Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Feuchte-Transport aus der atmosphärischen Grenzschicht

Betreuer: Stephan Pfahl, Svetlana Botsyun

Beschreibung: Mischung von Wasserdampf zwischen der atmosphärischen Grenzschicht und der freien Atmosphäre ist ein wichtiger Prozess im Zusammenhang mit der Bildung von Wolken und Niederschlag, ist aber schwierig zu quantifizieren. In dieser Arbeit sollen solche Mischungsprozesse auf der globalen Skala mit Hilfe von Modell-Simulationen und numerischen Tracern (siehe Winschall et al., 2012) abgeschätzt werden. Außerdem werden Wettersysteme identifiziert, die zu intensiver Mischung führen.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse an numerischer Modellierung und Programmierung in Fortran sowie einer Skriptsprache (R, Python).

Literatur:

• Boutle, I.A., Belcher, S.E. and Plant, R.S. (2011): Moisture transport in midlatitude cyclones. Q. J. R. Meteorol. Soc. 137, 360-373, https://doi.org/10.1002/qj.783.

• Winschall, A., Pfahl, S. Sodemann, H. and Wernli, H. (2012): Impact of North Atlantic evaporation hot spots on southern Alpine heavy precipitation events. Q. J. R. Meteorol. Soc. 138, 1245-1258, https://doi.org/10.1002/qj.987.

Analyse der Unsicherheiten bei der Berechnung von Trajektorien

Betreuer: Ingo Kirchner, Stephan Pfahl

Beschreibung: Die offline Berechnung von Trajektorien beruht auf einem vorliegenden Stroemungsfeld. Die raeumliche und zeitliche Aufloesung dieses Stroemungsfeldes verursacht Unsicherheiten. Zur objektiven Abschaetzung dieser Fehler soll auf der Grundlage der ERA5 Daten untersucht werden, welchen Einfluss die zeitliche und raeumliche Aufloesung des Stroemungsfeldes auf den Verlauf der Trajektorien haben. Dabei werden folgende Nebenbedingungen betrachtet:
- Wetterlage
- Region
- Hoehenschicht
- Laufzeit
Die Untersuchung soll sich auf typische Wetterlagen fuer Europa im Zeitraum 1979 bis 2019 beziehen. Zur Beurteilung des Fehlers wird der raeumliche Abstand der Trajektorien bei gleicher Laufzeit herangezogen. Verglichen werden Trajektorien, die zeitgleich an den gleichen Raumpunkten ansetzen, jedoch unterschiedlich aufgeloeste Stroemungsfelder verwenden. Zur Berechung der Trajektorien wird LAGRANTO benutzt.

Literatur:

• Sprenger, M. and Wernli, H. (2015): The LAGRANTO Lagrangian analysis tool - version 2.0, Geosci. Model Dev., 8, 2569–2586, doi:10.5194/gmd-8-2569-2015.

• Wernli, H. and Davies, H. C. (1997): A Lagrangian-based analysis of extratropical cyclones. I: The method and some applications. Q. J. R. Meteorol. Soc., 123, 467–489. doi:10.1002/qj.49712353811.

• Objektive Wetterlagenklassen nach P. Bissolli: https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimastatusbericht/publikationen/ksb2003_pdf/06g_2003.html

Abschätzung der "precipitation efficiency" aus Reanalyse-Daten

Betreuer: Stephan Pfahl

Beschreibung:Die "precipitation efficiency" beschreibt das Verhältnis aus in der Atmosphäre kondensierendem Wasser (Wolkenbildung) und Niederschlag am Boden. Sie hängt von einer Reihe von mikrophysikalischen Prozessen ab (Tropfenwachstum, Verdunstung von Niederschlag unterhalb der Wolke, ...). Eine genaue Bestimmung der precipitation efficiency ist wichtig, um z.B. Auswirkungen der Klimaerwärmung auf den Wasserkreislauf besser zu verstehen. In dieser Arbeit soll diese Größe mit Hilfe von Reanalyse-Daten abgeschätzt werden, wobei ein theoretischer Ansatz zur Berechnung der Kondensationsrate aus Wind und Temperatur (nach Pfahl et al., 2017) verwendet wird.

Voraussetzungen: Voraussetzungen für diese Arbeit sind Interesse am atmosphärischen Wasserkreislauf sowie Grundkenntnisse in der Skriptsprache R.

Literatur: 

• Li, R.L., Studholme, J.H.P., Fedorov, A.V. and Storelvmo, T. (2022): Precipitation efficiency constraint on climate change. Nature Clim. Change 12, 642-648, https://doi.org/10.1038/s41558-022-01400-x.

