Forschungsthema des Monats Juli 2020: Topic 6 Modellierung und Verständnis extremer meteorologischer Ereignisse
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Juli 2020 REKLIM News und Forschungsthema des Monats
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Forschungsthema des Monats Juli 2020: Topic 6
Modellierung und Verständnis extremer meteorologischer Ereignisse
Atmosphärische Zirkulation und (extreme) Zyklonen den Ergebnissen der Klimasimulationen kommt. So herrscht
der mittleren Breiten unter glazialen Klimabedingungen beispielsweise eine deutliche Diskrepanz zwischen dem
in Europa mit Hilfe von Pollen-Daten rekonstruierten und mit Klima-
Zyklonen (oder auch Tiefdruckgebiete) sind ein allgegenwär- modellen simulierten Jahresniederschlag in Teilen Europas
tiges Phänomen der mittleren Breiten und für einen großen (Ludwig et al., 2016). Hier hilft eine Analyse der (regionalen)
Teil der täglichen Wettervariabilität verantwortlich. Das atmosphärischen Zirkulation in Klimamodellen (anhand der
Auftreten von Tiefdruckgebieten ist meist durch Nieder- PMIP3-Läufe des MPI-ESM; Erdsystemmodell des Max-
schlag, Wind und klassische Bewölkungsstrukturen entlang Planck-Instituts für Meteorologie). Beispielsweise lässt sich
der Fronten gekennzeichnet. Primär tragen Tiefdruckgebiete anhand einer Wetterlagenklassifikation der Einfluss der
zum Energietransport zwischen den Tropen und polaren atmosphärischen Dynamik auf die Niederschlagsmuster
Regionen bei, indem warme Luftmassen auf der Tiefdruck- verdeutlichen. Die mit Hilfe der Druckverteilung am Erdbo-
Vorderseite nach Norden und kalte Luftmassen auf der den klassifizierten Wetterlagen liefern dabei einen guten
Rückseite nach Süden transportiert werden. Aufgrund der Überblick über die vorherrschenden Windrichtungen in
saisonal unterschiedlichen Einstrahlung in den polaren Re- Zentraleuropa und zeigen deutliche Unterschiede zwischen
gionen sind die Temperaturkontraste zwischen den Tropen dem heutigen und dem LGM Klima (Abb. 1).
und polaren Regionen im Winter am stärksten und somit ist Anhand der Häufigkeitsverteilung einzelner Wetterlagen
auch die zyklonale Aktivität im Winterhalbjahr am deutlichs- zeigt sich zum einen eine Verschiebung von im heutigen
ten ausgeprägt. Vor allem schwere Winterstürme wie z.B. Klima dominanten westlichen hin zu östlichen Wetterlagen
Lothar in 1999, Kyrill in 2007 oder Xynthia in 2013 haben zu während des LGMs. Dabei lässt sich die Zunahme der östli-
verheerenden sozioökonomischen Auswirkungen in Europa chen Wetterlagen mit der Existenz eines semi-permanenten
geführt, sobald diese auf bewohnte Regionen getroffen waren. Kältehochs über dem Europäischen Eisschild erklären.
Übersichtsstudien zu Zyklonen der mittleren Breiten im heu- Weiterhin sieht man eine deutliche Zunahme zyklona-
tigen und für das zukünftige Klima sind weit verbreitet. Da-
hingegen gibt es nur sehr wenige Studien, die sich mit der
zyklonalen Aktivität in der Vergangenheit beschäftigen (z.B.
Raible et al., 2018). In einer aktuellen Studie am KIT wurden
jetzt die Eigenschaften von (extremen) Winterstürmen im
Nordatlantikraum unter glazialen Bedingungen untersucht
(Pinto und Ludwig, 2020). Während des Letzten Glazialen
Maximums (LGM; vor ca. 21.000 Jahren) waren große Teile
Nordamerikas und Europas mit teils mehreren Kilometer
mächtigen Eisschilden bedeckt, was einen um etwa 120
m tieferen Meeresspiegel zur Folge hatte. Diese geänder-
ten Randbedingungen hatten Einfluss auf das globale und
regionale Klima sowie auf die atmosphärische Zirkulation.
