: 01. Mai 2016 – 30. September 2021

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Ziel des Projektes VoCas-ALP ist die vollst?ndige Charakterisierung von dynamischen Prozessen (Schwerewellen und planetare Wellen) über dem Alpenraum und dem bayerischen Voralpenland. Diese Informationen leisten einen Beitrag zur Verbesserung der Zielgenauigkeit von regionalen Klima-und Atmosph?renmodellen für diese orographisch komplexe Region.

Das Projekt basiert auf Messungen an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus, UFS, auf der Zugspitze, am Meteorologischen Observatorium Hohenpei?enberg und am Deutschen Zentrum für Luft-und Raumfahrt in Oberpfaffenhofen, Bayern, sowie dem Sonnblick Observatorium in ?sterreich. Alle gemeinsamen Stationen sind dem von der UFS geführten Virtuellen Alpenobservatorium, VAO, angeschlossen. Zus?tzlich basiert das Projekt wesentlich auf Messungen am Observatorium Otlica in Slowenien.

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Erstmalig soll eine Tomografie, d.h. eine dreidimensionale Abbildung von Schwerewellenstrukturen in der oberen Mesosph?re unter Verwendung simultaner stereoskopischer Messungen mit IR-Kameras von Oberpfaffenhofen und von Otlica aus mit hoher raum-zeitlicher Aufl?sung durchgeführt werden. Im Fokus steht insbesondere die Fragestellung, wie stark der Einfluss von starken Fallwinden im Alpenraum auf die Generierung von Schwerewellen ist. Messungen mit LIDAR, Radiosonden und IR-GRIPS-Spektrometern an den verschiedenen Standorten vervollst?ndigen den Datensatz.

Da die Ausbreitung von Schwerewellen in der Atmosph?re in besonderer Weise von planetaren Wellen beeinflusst ist, müssen auch diese charakterisiert werden. Hierzu sollen globale satellitenbasierte Datens?tze sowie meteorologische Analysefelder verwendet werden. Von besonderem Interesse bei der Verbesserung regionaler Klima-und Atmosph?renmodelle für den Alpen-und Voralpenraum ist dabei die Fragestellung, inwieweit sich die Struktur der planetaren Wellen im Zuge des Klimawandels ver?ndert und wie sich dies auf die Ausbreitung der Schwerewellen im Alpenraum auswirken kann.

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Kontakt

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PD Dr. habil. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-1325
Fax: +49 8153 28-1363

AlpEn-DAC (Alpine Environmental Data Analysis Center)

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Zeitraum:? 01. August 2014 – 31. Juli 2022

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Auf der Grundlage des bereits aufgebauten UFS-Datenanalysezentrums, UFS-DAZ, wird eine moderne und innovative informationstechnische Architektur zur Vernetzung der an VAO beteiligten Forschungsinfrastrukturen (Observatorien, Datenzentren, Rechenzentren etc.) entwickelt und dessen Leistungsf?higkeit demonstriert. Zum Einsatz kommen etwa moderne Konzepte der Datenarchivierung, - verteilung, - referenzierung und –publikation. Der Zugriff auf andere Daten, erhoben etwa von Satelliten oder von anderen Stationen, wird erm?glicht, um die Untersuchung einer wissenschaftlichen Fragestellung mit dem bestm?glichen und umfangreichsten Datensatz zu unterstützen. Durch die Anbindung an das ICSU/WMO World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere, WDC- RSAT, wird der Zugriff auf die Archive von Weltdatenzentren nachhaltig etabliert; ebenso wird auf diese Weise grunds?tzlich der Anschluss an das WMO-Informationssystem (WIS) hergestellt. Doppelarbeiten werden durch die Verfügbarkeit umfangreicher Datens?tze vermieden; Forschungsarbeiten werden so effizienter.

