Among anthropogenic perturbations of the Earth\''s atmosphere, greenhouse gases and aerosols are considered to have a major impact on the energy budget through their impact on radiative fluxes. We use three ensembles of simulations with the LMDZ general circulation model to investigate the radiative impacts of five species of greenhouse gases (CO2, CH4, N2O, CFC-11 and CFC-12) and sulfate aerosols for the period 1930-1989. Since our focus is on the atmospheric changes in clouds and radiation from greenhouse gases and aerosols, we prescribed sea surface temperatures in these simulations. Besides the direct impact on radiation through the greenhouse effect and scattering of sunlight by aerosols, strong radiative impacts of both perturbations through changes in cloudiness are analysed. The increase in greenhouse gas concentration leads to a reduction of clouds at all atmospheric levels, thus decreasing the total greenhouse effect in the longwave spectrum and increasing absorption of solar radiation by reduction of cloud albedo. Increasing anthropogenic aerosol burden results in a decrease in high-level cloud cover through a cooling of the atmosphere, and an increase in the low-level cloud cover through the second aerosol indirect effect. The trend in low-level cloud lifetime due to aerosols is quantified to 0.5 min day-1 decade-1 for the simulation period. The different changes in high (decrease) and low-level (increase) cloudiness due to the response of cloud processes to aerosols impact shortwave radiation in a contrariwise manner, and the net effect is slightly positive. The total aerosol effect including also the aerosol direct and first indirect effects remains strongly negative.

Aerosole dienen als Kondensationskerne (CCN) und verändern die Wolkentropfenkonzentration (Nd) und weitere Wolkeneigenschaften. Nd ist daher ein Schlüsselparameter von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen (ACI). ACI sind bezüglich ihrer Klimarelevanz nur unzureichend bestimmt. ACI wurden auf verschiedenen Skalen und mit unterschiedlichen Methoden von unterschiedlichen Perspektiven aus untersucht, was zu einer großen Variabilität von ACI Metriken in der Literatur führt. Für eine genauere Quantifizierung von ACI, wurden in dieser Arbeit damit verbundene, entscheidende Unsicherheiten diskutiert, u.a. das Einmischen trockener Luft, Unsicherheiten von Retrieval-Methoden und die Konsistenz von Schlüsselparametern auf verschiedenen Skalen. Um Nd und weitere Wolkeneigenschaften aus passiven Satellitenbeobachtungen für Flüssigwasserwolken abzuleiten, wird oft das adiabatische Modell herangezogen. Es wurde untersucht, inwiefern dieses Modell reale Bedingungen wiedergibt. Es wurde gezeigt, dass Wolken typischerweise subadiabatisch sind, mit stark reduziertem Flüssigwassergehalt nahe der Wolkenoberkante. Der Einmischprozess variiert zeitlich stark und erschwert die Quantizierung von ACI. Für unterschiedliche Cloudnet-Stationen variieren die Medianwerte des subadiabatischen Faktors von 0.35+/-0.12 bis 0.48+/-0.22. Dieser hängt stark von der geometrischen Wolkendicke ab, wobei dickere Wolken subadiabatischer sind. Die Ableitung von Nd aus bodenbasierten Radar-Radiometer-Beobachtungen ist sehr sensitiv gegenüber a-priori Annahmen. Um zusätzliche Beobachtungen und Unsicherheiten berücksichtigen zu können, wurde ein neuartiges Optimal Estimation (OE) Retrieval entwickelt und mittels synthetischer Wolkenprofile evaluiert. Mittels einer Sensitivitätsstudie konnte die Verbesserung der Retrieval-Genauigkeit für die OE Methode gezeigt werden, wenn die Beobachtungen der optischen Dicke mit berücksichtigt werden. Die Annahme einer typischen Breite der Tropfengrößenverteilung ist dabei eine der größten Unsicherheiten von Nd (Unsicherheit für die OE Methode etwa 150%, für die Radar-Radiometer-Methode etwa 200%). Desweiteren wurden aus unterschiedlichen Perspektiven abgeleitete wolkenmikrophysikalische Größen hinsichtlich ihrer Konsistenz untersucht. Beim Vergleich von Nd und des Effektivradius (re) vom bodengebundenen Retrieval mit in-situ Beobachtungen für einen Falltag wurde eine gute Übereinstimmung gefunden. Beim Vergleich der von SEVIRI und Bodenstationen abgeleiteten Wolkeneigenschaften haben sich mittlere quadratische Abweichungen des Flüssigwasserpfads und der optischen Dicke von jeweils 65 gm2 und 14 ohne signifikanten Bias gezeigt. Damit zeigt sich SEVIRI für großskalige, statistische ACI-Untersuchungen repräsentativ zur Bodenperspektive. Für individuelle Falltage traten jedoch teils größere Unterschiede auf, welche durch Inhomogenitäten und Auflösungseffekte erklärt werden können. Mit SEVIRI Beobachtungen und aus der MACC Reanalyse abgeleiteten CCN Konzentrationen wurde eine Quantifizierung von ACI für das Jahr 2012 durchgeführt. Dabei wurde für Europa ein deutlicher, mikrophysikalischer Effekt gefunden, d.h. eine Abnahme von re und eine Zunahme von Nd mit zunehmender CCN Konzentration. Im Gegensatz dazu wurde für die Wolkenalbedo kein eindeutiger Anstieg mit der CCN-Konzentration gefunden. Verwendet man die Aerosol-optische Dicke (AOD) anstelle der CCN-Konzentration, sind die Werte der ACI Metrik nur halb so groß. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die AOD kein optimaler CCN-Proxy ist.