• Pfahl, S., O’Gorman, P.A. and Fischer, E.M. (2017): Understanding the regional pattern of projected future changes in extreme precipitation. Nature Clim Change 7, 423-427, https://doi.org/10.1038/nclimate3287.

Effects of sea surface temperature change on the global distribution of stable water isotopes

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Stable hydrogen and oxygen isotopes in water vapor (δDv, δ¹⁸Ov) and precipitation (δDp, δ¹⁸Op) are widely used as tracers to improve our understanding of the hydrologic cycle on various time scales, from hourly variations to changes over millions of years (Botsyun et al., 2019; Pfahl and Wernli, 2008). Isotope fractionation is strongly dependent on temperature (Gat, 1996). Moreover, global atmospheric dynamics affecting stable water isotopes (Botsyun et al., 2016) is largely controlled by surface temperature. In this study, we aim to isolate the effects of sea surface temperature (SST) change (both increase and decrease) on stable water isotopes. Preliminary results show that the magnitude of isotopic change for the case of a 5°C decreased SST is > 8‰ and is most pronounced over continents, particularly over mountainous regions.

Vorgehen: In this work, we will first analyze the completed model simulations. Two sensitivity experiments are performed with a high-resolution (∼0.75°) isotope-enabled general circulation model (ECHAM5-wiso). In these simulations, the SST is changed (increased and decreased) by 5°C. All other boundary conditions are kept as pre-industrial (year 1850). In the first step, student will be asked to analyze the global climate and associated isotope changes caused by the shift in SST. In the second step (or at M. Sc. level), additional ECHAM5-wiso experiments will be designed to test the impact of model resolution on the SST-isotope link.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in stable water isotopes and paleoclimate, and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret) would be helpful, but can be acquired/improved during the project.

Literatur:

• Botsyun, S., Sepulchre, P., Risi, C. and Donnadieu, Y.: Impacts of Tibetan Plateau uplift on atmospheric dynamics and associated precipitation δ18O, Clim. Past, 12(6), 1401–1420, doi:10.5194/cp-12-1401-2016, 2016.
• Botsyun, S., Sepulchre, P., Donnadieu, Y., Risi, C., Licht, A. and Caves Rugenstein, J. K.: Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene, Science (80-. )., 363(6430), eaaq1436, doi:10.1126/science.aaq1436, 2019.
• Gat, J. R.: Oxygen and hydrogen isotopes in the hydrologic cycle, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 24(1), 225–262, 1996.
• Pfahl, S. and Wernli, H.: Air parcel trajectory analysis of stable isotopes in water vapor in the eastern Mediterranean, J. Geophys. Res. Atmos., 113(20), 1–16, doi:10.1029/2008JD009839, 2008.

Circumglobal teleconnection pattern in warm and cold climate

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Large-scale atmospheric circulation in the extratropics fluctuates in its own dynamics, involving nonlinear interaction among eddies with various horizontal scales and a wide range of time scales. The circumglobal teleconnection (CGT) is a major teleconnection pattern in the northern hemisphere in boreal summer and is characterized by several geographically-anchored action centers along the upper-tropospheric westerly jet stream (Ding and Wang, 2005). Alternative names for the CGT also exists in literature, such as the “Silk Road pattern”, “European wave train” for the Eurasian segments, and the “Tokyo–Chicago express” for the Pacific segment. The CGT has important impacts on the mid-latitude temperature, precipitation, and extreme weather (Bothe et al., 2011). In addition, the CGT is closely related to the monsoonal circulation in the tropics (Saeed et al., 2011). For example, there is a chain of interactions between the CGT and the Indian monsoon rainfall variability: one interaction involves the wave train that develops over the North Atlantic and modulates the monsoon rainfall activity, and another interaction involves anomalous monsoon heating influencing the downstream development of the CGT (Ding and Wang, 2005). For the paleo case, the changes in CGT under different climatic forcings, its connection to the Asian monsoons, and its impact on surface climate are not clear. In this project, we suggest exploring changes in CGT for the Pliocene (3 Ma) and the Last Glacial Maximum (LGM, 21 ka) compared to pre-industrial. The Pliocene is considered as a past analogue of future warm climate (Haywood et al., 2016) and the LGM is an example of a colder-than-present climate (Braconnot et al., 2007). Possible research questions:

1. How do slowly varying components of the climate, such as sea surface temperature (SST), greenhouse gas concentrations, ice sheets, etc. affect large-scale circulation variability and the westerly jet stream?
2. How do changes in the North Atlantic pressure gradient affect the CGT?
3. What is the relationship between the surface climate in Asia and the GCT in warm and cold climates?

