Ein Vergleich zwischen dem neuen hochaufgelösten HYRAS-Globalstrahlungsdatensatz (1951-2015) und weiteren Referenzdatensätzen für Deutschland und angrenzende Flusseinzugsgebiete

<p>Die durch den Deutschen Wetterdienst (DWD) entwickelten Hydrometeorologischen Rasterdatensätze (HYRAS), mit den bisher bereits zur Verfügung stehenden Variablen Niederschlag, Temperatur und relative Feuchte, wurden zuletzt im Rahmen des Expertennetzwerks des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) um die Variable Globalstrahlung ergänzt. Zur Erstellung der Rasterdatensätze werden tägliche Stationsmessungen der entsprechenden Variablen auf ein 5km x 5km Gitter interpoliert. Aktuell liegen die HYRAS-Daten für den Zeitraum von 1951-2015 vor und liefern klar definierte Referenzzustände für Deutschland und die angrenzenden Flusseinzugsgebiete.<br />Für die Arbeiten im Themenfeld 1 des BMVI-Expertennetzwerkes „Verkehr und Infrastruktur an Klimawandel und extreme Wetterereignisse anpassen“ stellt die Globalstrahlung eine wichtige Größe für die Berechnung der Verdunstung im Wasserhaushaltsmodell dar und führt zusammen mit den übrigen Variablen des HYRAS-Datensatzes zu realistischeren Ergebnissen der langzeitlichen Entwicklung des modellierten Abflussgeschehens. Dies verbessert auch die Aussagekraft für relevante Größen im Verkehrssektor wie beispielsweise dem Hoch- und Niedrigwasserabfluss. Neben der Anwendung für die Analyse des gegenwärtigen Klimas werden die HYRAS-Daten auch für die Bias-Adjustierung von Klimamodelldaten verwendet und tragen hierüber auch zur Validität von Klimaprojektionsergebnissen und hieraus abgeleiteten Anpassungsmaßnahmen bei.<br />Aus den genannten Anwendungen ergeben sich verschiedene Anforderungen an einen Rasterdatensatz der Globalstrahlung, wie die Abdeckung eines möglichst weit in die Vergangenheit zurückreichenden Zeitraums, die Abbildung von Extremwerten, des langfristigen Trends sowie der allgemeinen dekadischen Variabilität. Die Anforderungen sollten dabei nicht nur im Flächenmittel, sondern möglichst auch für einzelne Regionen wie z.B. kleinere Flusseinzugsgebiete erfüllt sein. <br />Neben der verwendeten Regionalisierungsmethodik hat vor allem auch die Verfügbarkeit von geeigneten Messdaten einen erheblichen Einfluss darauf, in welchem Umfang die genannten Anforderungen erfüllt werden können. Stationsmessungen der Globalstrahlung liegen im Zeitraum 1951-1980 für Deutschland und die angrenzenden Regionen, insbesondere in den Anfangsjahren, nur sehr vereinzelt vor. Zur Erstellung des HYRAS- Globalstrahlungsdatensatzes wurde aus diesem Grund ebenfalls auf Stationsmessungen der Sonnenscheindauer zurückgegriffen, die ab 1951 bereits zahlreich und flächendeckend vorliegen. Die tägliche Sonnenscheindauer lässt sich über ein einfaches lineares Regressionsverfahren nach Angstrom (1924) und Prescott (1940) in tägliche Summen der Globalstrahlung umrechnen. Um die Qualität des Verfahrens für die Umrechnung von Extremwerten zu verbessern, wurde mit dem Wolkenflüssigwassergehalt aus ERA5-Reanalysedaten ein weiterer Prädiktor implementiert. <br />Neben der Vorstellung des Verfahrens soll insbesondere ein Vergleich der Globalstrahlung zwischen dem neuen HYRAS-Datensatz und weiteren Referenzdatensätzen wie z.B. der ERA5-Reanalyse und dem CM SAF SARAH v2.1 Satellitendatensatz sowie Stationsmessungen für den Zeitraum 1951-2015 präsentiert werden. </p> <p>Angstrom A (1924): Solar and terrestrial radiation. Report to the international commission for solar research on actinometric investigations of solar and atmospheric radiation. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 50(210), 121-126.</p> <p>Prescott JA (1940): Evaporation from a water surface in relation to solar radiation. Transaction of the Royal Society of South Australia 64(1), 114-118. </p>

LAFE und LAFO: Neue experimentelle und observationelle Untersuchungen von Land-Atmosphäre-Austauschprozessen