Abschätzungen über das Klima in der Vergangenheit lassen
sich dabei sowohl anhand von Proxy-Daten (natürliche Kli-
maarchive wie z.B. Eisbohrkerne, Sedimentschichten – u.a.
Löss –, Pollendaten, Tropfsteine) als auch mit Hilfe globaler
Klimamodellierung durchführen. Eine Rekonstruktion der
Temperaturen und des Niederschlags während des LGMs
auf Basis von Pollen-Daten (Bartlein et al., 2011) weisen
auf deutlich kältere und trockenere Klimabedingungen im
Vergleich zu heute hin. Die globale Temperatur während des
LGMs war demnach im Jahresmittel etwa 6°C kälter und
der Jahresniederschlag war im Mittel etwa 200 mm niedri-
ger. Die Klimaveränderungen wurden auch im Rahmen der Abb. 1: Übersicht über die Häufigkeitsverteilung einzelner Wetter-
lagen (S(üd), O(st), N(ord), W(est)) im heutigen (PI, gelb) und glazi-
Modellvergleichsstudie PMIP3 (Paleomodel Intercomparison alen Klima (LGM, blau) basierend auf täglichen Bodendruckdaten
Project Phase 3, https://pmip3.lsce.ipsl.fr/) untersucht des MPI-ESM für Mitteleuropa (50°N, 10°E).. A: antizyklonale,
und liefern vergleichbare Ergebnisse, wobei es regional Z: zyklonale Wetterlagen, ∑O: Summe der östlichen Wetterlagen.
(Vgl. Tabelle 2 aus Schaffernicht et al., 2020)
durchaus zu Abweichungen zwischen den Proxy-Daten und
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Abb. 2: Zugbahndichte von Zyklonen im LGM (a) und deren
Differenz zum heutigen Klima (b) für das Winterhalbjahr
(ONDJFM) über dem Nordatlantik und Europa. Schwarze
Kontouren in (a): Windgeschwindigkeit [m/s] in 300 hPa;
blaue Linien in (a), (b): Grenzen der Eisschilde im LGM;
gestrichelte Linie in (b): Grenze der jährlichen Meereis-
bedeckung größer 40% Eiskonzentration. Graue Flächen:
Topographie mit einer Höhe von mehr als 1000m (aus
Pinto und Ludwig, 2020).
ler Wetterlagen im LGM, was auf eine erhöhte Anzahl an Atlantik, dass diese sowohl stärkere Vertiefungsraten als
Zyklonen über Europa hindeutet. Eine detaillierte Analyse auch eine höhere Intensität im Vergleich zu den Kennzahlen
der Zyklonenzugbahnen zeigt ebenfalls eine Zunahme der für Zyklonen im heutigen Klima aufweisen.
zyklonalen Aktivität über Europa (Pinto und Ludwig, 2020).