Vorgehen: We propose to investigate changes in CGT using General Circulation model (GCM) ECHAM5 experiments with boundary conditions for pre-industrial (year 1850), the Pliocene (~3 Ma), and the Last Glacial Maximum (LGM, ~21 ka). Emphasis is on analyzing completed model simulations rather than creating new model runs. Student will be asked to analyze climatological midlatitude circulation in the Northern Hemisphere based on, for example, high-level geopotential height and winds anomalies. For MSc thesis, a temporal variation of the Northern Hemisphere pressure systems will be studied using the empirical orthogonal function (EOF) analysis.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in global atmospheric circulation and paleoclimate and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret, ncl) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

• Bothe, O., Fraedrich, K. and Zhu, X.: Large-scale circulations and Tibetan Plateau summer drought and wetness in a high-resolution climate model, Int. J. Climatol., 31(6), 832–846, doi:10.1002/joc.2124, 2011.

• Braconnot, P., Otto-Bliesner, B., Harrison, S., Joussaume, S., Peterchmitt, J.-Y. J.-Y., Abe-Ouchi, A., Crucifix, M., Driesschaert, E., Fichefet, T., Hewitt, C. D. and others: Results of PMIP2 coupled simulations of the Mid-Holocene and Last Glacial Maximum–Part 1: experiments and large-scale features, Clim. Past, 3(2), 261–277 [online] Available from: http://www.clim-past.net/3/279/2007/cp-3-279-2007-relations.html, 2007.

• Ding, Q. and Wang, B.: Circumglobal teleconnection in the Northern Hemisphere summer, J. Clim., 18(17), 3483–3505, 2005.

• Haywood, A. M., Dowsett, H. J., Dolan, A. M., Rowley, D., Abe-Ouchi, A., Otto-Bliesner, B., Chandler, M. A., Hunter, S. J., Lunt, D. J. and Pound, M.: The Pliocene model intercomparison project (PlioMIP) phase 2: scientific objectives and experimental design, Clim. Past, 12(3), 663–675, 2016.

• Saeed, S., Müller, W. A., Hagemann, S. and Jacob, D.: Circumglobal wave train and the summer monsoon over northwestern India and Pakistan: The explicit role of the surface heat low, Clim. Dyn., 37(5), 1045–1060, doi:10.1007/s00382-010-0888-x, 2011.

Effects of uplift of the Tian Shan Mountains on Asian climate and stable water isotopes in precipitation

Betreuer: Svetlana Botsyun, Stephan Pfahl

Beschreibung: Stable hydrogen and oxygen isotopes in water vapour and precipitation are widely used as tracers to improve our understanding of the hydrological cycle on a variety of time scales, from hourly variations to changes over millions of years (Botsyun et al., 2019; Pfahl and Wernli, 2008). Stable water isotope proxy data (e.g., lake carbonates in which paleoprecipiation isotope values are preserved) are commonly used for paleoclimate reconstructions. However, mountain uplift affects both the climate and the preserved isotope signal (Botsyun et al., 2016, 2019). Therefore, reconstructing the influence of mountain elevation on stable water isotopes is critical for proper interpretation of paleoclimate data. Interactions between mid-latitude westerlies and the Tian Shan Mountains significantly impact climate patterns in Asia today (Sha et al., 2018) and Tian Shan uplift is hypothesised to play an important role in driving Asian climate change since the last ~ 30 Ma (Wang et al., 2020). Presently, Central Asia receives recycled, enriched with heavy isotopes moisture that has been mainly transported across Eurasia by the westerlies (Caves et al., 2015), but for the time when the Tian Shan Mountains were lower, the isotopic signature across the region remains enigmatic. Our preliminary analysis shows that Tian Shan uplift impact westerly and monsoon circulation in the region that results in precipitation and precipitation δ¹⁸O changes

Vorgehen: This work will focus on analysing completed model simulations rather than creating new model runs. We propose using a high-resolution (∼0.75°) isotope-enabled general circulation model (ECHAM5-wiso). Experiments are conducted with boundary conditions for the pre-industrial (year 1850) and varied elevation of Tian Shan. Student will be asked to analyse climatological mid-latitude circulation change and associated surface hydroclimate change. For the M.Sc. – Lagrangian analysis tool “LAGRANTO'' (Sprenger and Wernli, 2015) will be applies to trace moisture trajectories changes for various Tian Shan elevation scenarios.

Voraussetzungen: Requirements for this project are an interest in stable water isotopes and paleoclimate, and a willingness to communicate in English (one of the supervisors is not a German speaker). Nevertheless, the final report can be written in German. Experience with scripting languages (Python, Ferret) would be helpful, but can be acquired during the project.

