Zeitraum: Januar 2021 – Januar 2024

Die Strahlung der Erdatmosphäre im optischen und nahinfraroten Wellenlängenbereich wird im Wesentlichen durch ein Emissionslinienspektrum charakterisiert. Dieses Airglow wird   durch energiereiche solare Ultraviolettstrahlung hervorgerufen, die Luftmoleküle zerstört, 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 Höhe in der Mesopausenregion, wo Beiträge von Hydroxyl-, Sauerstoff- und Eisenoxidmolekülen sowie Sauerstoff- und Natriumatomen bedeutend sind. Durch die kompakte Schichtung reagiert Airglow sehr sensitiv auf atmosphärische Dynamik.

Regelmäßige Studien der Mesopausenregion sind nur durch boden- und satelliten-gebundene Fernerkundung möglich. 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 Auflösung. Dies kann nur durch leistungsfähige Echellespektrographen erreicht werden. Diese werden von astronomischen Observatorien betrieben.

Das geplante Projekt wird den größten 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 Stärken 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 Sonnenaktivität reagiert. Auf diese Weise wird die Studie zu einem besseren Verständnis der chemischen und dynamischen Prozesse in der Mesopausenregion beitragen.

Ein wichtiges Resultat des Projekts wird eine Airglowparametrisierung sein, die die Variabilität auf unterschiedlichen Zeitskalen reproduziert und realistische Spektren liefert.   Dies ist auch nützlich für Abschätzungen 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 -variabilität auf die Nachweisbarkeit molekularer Absorptionsstrukuren in Atmosphären erdähnlicher 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 Suche nach der zweiten Erde und von Leben außerhalb.

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Dr. Stefan Noll
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosphäre
Weßling
Tel.: +49 8153 28-2952
Fax: +49 8153 28-1363

Zeitraum: 01. Januar 2019 – 30. November 2022

Der Klimawandel führt nach heutigem Kenntnisstand zu räumlich unterschiedlichen Temperaturänderungen. So ist in hohen Breiten eine stärkere Temperaturerhöhung zu beobachten als in niedrigen. Dies beeinflusst unmittelbar die großräumigen atmosphärischen Strömungsmuster, sogenannte planetare Wellen, mit entsprechenden Folgen für die Großwetterlage in unseren geografischen Breiten. Großwetterlagen ihrerseits steuern wesentlich das Auftreten und die Ausprägung extremer Kälte und Hitzeperioden sowie Dürre und extreme Niederschlagsereignisse. Das gegenwärtige Wissen über die tatsächliche Auswirkung des Klimawandels auf die Dynamik der Atmosphäre ist bislang jedoch noch nicht gut entwickelt; längerfristige Prognosen sind daher ungenau.

Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts WAVE soll deswegen untersucht werden, inwiefern sich planetare Wellen in den letzten Jahren hinsichtlich Amplitude oder Phasenlage verändert 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 Aktivität dieser Wellen häufig zu einer Abschnürung von Hoch- und Tiefdruckgebieten aus der atmosphärischen Hintergrundströmung führt. Von besonders hohem Schadenspotential sind darunter die sogenannten Vb-Wetterlagen. Sie verursachen besonders intensive Starkniederschläge 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. 

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 häufig im Einflussbereich von Vb-Zyklonen liegt, wird ein innovativer Ansatz zur Erfassung der Änderung des Energieinhaltes solcher starker Tiefdrucksysteme untersucht. Dieser Parameter ist für die Verbesserung der Prognose von Zugbahn- und Stärke dieser Systeme wichtig.  

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PD Dr. habil. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosphäre
Weßling
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VoCaS-ALP (vollständige Charakterisierung von dynamischen Prozessen über dem Alpenraum)

Zeitraum: 01. Mai 2016 – 30. September 2021

Ziel des Projektes VoCas-ALP ist die vollständige 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 Atmosphärenmodellen für diese orographisch komplexe Region.