<p>Der Austausch von Energie, Feuchte und Impuls zwischen der Atmosphäre und der Landoberfläche sowie die damit verbundenen Rückkopplungsprozesse sind maßgeblich für die Entwicklung der planetarischen Grenzschicht. Eine ungenaue Darstellung und Parametrisierung dieser Prozesse stellen eine Schwäche der heutigen Wetter- und Klimamodelle dar. Verbesserungen in diesen Bereichen werden einen signifikanten Beitrag zu besseren Simulationen der Wolkenbildung auf allen zeitlichen und räumlichen Skalen leisten. Dazu ist es notwendig, das System Land-Atmosphäre simultan in allen Kompartimenten zu vermessen. Dazu haben sowohl das LAFE- als auch das neue LAFO-Design mit deren Messgerätesynergien schon wichtige Beiträge geliefert. Mit Vergleichen zwischen Modellparametrisierungen und Beobachtungen können z.B. die Anwendbarkeit der Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie (MOST) bei natürlicher heterogener Landoberfläche überprüft oder neue Parametrisierungen entwickelt werden.</p> <p>Das LAFE (Land-Atmosphere Feedback Experiment, Wulfmeyer et al. 2018) wurde im August 2017 als Messkampagne am Standort des Atmospheric Radiation Measurements (ARM) Program Southern Great Plains in Oklahoma, USA, umgesetzt. Für Grenzschichtbeobachtungen kamen scannende Dopplerlidar-Systeme für Windmessungen, Rotations-Ramanlidar für Temperatur- und Feuchtemessungen und Differentielles Absorptionslidar zur Wasserdampfmessung in der Grenzschicht zum Einsatz. An der Landoberfläche wurden meteorologische und pflanzendynamische Variablen, Energiebilanz, sowie Bodenfeuchte und -temperatur an Eddy-Kovarianz-Stationen erfasst. Diese Messungen verfolgen wir auch am Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO, lafo.uni-hohenheim.de) an der Universität Hohenheim in Stuttgart (Deutschland) um neben Feldexperimenten auch lange Zeitreihen zu erfassen. Hier werden Lidarmessungen operationell betrieben und ergänzt durch Messungen eines Doppler-Wolkenradars. An der Landoberfläche messen Eddy-Kovarianz-Stationen und ein Netzwerk von Bodenfeuchte- und -temperatursensoren, sowie wird der Vegetationsstatus im Untersuchungsgebiet erfasst. Diese Sensorsynergie im LAFO ist Prototyp für GLAFOs (Gewex LAFOs, Wulfmeyer et al. 2020) zur Etablierung dieser Messungen in verschiedenen Klimaregionen der Erde.</p> <p>In diesem Beitrag stellen wir das Messkonzept vor und wie Beobachtungen für die Untersuchung und Verbesserung von Grenzschicht- und Turbulenz-Parametrisierungen eingesetzt werden können. Dies zeigen wir mit Messergebnissen von LAFE und LAFO mit Abschätzungen der Flüsse, die durch Kombination der Feuchte-, Temperatur- und Windprofile in Bodennähe bestimmt werden und die Ableitung entsprechenden Ähnlichkeitsbeziehung sowohl für Entrainment-Flüsse als auch für MOST ermöglichen.</p>

Schließungsstudien von Aerosol/Wolkenwechselwirkungen anhand von Lidar- und Radarbeobachtungen während MOASiC

<p>Während MOSAiC (Multidisciplinary drifting Observatory for the Study of Arctic Climate) wurden verschiedene Aerosol- und Wolkentypen mit einem Mehrwellenlängen-Polarisations-Raman-Lidar (Polly-XT) der OCEANET-Atmosphere-Plattform und mit dem KAZR-Wolkenradar der ARM (Atmospheric Radiation Measurement user facility) an Bord des Eisbrechers POLARSTERN beobachtet. Im Winterhalbjahr (2019/20) wurden dafür in der zentralen Arktis regelmäßig Aerosole in Oberflächennähe bis in 4-6 km Höhe (arktischer Dunst) und in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (Waldbrandrauch, bis in 18 km Höhe) beobachtet. Neu entwickelte Methoden der Fernerkundung ermöglichen die Bestimmung der Konzentrationen von Wolkenkondensationskernen (CCNC), der Wolkentröpfchenanzahl (CDNC), der eiskeimbildenden Partikel (INPC) und sogar, mit Hilfe von Dopplerradarbeobachtungen, der Eiskristallzahl (ICNC). Gleichzeitig sind Profile der relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur aus Raman-Lidar, Mikrowellen-Radiometer und Radiosondierungen verfügbar. Mit Hilfe dieses einzigartigen Datensatzes präsentieren wir eine Aerosol-Wolkenschlussstudie, in der wir zeigen, dass CCNC und CDNC sowie INPC und ICNC miteinander verknüpft werden können. Die Ergebnisse können verwendet werden, um zu testen, welche CCN- und INP-Parametrisierungen (aus idealisierten Labormessungen) im arktischen Regime am besten zutreffen. <br>In Anlehnung an diese Methoden werden im zukünftigen Projekt SCiAMO (Smoke Cirrus interaction in the Arctic during MOSAiC) etwa 65 beobachtete Zirren im Hinblick auf Eisnukleationsprozesse in Abhängigkeit vom Auftreten von Rauchpartikeln in der Winter- und Sommersaison analysiert und verglichen.</p>