Auch die Nutzung von Computermodellen und Analysewerkzeugen etwa zur Interpretation von Messungen geh?rt zum Portfolio dieses Konzeptes. Die enge Anbindung des H?chstleistungsrechenzentrums, LRZ, in Garching wird hier Ma?st?be setzen. Ebenso sollen moderne Verfahren zur Fernsteuerung von Instrumenten demonstriert werden; Ziel ist es hier, für die Beantwortung einer Fragestellung ggf. auch jeweils gezielte Messungen unter Nutzung der vorhandenen Forschungsinfrastrukturen erheben zu k?nnen. Das Ergebnis wird schlie?lich die Architektur einer m?chtigen informationstechnischen Vernetzung von Forschungsinfrastrukturen sein, wie es sie bis heute nicht in vergleichbarer Form gibt: das Alpen-Datenanalysezentrum - Alpen-DAZ

Zeitraum: Januar 2018 – Juni 2021

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Laut Internationaler Alpenschutz-kommission ist der Alpenraum doppelt so stark vom Klimawandel betroffen wie der globale Durchschnitt. Für Mensch, Natur und Wirtschaft bedeutet dies Ver?nderungen, die auch die Politik vor gro?e Herausforderungen stellt. Ziel von AlpClimNet ist daher die Unterstützung der Politik im Rahmen ARGE-ALP zu Klimaschutzma?nahmen durch eine verbesserte Beobachtung und Analyse von Umwelt- und Klimaparametern. Dazu sollen Messungen aus den ARGE ALP-Regionen in das Virtuelle Alpen-Observatorium (VAO) integriert werden, um ein engmaschigeres Messnetz zu gewinnen. Die Messungen sollen ferner um unabh?ngige modell- und satellitenbasierte Daten erweitert werden. AlpClimNet beabsichtigt die Beurteilung des Ist-Zustandes der Atmosph?re sowie eine Absch?tzung von klimabedingten Zusammenh?ngen und Risiken.

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Kontakt

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Thilo Erbertseder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-3665
Fax: +49 8153 28-1363

BioClis (Bio-klimatisches Informationssystem)

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Zeitraum: November 2017?–???? Dezember 2019 ??

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Ziel ist die Entwicklung eines Bioklimatischen Informationssystems für Bayern. Es soll tagesaktuelle Information zum aggregierten Gesundheitsrisiko durch Luftschadstoffe und thermischen Stress liefern. Gef?rdert wird das BioClis durch die Bayerischen Staatsministerien für ?Gesundheit und Pflege“ sowie ?Umwelt- und Verbraucherschutz“.

Mit BioClis soll für die Bayerische Staatsregierung, den Bürger und Risikopatienten ein Instrument geschaffen werden, das eine integrierte Betrachtung zum Morbidit?ts- und Mortalit?tsrisiko durch Umwelt- und Klimaparameter erlaubt. Die F?rderung pr?ventiver Medizin und eine bessere Anpassung an den Klimawandel stehen im Vordergrund. BioClis wird als Service der UFS (Umweltforschungsstation Schneefernerhaus) entwickelt und nutzt daher die bestehende IT-Infrastruktur des AlpEnDAC - Alpine Environmental Data Analysis Centre.

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Kontakt

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Thilo Erbertseder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-3665
Fax: +49 8153 28-1363

JOSEFINA (Joint Bavarian Slovenian Endeavor for Innovative Air Quality Analysis)

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Zeitraum: 2016 – 2019?

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Ziel ist die erstmalige Erstellung einer fl?chendeckenden Feinstaubkartierung für Bayern aus historischen und neuen Satellitendaten verschiedener Missionen von 1999 bis heute (AQUA/MODIS, TERRA/MODIS, Copernicus/Sentinel-3). Die Daten werden auf einem homogenen Gitter mit einer Aufl?sung von besser als 5x5 km? vorliegen. Die Kartierung und Datenauswertung dient der Verbesserung der Luftqualit?tsanalysen und mehrt?giger Prognosen für Bayern durch die synergistische Kombination von in-situ-Messungen des L?B-Netzwerks mit regionaler Chemie-Transport-Modellierung.

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Dabei sollen auch erstmalig Aerosoldaten der neuen COPERNICUS Weltrauminfrastruktur (Sentinel-3 mit MODIS und VIIRS als m?glichem Ersatz) in das Modellsystem assimiliert werden. Eine weitere wichtige Komponente stellt die Integration der Ergebnisprodukte in das Alpen-Datenanalysezentrum der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) dar.

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Die Arbeiten beinhalten auch Vergleiche und Validierungen der Ergebnisse mit Hilfe des L?B-Netzwerks sowie Daten der slowenischen Partner. Schlie?lich sollen Analysen der Variabilit?t und Trends der Luftschadstoffe PM (Partikel), NO2 und der Aerosol Optischen Dicke basierend auf Satellitendaten einen wesentlichen Beitrag zum verbesserten Verst?ndnis der Luftverschmutzung und des Klimawandels in Bayern liefern.