Jahresbericht

Das Institut für Meteorologie engagierte sich in den Forschungsschwerpunkten atmosphärische Grenzschicht, Wasserhaushalt in Einzugsgebieten von regionaler Skala im großräumigen Umfeld, Dynamik der mittleren und oberen Atmosphäre, Variabilität der Ionosphäre, Strahlungsprozesse in der Atmosphäre, Modellierung von Aerosol- und Wolkenphysik, natürliche Klimavariabilität unter Einschluss der Rolle des Ozeans und Anregung und Ausbreitung großskaliger Strömungssysteme in Ozean und Atmosphäre. Dabei kamen Fernerkundungsverfahren vom Boden und von Satelliten aus, in-situ-Experimente, konzeptionelle und Simulationsmodelle zum Einsatz. Besondere Bedeutung hatte die Entwicklung und Anwendung von Verfahren zur tomographischen Rekonstruktion von dreidimensionalen Feldern atmosphärischer Größen. Eine enge Zusammenarbeit erfolgte mit dem Institut für Troposphärenforschung Leipzig, dem Institut für Atmosphärenphysik in Kühlungsborn, dem Max-Planck-Institut für Meteorologie in Hamburg und dem Geoforschungszentrum Potsdam.

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Georg Kühne (1910 Ottendorf-Okrilla - 2001 Berlin) Das interessante Leben von Dr. Georg Kühne ist auf das engste mit der Entwicklung des Deutschen Fernsehfunks, dem Wettbewerbsbestreben zwischen den zwei deutschen Staaten Ost und West um die Vorreiterrolle dieses Mediums im gesamtdeutschen Konflikt zu sehen. Kühne wurde mit Einführung der bisher unüblichen Wettervorhersagen im Fernsehen zum ersten Ansager der täglichen Wetterberichte, im Anschluss an die „Aktuelle Kamera“. Der in Radeberg aufgewachsene Georg Kühne, Schüler am Radeberger Realgymnasium mit Realschule, absolvierte an der Technischen Hochschule Dresden sein Lehrerexamen, promovierte zum Dr. der Technischen Wissenschaften, darauf folgte ein Zusatzstudium zum Meteorologen. Diese Tätigkeit, unterbrochen durch die Kriegsereignisse, wurden ab 1949 in der Zentralen Wetterdienststelle Potsdam fortgesetzt. Hier wurde er zu einem der maßgeblichen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Meteorologie, später der Erforschung der Klimatologie, in der DDR. Seine Leistungen führten dazu, dass er zum Leiter der „Zentralen Wetterdienststelle Potsdam“ (ZWD) berufen wurde. Dieses hohe Amt hatte er bis zum Beginn seines Ruhestandes 1975 inne.