Um einen detaillierteren Einblick in die Strukturen extremer
Hierfür wurden für jeweils 30 Jahre der MPI-ESM PI (prä-
Zyklonen im LGM zu erlangen, wurden mit Hilfe des Regio-
industriell) und LGM Simulationen einzelne Zyklonen mit
nalmodells WRF Simulationen für die 30 stärksten Stürme
Hilfe eines Tracking-Algorithmus identifiziert und verschie-
innerhalb des 30-jährigen betrachteten Zeitraums über
dene statistische Kennzahlen zum Vergleich der beiden
dem östlichen Atlantik (nahe der Europäischen Küsten) mit
unterschiedlichen Klimazustände ermittelt. Hierzu gehören
hoher Auflösung (12.5 km Gitterweite) durchgeführt. Als
beispielsweise die Zugbahndichte, die Vertiefungsraten,
Antriebsdaten wurden hierfür die oben genannten PI- und
sowie Zyklogenese- und Zyklolyseregionen. Im LGM zeigt
LGM-Simulationen des MPI-ESM genutzt. Die Unterschiede
sich eine deutlich höherer Zugbahndichte sowohl über dem
zwischen den simulierten (extremen) LGM- und PI-Zyklonen
Nordatlantik, als auch über weiten Teilen Europas (Abb. 2)
können mit Hilfe von sogenannten Komposit-Abbildungen
im Vergleich zum heutigen Klima. Entlang des westlichen
anschaulich dargestellt werden. Für die Komposit-Dar-
Randes des Europäischen Eisschildes sieht man eine Auf-
stellung werden zunächst die Zeitpunkte der maximalen
spaltung der Zyklonenzugbahnen in Richtung der Norwegi-
Intensität jedes einzelnen Sturms bestimmt. Danach wird
schen See sowie in Richtung Zentraleuropa. Der Eisschild
jede Zyklonenzugbahn derart rotiert, dass die Zugbahnen
mit einer Mächtigkeit von bis zu zwei Kilometern wirkt somit
der einzelnen Zyklonen jeweils in Ost-West-Richtung ausge-
als eine natürliche Barriere und lenkt die Zyklonen im LGM
richtet sind. Dies erlaubt schlussendlich einen kohärenten
sowohl nach Norden als auch in Richtung Mitteleuropa ab.
Vergleich der Strukturen der LGM- und PI-Zyklonen. Abbil-
Zusätzlich kommt es über dem westlichen Europa zu einer
dung 3 zeigt Komposits für den vertikal integrierten Wasser-
Zunahme der Zyklogenese während des LGMs (Pinto und
gehalt, den Niederschlag und die Windgeschwindigkeit in
Ludwig, 2020). Hier spielt die erhöhte Baroklinität (gegen-
925 hPa (etwa 760 m Höhe) für die 30 stärksten LGM- und
einander geneigte Druck- und Temperaturflächen, die zu
PI-Zyklonen. Es zeigt sich, dass der Wassergehalt im LGM
horizontalen Strömungen führen) aufgrund des horizontalen
aufgrund der niedrigeren Temperaturen in der Atmosphäre
Temperaturgradienten zwischen dem Eisschild und dem
(Clausius-Clapeyron-Gleichung) deutlich niedriger ist (Abb.
wärmeren Mittelmeerraum eine wichtige Rolle. Des Weite-
3 a, b). Dies wiederum führt zu einer Abnahme des Nieder-
ren zeigt sich in der Analyse der LGM-Zyklonen über dem
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Abb. 3: Komposit-Abbildungen (a, b) des vertikal integrier-
ten Wassergehalts (IWV), (c, d) des Niederschlags (RR) und
(e, f) der Windgeschwindigkeit in 925 hPa der jeweils 30
stärksten simulierten (WRF) PI (linke Spalte) und LGM-Zyk-
lonen (rechte Spalte). Die Werte auf der x-/y-Achse geben
den Abstand zum Zyklonenzentrum in ° an (aus Pinto und
Ludwig, 2020).
schlags bei den LGM-Zyklonen (Abb. 3 c, d). Die stärkeren an den Rändern des Eischildes, waren durch sehr trockene
Vertiefungsraten und Intensivierung der LGM-Zyklonen Verhältnisse gekennzeichnet, und spielen somit ebenfalls
über dem Nordatlantik führt dagegen zu einer Zunahme der eine wichtige Rolle für die Emission und den Transport von
Windgeschwindigkeit (Abb. 3 e, f). Die Betrachtung sowohl Sedimenten zu deren Ablagerungsstätten (Schaffernicht et
dynamischer (Änderungen der regionalen atmosphärischen al., 2020). Hinweise auf die Relevanz der östlichen Wetter-
Zirkulation) als auch thermodynamischer Prozesse (Abnah- lagen auf den Staubtransport während des LGMs finden
me des Wassergehalts durch niedrigere Temperaturen im sich beispielsweise in den Sedimenten des Dehner Maars
LGM) mit Hilfe von Modellsimulationen liefern somit einen (Römer et al, 2016) und im Harzvorland (Krauß et al, 2016).