LUDWIG (L?nderübergreifende Untersuchung der Dynamik von atmosph?rischen Wellen im Gebirge)

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Zeitraum: 01.08.2014 – 30.09.2017

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Ziel des Vorhabens LUDWIG ist es, mithilfe der Untersuchung von Schwerewellen im Alpenraum einen Beitrag zur Verbesserung von Klima-, Atmosph?ren- und Wettermodellen bzw. deren Prognosen zu leisten. Durch bodengebundene Messungen mit baugleichen Instrumenten (sog. GRIPS-Instrumente) an der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus (UFS) und am Sonnblick Observatorium, ?sterreich sowie weiteren Stationen des internationalen Network for the Detection of Mesospheric Change (NDMC, https://www.wdc.dlr.de/ndmc) im alpinen Umland soll festgestellt werden, ob die Alpen als eine in sich homogene Quelle für Schwerewellen betrachtet werden k?nnen oder regionale und zeitliche Unterschiede zu beachten sind. Eine optimale Parametrisierung in den Modellen ist nur m?glich, wenn Informationen vorliegen, ob überall am Gebirge die gleichen Wellen (bzw. Wellen mit den gleichen Parametern) angeregt werden. Werden Gebirgsregionen zu stark abstrahiert, führt dies zu angreifbaren Modellprognosen.

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Vergleichende Untersuchungen zwischen den Alpen und dem kleinen Kaukasus, wo sich ebenfalls eine NDMC-Station befindet (Abastumani, Georgien), sollen des Weiteren einen Hinweis darauf geben, ob sich diese beiden Gebirge grunds?tzlich in den Schwerewellenparametern unterscheiden. Insbesondere wird eine Literaturstudie zu den Auswirkungen von Erdbeben, die in dieser Region h?ufiger vorkommen, auf die mittlere Atmosph?re (10 – 100?km) durchgeführt.

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Eine zentrale Aufgabe des Projekts LUDWIG ist deswegen der Aufbau eines GRIPS-Systems im Sonnblick Observatorium in ?sterreich und die Analyse der NDMC-Daten im Alpenraum und im Kaukasus in Hinblick auf die Parameter der beobachteten Schwerewellen. Zwei weitere, kleinere Arbeitspakete umfassen eine Recherche zur m?glichen Einbringung der Ergebnisse in Modelle und eine Literaturstudie hinsichtlich erdbebenbedingter Signale, die in der mittleren Atmosph?re beobachtet werden k?nnen.

Das DLR-DFD betreibt seit 2005 in der UFS routinem??ig das IR-Spektrometer GRIPS-3. Aufgrund eines totalen Vakuumeinbruchs des Badkryostaten, der den Halbleiterdetektor mit flüssigem Stickstoff kühlt, wurde in der Folge durch erhebliche Vereisung des Systems auch der Vorverst?rker des Detektors in Mitleidenschaft gezogen. Die Reparatur des Systems erwies sich als schwierig und zeitaufwendig. Die Messreihe wurde um mehr als ein halbes Jahr unterbrochen.

Um in Zukunft die Unterbrechung der Messreihe durch m?gliche Ausf?lle des Systems zu vermeiden und damit die Beteiligung in NDMC nicht zu beeintr?chtigen, soll im Rahmen des vorliegenden FUE-Vorhabens ein Back-Up-System für GRIPS 3 beschafft und in der UFS aufgebaut werden. Das Back-Up-System soll ferner gekoppelt werden mit einer Infrarotkamera (Imager), die eine r?umliche Analyse von Wellenstrukturen erlaubt. Auf diese Weise wird eine vollst?ndige Charakterisierung der Strukturfunktionen von Schwerewellen (r?umlich und zeitlich) m?glich.

CESAR (?? ?? Charakterisierung des differentiellen Energiegehaltes von Vb-Zyklonen über die Quantifizierung abgestrahlter Schwere- und Infraschallwellen in der Atmosph?re)

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Stürme geh?ren zu den weltweit schwerwiegendsten Naturgefahren. Für den Alpenraum und die nord?stlich angrenzenden Gebiete z?hlt besonders die so genannte ?Vb-Lage“ (fünf b) zu den Sturmsystemen mit erheblichem Schadenspotential, da diese Wetterlagen h?ufig mit Starkniederschl?gen verbunden sind. W?hrend heute kurzfristige Vorhersagen und somit Warnungen mit einer Vorlaufzeit von etwa einem Tag verl?sslich sind, erweisen sich mittelfristige Prognosen der Zugbahn von Vb-Tiefdruckgebieten als unsicher.