The Mars Environmental Dynamics Analyzer, MEDA. A Suite of Environmental Sensors for the Mars 2020 Mission

NASA’s Mars 2020 (M2020) rover mission includes a suite of sensors to monitor current environmental conditions near the surface of Mars and to constrain bulk aerosol properties from changes in atmospheric radiation at the surface. The Mars Environmental Dynamics Analyzer (MEDA) consists of a set of meteorological sensors including wind sensor, a barometer, a relative humidity sensor, a set of 5 thermocouples to measure atmospheric temperature at ∼1.5 m and ∼0.5 m above the surface, a set of thermopiles to characterize the thermal IR brightness temperatures of the surface and the lower atmosphere. MEDA adds a radiation and dust sensor to monitor the optical atmospheric properties that can be used to infer bulk aerosol physical properties such as particle size distribution, non-sphericity, and concentration. The MEDA package and its scientific purpose are described in this document as well as how it responded to the calibration tests and how it helps prepare for the human exploration of Mars. A comparison is also presented to previous environmental monitoring payloads landed on Mars on the Viking, Pathfinder, Phoenix, MSL, and InSight spacecraft.

The influence of cloudiness and atmospheric circulation on radiation balance and its components

The article contains an analysis of the influence of cloudiness and atmospheric circulation on the components of radiation balance (Q*) using the example of measurements taken in an extra-urban area of Koniczynka near Toruń (Central Poland) in the years 2011–2018. The average annual value of Q* was 1,818.5 MJ·m−2 with a maximum of 352.3 MJ·m−2 in June, and negative values from November to January (December: −27.4 MJ·m−2). The shortwave radiation balance (S*) amounted to 3,129.2 MJ·m−2 and the longwave radiation balance (L*) was ˗1,310.7 MJ·m−2. In June the average solar irradiance (S↓) at midday was 600 W·m−2. The natural annual and diurnal course of Q* components, determined by astronomical factors, is disturbed by changes in cloudiness and inflow of various air masses. It has been found that an increase in cloudiness causes the amount of incoming solar radiation (S↓) to fall, thus decreasing the S* balance. Moreover, clouds restrict longwave radiation balance (L*), in particular, downward atmospheric radiation (L↓) increases. The opposite relationships of S* and L* affect Q* in individual months. The components of Q* are influenced by atmospheric circulation; it has been observed that anticyclonic types, characterised by smaller cloud amounts, favour a greater influx of (S↓) and—at the same time—greater emittance (L↑); however, Q* is then greater than in the case of cyclonic circulation. A statistically significant trend of Q* and its components has not been ascertained. A notable great year-on-year variability of Q*, ranging from 1,640.4 MJ·m−2 (in 2011) to 2,081.6 MJ·m−2 (in 2018), affects the environment. The changes are related to the cloudiness and the frequency of occurrence of different atmospheric circulation types. The role of snow cover is also important as snow reflects solar radiation which leads to the decrease of S* and—as a result—to a negative value of Q* in winter.

Estimate of economic impact of atmospheric radiation storm associated with solar energetic particle events on aircraft operations

A solar energetic particle (SEP) event generates a shower of secondary generated particles in the Earth’s atmosphere down to lower altitudes to cause an atmospheric radiation storm (ARS). The high-energy secondary particles cause additional radiation dose at altitudes where aircraft flies. The space weather information provided by the International Civil Aviation Organization (ICAO) designated space weather centers includes advisories on the solar radiation storm. The Warning System for AVIation Exposure to Solar energetic particle (WASAVIES), we can estimate the effective dose rate (EDR) along the flight path of the aircraft. However, it has not been well established how the operators of aircraft should react with the space weather advisories on the solar radiation storm. By using a flight trajectory generation algorithm and the global EDR distribution, the economic impacts of ARS associated with SEP events on aircraft operation, namely the flight path length, flight time, and fuel consumption, are estimated. The conditions of the peak of the ARS event on 20 January 2005 are used. The economic impacts for a flight route from New York, US to Tokyo, Japan, are estimated with constraints in flight routes to avoid the hazard of radiation and compared with those of the reference case without the ARS effects. The fuel consumption is shown to increase by 39–69 tons (33–58%) for a twin-engine, wide-body jet passenger aircraft, when a constraint is imposed on the flight altitude only. When the constraints are set on the aircraft altitude and the latitude, the flight time and the fuel consumption are both increased by 2.2–2.8 h (17–20%) and 32–48 tons (27–41%), respectively. If the ARS event duration is limited for 3 h, the increase in the fuel consumption is about 7.6–14 tons (6.4–12%). This economic impact may be reduced, if the space weather nowcast and forecast for the ARS and an optimal flight trajectory generation algorithm are used together. Setting more flexible constraints on the flight route and generating optimal flight trajectories with minimal economic impacts by fully utilizing the global EDR distribution is the next step.