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

Erstmalig soll eine Tomografie, d.h. eine dreidimensionale Abbildung von Schwerewellenstrukturen in der oberen Mesosphäre unter Verwendung simultaner stereoskopischer Messungen mit IR-Kameras von Oberpfaffenhofen und von Otlica aus mit hoher raum-zeitlicher Auflösung 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 vervollständigen den Datensatz.

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

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

AlpEn-DAC (Alpine Environmental Data Analysis Center)

Zeitraum:  01. August 2014 – 31. Juli 2022

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 Leistungsfähigkeit 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 ermöglicht, um die Untersuchung einer wissenschaftlichen Fragestellung mit dem bestmöglichen 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 grundsätzlich der Anschluss an das WMO-Informationssystem (WIS) hergestellt. Doppelarbeiten werden durch die Verfügbarkeit umfangreicher Datensätze vermieden; Forschungsarbeiten werden so effizienter.

Auch die Nutzung von Computermodellen und Analysewerkzeugen etwa zur Interpretation von Messungen gehört zum Portfolio dieses Konzeptes. Die enge Anbindung des Höchstleistungsrechenzentrums, LRZ, in Garching wird hier Maßstäbe 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 können. Das Ergebnis wird schließlich die Architektur einer mächtigen 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

Laut Internationaler Alpenschutz-kommission ist der Alpenraum doppelt so stark vom Klimawandel betroffen wie der globale Durchschnitt. Für Mensch, Natur und Wirtschaft bedeutet dies Veränderungen, die auch die Politik vor große Herausforderungen stellt. Ziel von AlpClimNet ist daher die Unterstützung der Politik im Rahmen ARGE-ALP zu Klimaschutzmaßnahmen 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 unabhängige modell- und satellitenbasierte Daten erweitert werden. AlpClimNet beabsichtigt die Beurteilung des Ist-Zustandes der Atmosphäre sowie eine Abschätzung von klimabedingten Zusammenhängen und Risiken.

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Thilo Erbertseder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosphäre
Weßling
Tel.: +49 8153 28-3665
Fax: +49 8153 28-1363

BioClis (Bio-klimatisches Informationssystem)

Zeitraum: November 2017 –     Dezember 2019   

Ziel ist die Entwicklung eines Bioklimatischen Informationssystems für Bayern. Es soll tagesaktuelle Information zum aggregierten Gesundheitsrisiko durch Luftschadstoffe und thermischen Stress liefern. Gefördert 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 Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko durch Umwelt- und Klimaparameter erlaubt. Die Förderung präventiver 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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Thilo Erbertseder
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosphäre
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JOSEFINA (Joint Bavarian Slovenian Endeavor for Innovative Air Quality Analysis)

Zeitraum: 2016 – 2019 

Ziel ist die erstmalige Erstellung einer flächendeckenden 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 Auflösung von besser als 5x5 km² vorliegen. Die Kartierung und Datenauswertung dient der Verbesserung der Luftqualitätsanalysen und mehrtägiger Prognosen für Bayern durch die synergistische Kombination von in-situ-Messungen des LÜB-Netzwerks mit regionaler Chemie-Transport-Modellierung.

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

Die Arbeiten beinhalten auch Vergleiche und Validierungen der Ergebnisse mit Hilfe des LÜB-Netzwerks sowie Daten der slowenischen Partner. Schließlich sollen Analysen der Variabilität und Trends der Luftschadstoffe PM (Partikel), NO2 und der Aerosol Optischen Dicke basierend auf Satellitendaten einen wesentlichen Beitrag zum verbesserten Verständnis der Luftverschmutzung und des Klimawandels in Bayern liefern.

LUDWIG (Länderübergreifende Untersuchung der Dynamik von atmosphärischen Wellen im Gebirge)

Zeitraum: 01.08.2014 – 30.09.2017

Ziel des Vorhabens LUDWIG ist es, mithilfe der Untersuchung von Schwerewellen im Alpenraum einen Beitrag zur Verbesserung von Klima-, Atmosphären- 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, Österreich 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 können oder regionale und zeitliche Unterschiede zu beachten sind. Eine optimale Parametrisierung in den Modellen ist nur möglich, 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.