Literatur:

• Botsyun, S., Sepulchre, P., Risi, C. and Donnadieu, Y.: Impacts of Tibetan Plateau uplift on atmospheric dynamics and associated precipitation δ18O, Clim. Past, 12(6), 1401–1420, doi:10.5194/cp-12-1401-2016, 2016.
• Botsyun, S., Sepulchre, P., Donnadieu, Y., Risi, C., Licht, A. and Caves Rugenstein, J. K.: Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene, Science (80-. )., 363(6430), eaaq1436, doi:10.1126/science.aaq1436, 2019.
• Caves, J. K., Winnick, M. J., Graham, S. A., Sjostrom, D. J., Mulch, A. and Chamberlain, C. P.: Role of the westerlies in Central Asia climate over the Cenozoic, Earth Planet. Sci. Lett., 428, 33–43, 2015.
• Pfahl, S. and Wernli, H.: Air parcel trajectory analysis of stable isotopes in water vapor in the eastern Mediterranean, J. Geophys. Res. Atmos., 113(20), 1–16, doi:10.1029/2008JD009839, 2008.
• Sha, Y., Shi, Z., Liu, X., An, Z., Li, X. and Chang, H.: Role of the Tian Shan Mountains and Pamir Plateau in increasing spatiotemporal differentiation of precipitation over interior Asia, J. Clim., 31(19), 8141–8162, 2018.
• Sprenger, M. and Wernli, H.: The LAGRANTO Lagrangian analysis tool–version 2.0, Geosci. Model Dev., 8(8), 2569–2586, 2015.
• Wang, X., Carrapa, B., Sun, Y., Dettman, D. L., Chapman, J. B., Caves Rugenstein, J. K., Clementz, M. T., DeCelles, P. G., Wang, M., Chen, J., Quade, J., Wang, F., Li, Z., Oimuhammadzoda, I., Gadoev, M., Lohmann, G., Zhang, X. and Chen, F.: The role of the westerlies and orography in Asian hydroclimate since the late Oligocene, Geology, 48(7), 728–732, doi:10.1130/G47400.1, 2020.

Attribution of discharge trends in the Rhine basin over the past decades to anthropogenic climate changes using a weather generator and hydrological modelling.

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Dr. Sergiy Vorogushyn (GFZ Potsdam) 

Beschreibung: The aim of the Master Thesis project is to carry out the attribution analysis of past changes in flood flows in the Rhine basin. The work will build upon the previous works of Murawski et al. (2016), who developed an optimal weather pattern classification with focus on the Rhine basin. They additionally compiled a set of General Circulation Models (GCM) representing the state of the atmosphere with and without anthropogenic greenhouse gas emission. Further, Murawski et al. (2018) investigated to which degree the changes between weather patterns (between-type variability) and within weather patterns (within-type variability) can explain observed trends in climate variables at weather stations in the Rhine basin. This analysis is the prerequisite of using the proposed weather pattern classification for conditioning of a multi-site, multi-variable weather generator (Hundecha et al., 2009). 

Grundlagen: Two sets of daily output discharge series (resulting from the anthropogenically influenced and natural climate) will be analysed for their statistical properties. Finally, the uncertainty associated with attribution statement regarding the anthropogenic impact on flood flows will be assessed.

Vorraussetzungen: Basic knowledge of meteorology/climatology as well as understanding of principal hydrological flood processes and of hydrological modelling. Strong statistical and programming skills (FORTRAN, R/MATLAB) are expected. We encourage a master thesis written in English with potential further publication of results in a scientific journal (not part of the master project).

Wie ändert sich der Niederschlag im Klimawandel?

Beschreibung: Im Gegensatz zur Temperatur, ist die Änderung des Niederschlags mit dem Klimawandel nicht so leicht zu beschreiben. Wir sprechen einerseits über eine größere Wahrscheinlichkeit für Dürre, andererseits über mehr Starkniederschläge. In dieser Arbeit sollen die Änderungen der Auftrittswahrscheinlichkeit/Häufigkeit von Niederschlagsereignissen verschiedener Stärke gemessen an Stationsdaten mittels logistischen Modellen untersucht werden. Lassen sich verschiedene Tendenzen für verschiedene Stärken finden und quantifizieren?

Grundlagen: Frei verfügbare Niederschlagsdatensätze vom DWD, von der FU und ggf. anderen Quellen.

Voraussetzungen: Kenntnisse in statistischer Modellierung mit R. Lust auf Statistik mit Niederschlagsdaten.