wertvollen Beitrag für die Interpretation der simulierten Nie-
Auch in Zukunft sind weitere paläoklimatische Betrach-
derschlagsmuster im LGM. Die Abnahme des Niederschlags
tungen auf der regionalen Skala im Verbund mit anderen
aufgrund thermodynamischer Prozesse wird hierbei zum Teil
REKLIM-Partnern (HZG, AWI) geplant. So wurde bereits eine
durch die Zunahme der Zyklonenhäufigkeit kompensiert.
Studie über den Mehrwert regionaler Paläoklimamodel-
Die Analyse der LGM-Zyklonen liefert überdies einen wert- lierung in einer gemeinsamen Publikation zwischen KIT
vollen Beitrag für
Kurzbiografie die Interpretation
REKLIM des glazialen Staub-
Nachwuchswissenschaftler und HZG beschrieben (Ludwig et al., 2019). Auch besteht
zyklus in Europa. Während des LGMs kam es in Europa zu aktuell durch eine Kooperation mit dem AWI (Bremerhaven)
mächtigen Löss-Ablagerungen durch äolische Verlagerung die Möglichkeit, auf globale Paläoklimasimulationen des
von Sedimentmaterial aus den Schwemmfächern am Rande AWI-ESM zurückzugreifen, welche die Antriebs- und Rand-
der Eisschilde (Skandinavien und Alpen). Die äolische bedingungen für regionale Simulationen und somit weitere
Verfrachtung fand dabei sowohl durch Zyklonen als auch spannende Forschungsvorhaben am KIT und im REKLIM-
durch anhaltende Ostwetterlagen statt (Schaffernicht et Verbund bereitstellen.
al., 2020). Wie oben erwähnt, waren die LGM-Zyklonen
durch weniger Niederschlag und stärkere Windgeschwin-
digkeiten gekennzeichnet. Beide Faktoren wirken sich somit
positiv auf den möglichen Staubtransport durch einzelne Ansprechpartner:
Sturmereignisse aus. Die oben beschriebene Zunahme der
Ostwetterlagen stellt eine weitere wichtige Komponente des Dr. Patrick Ludwig
regionalen Staubzyklus im LGM dar. Die Ostwetterlagen, Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Karlsruher
in Verbindung mit katabatischen Winden (kalte Fallwinde) Institut für Technologie
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Krauß, L., Zens, J., Zeeden, C., Schulte, P., Eckmeier, E., and
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tps://doi.org/10.1111/nyas.13865, 2019. doi.org/10.5194/acp-20-4969-2020, 2020.
Kurzbiografie REKLIM Wissenschaftler
Dr. Patrick Ludwig, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Patrick Ludwig schloss seine Promotion am Institut für
Geophysik und Meteorologie an der Universität Köln zum
Thema „Regionale Modellierung Europäischer Winterstür-
me“ im Jahr 2014 ab. Bei der anschließenden Anstellung
im Rahmen des „SFB806 - Our way to Europe“ wurden die
bisher gesammelten Erfahrungen im Bereich der regionalen
Modellierung um den Aspekt der regionalen Paläoklima-
modellierung erweitert. Der Fokus lag hier auf dem Zeit-
raum des Letzten Glazialen Maximums (LGM, vor ca. 21.000
Jahren) in Europa. In dieser Zeit erweist sich besonders die
Verknüpfung unterschiedlicher Disziplinen (Meteorologie /
Klimaforschung, Geographie, Geologie, Archäologie) für
die Beantwortung paläoklimatischer Fragestellungen als
äußerst wertvoll. Seit August 2017 ist Patrick Ludwig Teil
der Arbeitsgruppe „Regionales Klima und Wettergefahren“
am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) am
Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Der Schwerpunkt
liegt hier weiterhin auf der regionalen (Paläoklima-) Model-
lierung und dem Verständnis extremer meteorologischer
Ereignisse. „Das REKLIM-Thema 6 bietet vielfältige Möglich-
keiten, diese beiden Schwerpunkte miteinander zu ver-
knüpfen und durch den interdisziplinären Austausch neue
Impulse für zukünftige Forschungsthemen zu erhalten“, be-
schreibt Patrick Ludwig den Mehrwert für seine Forschung
durch REKLIM.