Um eine Verbesserung der Prognose der Sturmzugbahn, der Sturmintensit?t und Lebensdauer zu erm?glichen, sind insbesondere st?ndige Informationen über die ?nderung des Energieinhaltes eines solchen Tiefdruckgebietes (Zyklon) erforderlich.
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Zyklone strahlen aufgrund von Konvektionsstr?mungen und Rotation sowohl Schwere- als auch Infraschallwellen in die Atmosph?re ab. Physikalisch gesehen muss die ?nderung des Energieinhaltes dieser abgestrahlten atmosph?rischen Wellenfelder im Zusammenhang mit der ?nderung des Energieinhaltes des Zyklons stehen. Die Nutzung dieses Mechanismus zur Verbesserung der Prognosegüte Vb-Sturmwarnungen ist vollkommen neuartig.

Im Projekt CESAR wurde untersucht, ob die ?nderung des Energieinhaltes (der so genannte ?differentielle Energieinhalt“) eines Zyklons durch die Beobachtung vom Zyklon st?ndig abgestrahlter atmosph?rischer Wellen erfasst werden kann.
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Für die Untersuchung dieses Mechanismus wurde eine Vielzahl von Daten (meteorologische Daten, Radiosonden, Spektrometer, Satelliten) verwendet. Betrachtet wurden ausgepr?gte Tiefdrucksysteme in Europa.

Zur Identifikation von Infraschallsignaturen in Spektrometer basierten Zeitreihen und deren Zuordnung zu ihren wahrscheinlichen Quellen wurde ein Mustererkennungsverfahren entwickelt. Es konnte gezeigt werden, dass Tiefdruckgebiete Schwerewellen und Infraschall abstrahlen. Die Wellenfelder k?nnen sich von der Strato- bis in die Mesosph?re ausbreiten. Der mit Schwerewellen verbundene Impulsfluss wurde quantifiziert und erreicht bei einem starken Tiefdruckgebiet (Medicane) etwa den fünffachen Wert verglichen mit ruhigen Wettersituationen.

Die von Tiefdruckgebieten abgestrahlten Schwere- und Infraschallwellen stellen damit ein effektives Ma? für die Aktivit?t eines Zyklons dar.

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Kontakt

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PD Dr. habil. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosph?re
We?ling
Tel.: +49 8153 28-1325
Fax: +49 8153 28-1363

Viele Naturgefahren sind mit Generierung von Infraschall verbunden. Dieser breitet sich mit Schallgeschwindigkeit in der Atmosph?re – auch bis in gro?e H?hen – aus. Die Identifikation und Analyse solcher Signale in Zeitreihen von Atmosph?renparametern kann dabei helfen, Informationen über die Aktivit?t und die St?rke einer Infraschallquelle wie z.B. eines Sturmsystems zu erhalten.
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Zur besseren Identifikation von sturminduzierten Infraschallsignaturen in Messungen des NDMC (Network for the Detection of Mesosphere Change, http://wdc.dlr.de/ndmc) wurde ein automatisiertes Verfahren entwickelt, das Stürme in Wettermodelldaten detektiert und die Ausbreitung des von ihnen abgestrahlten Infraschalls modelliert. Anhand der Ergebnisse der Modellierung wird anschlie?end bestimmt, ob der von einem Sturmsystem ausgesandte Infraschall gegebene Messstandorte erreicht. Eine entsprechende Ereignisliste wird generiert und ausgegeben.
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Um die rechenaufw?ndige Ausbreitungsmodellierung zu beschleunigen, die im seriellen Fall fast 100% der Rechenzeit des Gesamtverfahrens veranschlagt, stand die Parallelisierung des Ausbreitungsmodells im technischen Mittelpunkt des Vorhabens. Die umgesetzte Parallelisierung basiert auf dem verteilten Ansatz (distributed memory). Damit k?nnen auch aktuelle Gro?rechnerarchitekturen genutzt werden. Die Parallelisierung konnte erfolgreich umgesetzt werden und hilft erheblich dabei, das oben genannte Verfahren zu beschleunigen.