Veränderung des Einflusses von atmosphärischen Blockierungslagen auf die Variabilität von Temperaturextremen

Betreuung: Henning Rust, Andy Richling

Beschreibung: Persistente und stationäre atmosphärische Blockierungslagen ("Blockings") sind von großer Bedeutung für die Entstehung von Temperaturextremen in Europa. Hierbei spielen für Hitze- und Kältewellen vor allem die Lage des Blockings sowie die damit einhergehenden Prozesse eine wichtige Rolle. So begünstigen im Sommer vor allem mit Blocking verbundene Strahlungsprozesse sowie Absinkvorgänge die Entstehung von hohen Temperaturen, während im Winter die andauernde Advektion von kalten Luftmassen aus arktischen bzw. sibirischen Regionen kalte Temperaturextreme begünstigt. Aufgrund dieser unterschiedlichen Prozesse kann es in den Herbst- und Frühjahrsmonaten aufgrund des Überganges beider Prozesse zu starken Variabilitäten der Temperaturextreme kommen. Insbesondere im Agrarbereich kann dies u.a. aufgrund von damit verbundenen Früh- bzw. Spätfrösten zu Problemen führen. Im Kontext eines sich verändernden Klimas sollen in dieser Arbeit daher der Einfluss von atmosphärischen Blockierungslagen auf die saisonale Variabilität von Temperaturextremen (insbesondere mit Fokus auf den Herbst und das Frühjahr) sowie deren langzeitliche Veränderung mithilfe von statistischen Modellen identifiziert und ausgewertet werden.

Grundlagen: Reanalysedaten, Beobachtungsdaten

Voraussetzung: Kenntnisse in R bzw. einer anderen Software zum statistischen Auswerten von Zeitreihen. Für die Interpretation der resultierenden Zusammmenhänge und Ergebnisse sind synoptische, sowie allgemeine meteorologische Kenntnisse von Vorteil.

Literatur: Pfahl, S.: Characterising the relationship between weather extremes in Europe and synoptic circulation features, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 14, 1461–1475, https://doi.org/10.5194/nhess-14-1461-2014, 2014.

Atmosphärischer Transport von Mineralstaub in den hohen Breiten

Betreuung: Kerstin Schepanski

Beschreibung: Die Auswirkungen von Mineralstaub auf die polare und subpolare Umwelt sind vielfältig, und trotz neuerer Forschungen ist das Wissen über Staubquellen in den hohen Breiten begrenzt. Im Rahmen des Projektes HiLDA konnten wir von 2020 bis 2022 Daten zu lokalen Staubkonzentrationen an verschiedenen Standorten in Island sowie Faröer, Jan-Mayen, Norwegen und Spitzbergen sammeln (https://gomera.geo.tu-darmstadt.de/wordpress/). Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen die Daten hinsichtlich der Fragestellung des atmosphärischen Transports ausgewertet werden.

Grundlagen: Stationsdaten für Niederschlag, ggf. Reanalysedaten 

Vorraussetzungen: Interesse an interdisziplinärem Arbeiten, Lust auf das Thema und Grundkenntnis im Programmieren mit Python (R geht auch).

Bemerkung: Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Konrad Kandler, TU Darmstadt

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einer Masterarbeit in der AG Strahlung und Fernerkundung kontaktieren Sie bitte Frau Prof. Dr. Kerstin Schepanski (kerstin.schepanski@fu-berlin.de).

Identifizierung und Verfolgung konvektiver Strukturen in Reanalysedaten mit Hilfe visueller Datenanalyse Beschreibung 

Betreuung: Dr. Annette Müller, Prof. Dr. Henning Rust

Beschreibung: Ziel dieser Arbeit ist es, mithilfe der COSMO-REA2 Daten konvektive Bewegungen zu identifizeren und zu tracken. Als Variable soll dabei der vertikalen Massefluss dienen. Mittelse der 3D Visualisierungssoftware AMIRA und in Zusammenarbeit mit dem Zuse-Institut Berlin sollen Bereiche konvektiver Aktivität identifiziert und verfolgt werden. Die Eigenschaften der so identifizierten Ereignisse werden registriert und mittels statistischer Modelle weiter untersucht.

Grundlagen: Bereitstellung der COSMO-REA2 Daten, AMIRA-Software

Voraussetzungen: Kenntnisse in Python und/oder R und Statistik, Freude am Einarbeiten in 3D Analyse-tools und die Software AMIRA

Analyse der langfristige Entwicklung der Steigerung von Schadstoffkonzentrationen in europäischen Städten

Betereuer: Prof. Tim Butler

Beschreibung: Laut Emissionskataster der Europäischen Union sinken Emissionen von Luftschadstoffen, darunter NO_x(Stickoxide). Messungen von NO₂ innerhalb Berlin und anderen europäischen Städten zeigen aber oft keine entsprechende Senkung der Konzentrationen. Messungen werden am Straßenrand, im sogenannten urbanen Hintergrund, und auch in ländlichen Gebieten regelmäßig durchgeführt. Durch Analyse der Verhältnisse zwischen ländlich/urban und urban/Straße Messungen von verschiedenen Schadstoffen, kann eine Schätzung der langfristigen Emissionen gemacht werden.