Die Veröffentlichung dokumentiert die Ergebnisse eines Forschungsprojektes, in dem untersucht wurde, welchen Einfluss großräumige Strömungsmuster in der Atmosphäre (Großwetterlagen) auf das Auftreten von Wetterextremen in Sachsen hatten und zukünftig haben können. Dafür wurde ein Verfahren zur Klassifikation durch multiple Regression entwickelt und angewendet. Belastbare Zunahmen von Wetterextremen sind z. B. bei heißen und niederschlagsarmen warmen Tagen sowie etwas weniger sicher bei Schwüle und Starkwind im Winterhalbjahr zu erwarten. Die Veröffentlichung richtet sich an Klimaforscher, -modellentwickler und -modellanwender.

L'impact dynamique des montagnes sur la circulation de grande échelle de l'atmosphère passe généralement par des forces : pour cette raison, la partie de l'orographie qui n'est pas résolue par les modèles de circulation générale est prise en compte par la paramétrisations des forces qu'elle applique à l'atmosphère. Dans cette thèse , nous nous attacherons à comprendre l'impact des forces appliquées par les montagnes des moyennes latitudes, en particulier le Plateau tibétain, sur la circulation de l'atmosphère. Pour ce faire, nous utiliserons notamment le concept de couple appliqué par les montagnes sur l'atmosphère, traduction des forces à l'échelle globale. Les chaînes de montagnes les plus importantes des moyennes latitudes génèrent, à l'échelle synoptique, d'importantes vagues de froid appelées cold surges dans la littérature anglophone, un terme que nous traduirons littéralement par crues froides. L'importance du couple équatorial des montagnes dans l'initiation des crues froides sur l'Asie de l'Est (impact du Plateau tibétain), l'Amérique du Nord (impact des montagnes Rocheuses) et l'Amérique du sud (impact de la cordillère des Andes) est mise en évidence par une étude statistique. À l'aide d'un modèle dynamique simple, une interprétation du mécanisme sous-jacent à ce forçage est proposée, montrant que les forces de portance appliquées par la montagne à l'atmosphère dans la phase initiale des crues froides suffisent à leur déclenchement. L'impact dynamique du plateau tibétain sur la mousson d'hiver est-asiatique est important, en particulier sur les événements de convection en hiver sur la Mer de Chine Méridionale. Une séquence d'événements montrant cet impact a été identifiée statistiquement : un forçage dynamique de la circulation atmosphérique par le Plateau tibétain, se traduisant par un fort signal sur le couple des montagnes équatorial appliqué à l'atmosphère, est suivi par le déclenchement d'une crue froide puis, après quelques jours, par un renforcement de la convection profonde sur la Mer de Chine Méridionale. Cet effet dynamique du Plateau tibétain sur la mousson d'hiver s'étend au sud jusqu'à l'Indonésie et à l'ouest jusqu'à la Baie du Bengale. L'utilisation du modèle de circulation générale du Laboratoire de Métérorologie Dynamique, LMDz, permet de compléter les résultats observationnels décrits auparavant. Ce modèle ferme de manière satisfaisante le bilan de moment angulaire et permet de montrer que l'orographie sous-maille joue un rôle important sur la phase finale de l'évolution des crues froides. Des résultats nouveaux sont présentés sur le bilan de moment angulaire de l'atmosphère, en particulier en ce qui concerne l'impact du couple équatorial des montagnes et de la contribution du Plateau tibétain. Il est en particulier montré que le couple équatorial appliqué par le Plateau tibétain joue un rôle faible dans l'évolution temporelle du moment angulaire équatorial, mais un rôle significatif dans sa répartition spatiale

Aus der Einleitung: The calculation and prediction of river flow is a very old problem. Especially extremely high values of the runoff can cause enormous economic damage. A system which precisely predicts the runoff and warns in case of a flood event can prevent a high amount of the damages. On the basis of a good flood forecast, one can take action by preventive methods and warnings. An efficient constructional flood retention can reduce the effects of a flood event enormously.With a precise runoff prediction with longer lead times (>48h), the dam administration is enabled to give order to their gatekeepers to empty dams and reservoirs very fast, following a smart strategy. With a good timing, that enables the dams later to store and retain the peak of the flood and to reduce all effects of damage in the downstream. A warning of people in possible flooded areas with greater lead time, enables them to evacuate not fixed things like cars, computers, important documents and so on. Additionally it is possible to use the underlying rainfall-runoff model to perform runoff simulations to find out which areas are threatened at which precipitation events and associated runoff in the river. Altogether these methods can avoid a huge amount of economic damage.