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 grundsätzlich in den Schwerewellenparametern unterscheiden. Insbesondere wird eine Literaturstudie zu den Auswirkungen von Erdbeben, die in dieser Region häufiger vorkommen, auf die mittlere Atmosphäre (10 – 100 km) durchgeführt.

Eine zentrale Aufgabe des Projekts LUDWIG ist deswegen der Aufbau eines GRIPS-Systems im Sonnblick Observatorium in Österreich 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 möglichen Einbringung der Ergebnisse in Modelle und eine Literaturstudie hinsichtlich erdbebenbedingter Signale, die in der mittleren Atmosphäre beobachtet werden können.

Das DLR-DFD betreibt seit 2005 in der UFS routinemäßig 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 Vorverstärker 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 mögliche Ausfälle des Systems zu vermeiden und damit die Beteiligung in NDMC nicht zu beeinträchtigen, 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 räumliche Analyse von Wellenstrukturen erlaubt. Auf diese Weise wird eine vollständige Charakterisierung der Strukturfunktionen von Schwerewellen (räumlich und zeitlich) möglich.

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

Stürme gehören zu den weltweit schwerwiegendsten Naturgefahren. Für den Alpenraum und die nordöstlich angrenzenden Gebiete zählt besonders die so genannte „Vb-Lage“ (fünf b) zu den Sturmsystemen mit erheblichem Schadenspotential, da diese Wetterlagen häufig mit Starkniederschlägen verbunden sind. Während heute kurzfristige Vorhersagen und somit Warnungen mit einer Vorlaufzeit von etwa einem Tag verlässlich sind, erweisen sich mittelfristige Prognosen der Zugbahn von Vb-Tiefdruckgebieten als unsicher.

Um eine Verbesserung der Prognose der Sturmzugbahn, der Sturmintensität und Lebensdauer zu ermöglichen, sind insbesondere ständige Informationen über die Änderung des Energieinhaltes eines solchen Tiefdruckgebietes (Zyklon) erforderlich.
 

Zyklone strahlen aufgrund von Konvektionsströmungen und Rotation sowohl Schwere- als auch Infraschallwellen in die Atmosphäre ab. Physikalisch gesehen muss die Änderung des Energieinhaltes dieser abgestrahlten atmosphärischen Wellenfelder im Zusammenhang mit der Änderung 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 Änderung des Energieinhaltes (der so genannte „differentielle Energieinhalt“) eines Zyklons durch die Beobachtung vom Zyklon ständig abgestrahlter atmosphärischer Wellen erfasst werden kann.
 

Für die Untersuchung dieses Mechanismus wurde eine Vielzahl von Daten (meteorologische Daten, Radiosonden, Spektrometer, Satelliten) verwendet. Betrachtet wurden ausgeprägte 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 können sich von der Strato- bis in die Mesosphäre 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 Maß für die Aktivität eines Zyklons dar.

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PD Dr. habil. Sabine Wüst
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum, Atmosphäre
Weßling
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 Atmosphäre – auch bis in große Höhen – aus. Die Identifikation und Analyse solcher Signale in Zeitreihen von Atmosphärenparametern kann dabei helfen, Informationen über die Aktivität und die Stärke einer Infraschallquelle wie z.B. eines Sturmsystems zu erhalten.
 

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 anschließend bestimmt, ob der von einem Sturmsystem ausgesandte Infraschall gegebene Messstandorte erreicht. Eine entsprechende Ereignisliste wird generiert und ausgegeben.
 

Um die rechenaufwändige 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 können auch aktuelle Großrechnerarchitekturen genutzt werden. Die Parallelisierung konnte erfolgreich umgesetzt werden und hilft erheblich dabei, das oben genannte Verfahren zu beschleunigen.