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Carlo Licciulli erhält Graham Cogley Award für beste Veröffentlichung
eines Nachwuchswissenschaftlers
Der ehemalige REKLIM-Doktorand Carlo Licciulli wurde dem Fließmodell wurden präzise Rückwärtstrajektorien von
mit dem 2020 Graham Cogley Award der International existierenden Bohrlokationen berechnet. Diese werden für
Association for Cryospheric Sciences und der International eine verbesserte Interpretation der zugehörigen Eiskernzeit-
Glaciological Society für die beste Publikation im Zeitraum reihen benötigt. Mit dem Fließmodell wurde außerdem die
02/2018 – 01/2020 ausgezeichnet. Der IACS-IGS Graham dreidimensionale Eisaltersverteilung des Gletschers berech-
Cogley Award wurde 2019 zum Gedenken an Professor net, was zur Unterstützung von experimentellen Methoden
Graham Cogley ins Leben gerufen, der wesentliche und zur Eiskerndatierung diente. Am Forschungsprojekt haben
nachhaltige Beiträge zur Glaziologie geleistet hat, insbeson- Institutionen aus Deutschland, Frankreich, Schweiz und
dere zum Verständnis und zur Quantifizierung der Massen- Österreich mitgewirkt. Die Ergebnisse der Arbeit veröffent-
veränderung von Gletschern. Graham Cogley wird auch lichte Carlo im Journal of Glaciology: „Licciulli C, Bohleber
für seine nachhaltigen und herausragenden Verdienste um P, Lier J, Gagliardini O, Hoelzle M & Eisen O (2020) A
die breitere glaziologische Gemeinschaft anerkannt, unter full Stokes ice-flow model to assist the interpretation of
anderem als IGS-Chefredakteur zwischen 2016 und 2018. millennial-scale ice cores at the high-Alpine drilling site
Mit dem Graham Cogley Award werden herausragende Leis- Colle Gnifetti, Swiss/Italian Alps. Journal of Glaciology
tungen in der glaziologischen Forschung von studentischen 66(255), 35-48. https://doi.org/10.1017/jog.2019.82“,
Wissenschaftlern geehrt. Der Preis wurde von der Familie für das er nun aus 70 berücksichtigten Veröffentlichungen
Cogley initiiert und großzügig gesponsert und wird von der für den Graham Cogley Award ausgewählt wurde.
International Glaciological Society (IGS) und der Internatio-
Seit zwei Jahren arbeitet Carlo als Nachwuchswissenschaft-
nal Association of Cryospheric Sciences (IACS) gemeinsam
ler (PostDoc) an der Bayerischen Akademie der Wissen-
vergeben, wobei die IGS und die IACS den Preis in abwech-
schaften in der Gruppe Erdmessung und Glaziologie. Dort
selnden Jahren vergeben.
beschäftigt er sich weiterhin mit numerischen Eis-Fließmo-
Carlo führte seine Doktorarbeit im Rahmen von REKLIM dellen, allerdings mit verstärktem Fokus auf der Kopplung
am Institut für Umweltphysik (IUP) der Universität Heidel- zwischen Klima und Gletscherdynamik auf regionaler Skala.
berg im Bereich Alpine Glaziologie in Kooperation mit der
REKLIM: Carlo, herzlichen Glückwunsch zu dieser Auszeich-
Sektion Glaziologie am AWI, betreut durch Prof. Olaf Eisen,
nung für dein Paper! Was bedeutet dir diese Auszeichnung
durch. In seiner Arbeit adaptierte er ein numerisches Full-
für deine wissenschaftliche Laufbahn?