Datengrundlage: Messungen aus der Luftdatenbank „Airbase“ sind vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Skriptsprache (z.B. R, Python, Perl).

Entwicklung eines Schadstoffemissionsmodell auf Basis meteorologischer Daten

Betereuer: Prof. Martijn Schaap oder Prof. Tim Butler

Beschreibung: Die Variabilität von Schadstoffkonzentrationen wird bedingt durch Emissionsstarke und meteorologischen Bedingungen. Leider wird in die Vorhersage der Luftqualität der Einfluss meteorologischer Parameter auf Emissionen oft vernachlässigt. Das Ziel dieser Arbeit ist Parametrisierungen zu Entwickeln für Quellen die stark durch die Wetterbedingungen geprägt werden. Relevante Quellen und Komponente sind Streusalz, Aufwirbelung, VOC emissionen, agrarisch bedingte Staubemissionen, unz.

Datengrundlage: Ein Emissionsmodell das als Basis dient ist vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Programmiersprache oder Skriptsprache (z.B. Fortran, Python, Perl).

Entwicklung eines Emissionsmodell für natürliche Schwefelkomponente

Betereuer: Prof. Martijn Schaap

Beschreibung: Die Variabilität von Schadstoffkonzentrationen wird bedingt durch Emissionsstarke und meteorologischen Bedingungen. Leider wird in die Vorhersage der Luftqualität der Einfluss meteorologischer Parameter auf Emissionen oft vernachlässigt. Das Ziel dieser Arbeit ist eine neue Parametrisierung für marine DMS Emissionen an zu wenden in LOTOS-EUROS. Dazu sollte ein Emissionsmodul entwickelt werden auf Basis der Literatur.

Datengrundlage: Ein Emissionsmodell das als Basis dient ist vorhanden.

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität; Grundkenntnisse in einer Programmiersprache oder Skriptsprache (z.B. Fortran, Python, Perl).

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Betereuer: Prof. Tim Butler (tim.butler@iass-potsdam.de) oder Prof. Martijn Schaap (martijn.schaap@met.fu-berlin.de)

Beschreibung: Analyse von Luftqualitätsdaten aus Beobachtungen und/oder Modellrechnungen; Modellanwendung; Modellentwicklung und Testen .

Vorkenntnisse: Interesse am Thema Luftqualität. Gute Erfahrung mit mehreren Programmiersprachen.

Bemerkung: Hoch motiviert sein sowie wissenschaftliche Neugier und Interesse am Verständnis von Prozessen der Luftqualität.

Attribution of discharge trends in the Rhine basin over the past decades to anthropogenic climate changes using a weather generator and hydrological modelling.

Betreuung: Prof. Dr. Henning Rust, Dr. Sergiy Vorogushyn (GFZ Potsdam) 

Beschreibung: The aim of the Master Thesis project is to carry out the attribution analysis of past changes in flood flows in the Rhine basin. The work will build upon the previous works of Murawski et al. (2016), who developed an optimal weather pattern classification with focus on the Rhine basin. They additionally compiled a set of General Circulation Models (GCM) representing the state of the atmosphere with and without anthropogenic greenhouse gas emission. Further, Murawski et al. (2018) investigated to which degree the changes between weather patterns (between-type variability) and within weather patterns (within-type variability) can explain observed trends in climate variables at weather stations in the Rhine basin. This analysis is the prerequisite of using the proposed weather pattern classification for conditioning of a multi-site, multi-variable weather generator (Hundecha et al., 2009). 

Grundlagen: Two sets of daily output discharge series (resulting from the anthropogenically influenced and natural climate) will be analysed for their statistical properties. Finally, the uncertainty associated with attribution statement regarding the anthropogenic impact on flood flows will be assessed.

Vorraussetzungen: Basic knowledge of meteorology/climatology as well as understanding of principal hydrological flood processes and of hydrological modelling. Strong statistical and programming skills (FORTRAN, R/MATLAB) are expected. We encourage a master thesis written in English with potential further publication of results in a scientific journal (not part of the master project).