Stokes Eis-Fließmodell für den hochalpinen Gletschersattel
Colle Gnifetti, Monte Rosa Massiv. Der Gletschersattel Colle Carlo: Wenn ich einen Kollegen zitieren darf, diese Aus-
Gnifetti ist aufgrund seiner jahrtausendalten Eiskernzeit- zeichnung bedeutet als erstes, dass meine Doktorarbeit „so
reihen mitten in Europa von besonderem Interesse. Mit falsch nicht gewesen sein kann“. Wenn man aber weniger
Carlo Licciulli bei der glaziologischen Ver-
messung auf dem Colle Gnifetti, Monte Rosa
Massiv, Italien (Foto: C. Licciulli)Juli 2020 REKLIM News und Forschungsthema des Monats
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minimalistisch denkt, die Bedeutung der Auszeichnung ist REKLIM: Hat die Arbeit im REKLIM-Verbund deine For-
mit Sicherheit mehr Mut und Selbstvertrauen für zukünftige schung beeinflusst und was kannst du rückblickend auf die
Forschung zu haben, sich trauen innovativer zu sein, die Zeit als Doktorand in REKLIM sagen?
Latte höher zu legen, keine Angst zu haben neue Aufgaben
Carlo: Während meiner Doktorarbeit habe ich regelmäßig
zu übernehmen sowie neue Veröffentlichungen und For-
REKLIM-Meetings besucht. Ich habe Vorträge gehalten,
schungsanträge zu schreiben.
an Diskussionen über zukünftige Forschungsprojekte und
REKLIM: Was ist derzeit Schwerpunkt deiner Forschungsar- Kooperationen teilgenommen und mich mit jungen sowie
beit und wie sehen deine weiteren Pläne aus? auch etablierten Wissenschaftlern ausgetauscht. Es gab
immer Zeit für nette und lehrreiche Gespräche. Egal ob
Carlo: Die Untersuchung der Interaktion zwischen Klima
bei einer Postersession, beim Abendessen oder bei einem
und Gletscherdynamik bleibt das Leitmotiv meiner Arbeit.
Ausflug. Egal ob nah oder entfernter von meinem eigenen
In diesem Zusammenhang, als Mitarbeiter der Bayerische
Forschungsgebiet. In Kürze: REKLIM-Meetings sind eine
Akademie der Wissenschaften, ist es selbstverständlich,
sehr gute Schule für eine erfolgreiche wissenschaftliche
sich mit dem Vernagtferner in den Ötztaler Alpen zu be-
Karriere!
schäftigen. Der Vernagtferner ist seit mehr als einem
Jahrhundert der „Hausgletscher“ der Akademie. Die erste REKLIM: Nochmals unseren herzlichen Glückwunsch und
Karte des Gletschers wurde schon im Jahr 1889 durch ein alles Gute für deinen weiteren beruflichen Weg!
Akademiemitglied erstellt und zahlreiche andere glaziologi-
sche Parameter werden seit Jahrzehnten an diesem Glet-
scher vermessen. Das bietet uns die einmalige Möglichkeit,
gekoppelte Gletschermodelle auf längeren Zeitskalen zu
testen und eine solide Basis für Projektionen zu legen. Der
Vernagtferner ist für uns wie ein Versuchslabor, um Erfah-
rung zu sammeln und Methoden zu testen, die wir später
auf einer regionalen Skala auf hunderte von Gletschern
gleichzeitig übertragen möchten.Sie können auch lesen