Monsunabhängigkeit induzierter Magnetfelder im Bereich des Indischen Ozeans

Betreuer: J. Saynisch-Wagner, C. Irrgang, M. Thomas

Beschreibung: Die Bewegungen großer leitfähiger Wassermassen durch das Erdmagnetfeld induzieren ozeanische Magnetfelder. Diese elektromagnetischen Signale sind zudem abhängig von Transport, Salzgehalt und Temperatur und ermöglichen damit eine interessante zusätzliche Beobachtungsquelle. Die kleine Amplitude der ozeanischen Signale und die Superposition mit anderen Magnetfeldern erschweren jedoch die Beobachtung. Für eine mögliche Separation ist eine gute Kenntnis des zeitlichen Verhaltens der ozeanisch induzierten Magnetfelder notwendig. Ziel dieser Arbeit ist daher eine Analyse zum besseren Verständnis der Zusammenhänge ozeanischer Magnetfelder im Bereich des Indischen Ozeans. Anhand verschiedenartiger Modelldaten können diese Magnetfelder simuliert und untersucht werden und anschließend im Hinblick auf zeitliche Oszillationen im Zusammenhang mit dem Monsun oder Sensitivitäten gegenüber der Temperatur und Salzgehalt weiter analysiert werden. 

Das Projekt ermöglicht Einblicke in unterschiedliche wissenschaftliche Bereiche durch das Arbeiten mit Daten aus der Ozeanmodellierung, das Simulieren elektrodynamischer Prozesse, und das Auswerten mittels statistischer Methoden. 

Voraussetzung: Interesse an Grundlagen sowie interdisziplinären und offenen Fragestellungen 

Von Vorteil: Gute Kenntnisse in Programmiersprachen wie Python und/oder R 

Generatives maschinelles Lernen in der Erdsystem-Modellierung

Betreuer: C. Irrgang, J. Saynisch-Wagner, M. Thomas

Beschreibung: Generative neuronale Netzwerke, wie z.B. GANs (Generative Adversarial Networks [1]), bieten spannende neue Möglichkeiten zur Datenerzeugung. So können etwa GANs gelernte Muster und Strukturen dynamisch miteinander kombinieren und beispielsweise detaillierte Bilder von Gesichtern erzeugen, ohne diese vorher „gesehen" zu haben [2]. Für die Erdsystem-Modellierung bietet diese Technologie ebenfalls hohes Anwendungspotential zur Erweiterung und Ergänzung klassischer numerischer Modelle von geophysikalischen und klima-relevanten Prozessen [3]. In dieser Masterarbeit soll die Nutzung von GANs im Hinblick auf (geo)physikalische Konsistenz untersucht werden. Zwei zentralen Fragen sind: (1) Wie können wir die bekannten Konzepte aus der KI-basierten Bildverarbeitung und -erzeugung in den Kontext der Erdsystem-Modellierung übertragen? (2) Wie könnten wir generative Netzwerke für die Analyse und Vorhersage geophysikalischer Prozesse verwenden und dabei sicherstellen, dass sie physikalische Rahmenbedingungen wie Erhaltungsgrößen nicht verletzen? Zur Beantwortung dieser Fragen sollen in der Masterarbeit einfache GANs konstruiert, mit vorhandenen Modelldaten trainiert und analysiert werden.

Voraussetzung: Interesse und Spaß an der Entwicklung kreativer Ideen im Hinblick auf die Integration von künstlicher Intelligenz in die Erdsystem-Modellierung

Von Vorteil: Kenntnisse in statistischen Skript- und Programmiersprachen (R, Python, o.ä.) sind notwendig. Grundkenntnisse über künstliche neuronale Netzwerke, typische Datenformate in der numerischen Modellierung (NetCDF, etc.) und Linux sind von Vorteil.

Literatur:

• Goodfellow et al. (2014), Generative Adversarial Networks (https://arxiv.org/abs/1406.2661)
• https://thispersondoesnotexist.com
• Irrgang et al. (2021), Will Artificial Intelligence supersede Earth System and Climate Models? (https://arxiv.org/abs/2101.09126)

Thema auf Anfrage im gemeinsamen Gespräch

Bei Interesse an einem Masterarbeitsthema am GFZ wendens Sie sich bitte an Herrn Prof. Maik Thomas (mthomas@gfz-potsdam.de)

Charakterisierung der Nahfeldeigenschaften der im DWD-Messnetz eingesetzten Ceilometer

Betreuer: Dr. Ulrich Görsdorf (MOL-RAO, DWD – Sachgebiet „Fernmessung“) / Dr. Ina Mattis (MOHp, DWD), Zweitbetreuer NN (FUB)

Beschreibung: Ceilometer werden im meteorologischen Messnetz des DWD zur Ableitung  der Wolkenbasis und  von Aerosolprofilen eingesetzt. Die Güte dieser atmosphärischen Messgrößen hängt unter anderem  von den Nahfeldeigenschaften der Ceilometer ab. Durch statistische Analyse der von Ceilometern gemessenen Aerosolprofile an Strahlungstagen sind die Nahfeldeigenschaften von Ceilometern und  deren Variabilität zu charakterisieren.

Grundlagen: Datengrundlage sind die im NetCDF-Format vorliegenden Messungen der im DWD-Netz eingesetzten Ceilometer. Die Methode zur Bestimmung der Nahfeldeigenschaften ist in Hervo et al: An empirical method to correct for temperature-dependent variations in the overlap function of CHM15k ceilometers (www.atmos-meas-tech.net/9/2947/2016/) beschrieben.

Voraussetzungen: Programmierkenntnisse / Fähigkeit zum Umgang mit Software zur Bearbeitung größerer Datenmengen 

Erfassung eines Algorthmus um den Bedeckungsgrad der Wolken mit All-Sky Kameras zu berechnen

Betreuer: Dr. Lionel Doppler & Dr. Stefan Wacker (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB)

Beschreibung: Die verschiedenen Kameras zur Verfügung sind: Ein Mobotix RGB Kamera, eine 6-Wellenlänge Strahldichtkamera in Sichtbar Cimel CE351 "Cam Lum"´, und ein thermal IR Breitbandkamera PMOD-WRC "IRCCAM". Der Algorithmus wird die Daten (RGB Bilder, Strahldichten oder Brightness Temperature) von einer oder mehreren der obengenannten Kameras prozessieren. Für jedes Himmelbild werden die Pixels als "Bewölkt" oder "nicht bewölkt" kennzeichnet. Zum Schluss wird der Bedeckungsgrad berechnet. Der Algorithmus wird geprüft beim Vergleichen der Ergebnisse mit den Ergebnissen anderer Messmethoden (Beobachtungen, Ceilometerprodukt, Ergebnisse der Algorithmen anderer Kameras).

Grundlagen: Daten der drei obergenannten All-Sky Kameras die am Observatorium Lindenberg betrieben werden.

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Programmiersprachen zur Daten- und Bildanalyse und -bearbeitung, Grundkenntnisse zur Strahlung in der Atmosphäre

Untersuchungen zur Böigkeit des Windes in der konvektiven Grenzschicht

Betreuer: Dr. Frank Beyrich / M.Sc C. Detring (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB) 

Beschreibung: Am MOL-RAO wurden Methoden zur Ableitung von Windböen aus zeitlich hoch aufgelösten Sonic- und Doppler-Lidar-Messungen implementiert. Erste Auswertungen fokussierten sich auf „klassische“ markante Windböen mit Vmax  12.5 m/s und (Vmax-Vmean)  5 m/s. Mit diesen Kriterien werden bestimmte Phänomene der Böigkeit des Windes (z.B. in der konvektivem Grenzschicht im Tagesgang) nicht erfasst. Im Rahmen der Arbeit soll auf der Basis von Sonic- und Doppler-Lidarmessungen in hoher zeitlicher Auflösung die Böigkeit des Windes in der konvektiven Grenzschicht untersucht und dabei u.a. die Abhängigkeit des Böenfaktors von den meteorologischen Bedingungen und seine Änderungen mit der Höhe untersucht werden 

Grundlagen: Rohdaten von Sonic- und Doppler-Lidar-Messungen für ausgewählte Fälle

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur wissenschaftlichen Datenanalyse und –bearbeitung für umfangreichere Datensätze

Abschätzung regional repräsentativer turbulenter Wärmeflüsse auf der Basis von Budget-Betrachtungen für Datensätze aus dem LITFASS-2003 Experiment

Betreuer: Dr. Frank Beyrich (MOL-RAO, DWD) / Zweitbetreuer NN (FUB) 

Beschreibung: Budget-Methoden erlauben unter bestimmten Annahmen die Abschätzung regional repräsentativer Wärmeflüsse in der konvektiv durchmischten Grenzschicht aus Datensätzen zur Entwicklung von deren Struktur und vertikaler Mächtigkeit (mittlere Temperatur und Feuchte in der Mischungsschicht, Mischungsschichthöhe). Für das LITFASS-2003 Experiment liegen derartige Datensätze aus Radiosonden-, RASS- und Lidar-Messungen mit relativ hoher zeitlicher Auflösung vor. Es soll auf der Basis von Fallstudien (Anzahl ca. 4-8) versucht werden, aus diesen Messungen die mittleren turbulenten Wärmeflüsse abzuschätzen, die Ergebnisse sind mit unabhängig aus mikrometeorologischen Boden-, Scintillometer- und Flugzeugmessungen erhaltenen Werten zu vergleichen

Grundlagen: Experimentdatensatz LITFASS-2003 

Voraussetzungen: Fähigkeit zum Umgang mit Software zur wissenschaftlichen Datenanalyse und –bearbeitung