Projekte der Forschungsgruppe Globale Klimaanalyse

Das Doktoratskolleg Klimawandel (DKCC) war ein internationales Programm an der Universität Graz für herausragende Doktorand:innen im Bereich Klimawandel. Andrea K. Steiner fungierte als PI für 3 PhD-Projekte.

• Final report
• Publications, presentations and further outcomes

Project leader: Andrea K. Steiner

Temperaturbeobachtungen der Erdoberfläche geben eindeutige Hinweise auf eine Klimaänderung. Während Trends der Bodentemperatur verschiedener Datenzentren gut übereinstimmen, gibt es immer noch ungelöste Fragen zu Klimatrends der freien Atmosphäre. Einigkeit herrscht über die globale Erwärmung der Troposphäre und die Abkühlung der Stratosphäre, große Unsicherheiten bestehen jedoch bezüglich Trendraten und ihrer vertikalen Struktur. Daher können nur beschränkt robuste und konsistente Aussagen über Klimatrends gemacht werden. Dieses Schlüsselproblem laut neuestem IPCC Report verlangt nach Daten von besserer Genauigkeit. 

Dies ist eine große Herausforderung da Unsicherheiten in Beobachtungen, Reanalysen, und Klimamodellen bestehen. Datensätze von Wettersatelliten und Ballons haben Schwächen, da sie nicht zur Klimabeobachtung konzipiert wurden. Diese erfordert genaue und langzeitstabile Messungen. In Reanalysen werden Beobachtungsdaten in Modelle integriert und beinhalten sowohl Beobachtungs- als auch Modellfehler. Aktuelle Klimamodelle zeigen Unterschiede zu Beobachtungen bezüglich thermischer Struktur und Trends, besonders in der oberen Troposphäre und Stratosphäre.

Die Radio-Okkultation (RO) liefert Beobachtungen mit vorteilhaften Eigenschaften in diesem Zusammenhang. Zeitmessungen mittels hochgenauer Atomuhren garantieren langzeitstabile und konsistente Datensätze mit globaler Abdeckung. Genauigkeit, geringe strukturelle Unsicherheit und die Verwendbarkeit für Trendstudien wurden demonstriert. Beste Qualität und vertikale Auflösung sind von klarem Vorteil für die Untersuchung der vertikalen thermodynamischen Struktur. 

Hauptziel des Projektes VERTICLIM ist die Erforschung und Evaluierung der vertikalen Struktur von atmosphärischer Variabilität und Klimatrends, deren regionale Ausprägung und relevante Prozesse von der Erdoberfläche bis zur Stratopause. Im Fokus sind 2002–2015 mit dichter Datenverfügbarkeit für Kurzzeitstudien, sowie 1979–2015 mit guter Datenbedeckung für komplementäre Langzeitstudien. Neue Einblicke in jüngste Klimaänderungen in der Troposphäre und Stratosphäre werden durch die systematische Exploration von Beobachtungen, Reanalysen und Klimamodellen gewonnen.

Die Evaluierung von RO als Referenzdatensatz und anderen hochqualitativen Beobachtungsdaten, wie MIPAS, SABER, Radiosonden, sowie AMSU/SSU Schichttemperaturen, wird neue Informationen über die Klimaqualität atmosphärischer Beobachtungsdaten liefern. Die Erforschung verschiedener Charakteristika wie Jahresgang, Tropopausen/Stratopausendynamik und Klimavariabilität wird Stärken, Schwächen und Verbesserungspotential von Reanalysen und Modellen erschließen. Neue Einblicke in die vertikale Struktur von Trends und deren regionale Ausprägung in der Atmosphäre im Vergleich zur Erdoberfläche werden aus RO und den evaluierten Datensätzen gewonnen.

Insgesamt wollen wir mit VERTICLIM ein Bild noch nie dagewesener Qualität von der vertikalen Struktur atmosphärischer Klimavariabilität und Trends zeichnen und von den Stärken atmosphärischer Beobachtungsdaten, Reanalysen und Klimamodellen mit RO als Referenzklimadatensatz.

Projektleitung: Andrea K. Steiner

Messdaten zur Klimabeobachtung und zum Nachweis des Klimawandels der Atmosphäre müssen die strengen Qualitätskriterien des Global Climate Observing System (GCOS) erfüllen. Daten von Wetterballons und -satelliten haben einige Defizite, da sie nicht zur Klimabeobachtung konzipiert wurden. Die Radio-Okkultation (RO) basiert auf Signalen des Global Positioning System (GPS) und liefert einen neuen Datensatz mit vorteilhaften Eigenschaften wie Langzeitstabilität, Allwettertauglichkeit, globale Bedeckung, hohe Genauigkeit und vertikale Auflösung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre. Kenntnis von Fehlern ist eine wichtige Voraussetzung für die Verwendung von Daten in Klimastudien. Hauptziel des Projekts TRENDEVAL war die Abschätzung von Unsicherheiten im RO Klimadatensatz und dessen Anwendung zum Nachweis einer Klimaänderung und zur Evaluierung von Klimamodellen. Wir untersuchten RO Daten von 1995/1997 und seit 2001 von mehreren Satellitenmissionen für die Parameter Brechungswinkel, Refraktivität, Druck, geopotentielle Höhe, Temperatur und spezifische Feuchte. 

Fehlerabschätzungen für individuelle Profile und klimatologische Felder wurden erstellt. Klimatologien von verschiedenen Satelliten zeigen hohe Konsistenz und können daher zu einem Datensatz kombiniert werden. Dies ist ein Hauptmerkmal eines Referenzklimadatensatzes. Weiters quantifizierten wir die strukturelle Unsicherheit der Daten von sechs Prozessierungszentren. Die Unsicherheit in Trends ist am geringsten innerhalb von 50°S bis 50°N sowie 8 km bis 25 km Höhe und erfüllt hier die Stabilitätsanforderungen von GCOS. Die Auswertung von Temperaturen der unteren Stratosphäre verschiedener Datensätze Mikrowellensondierung (AMSU), Radiosonden, RO) zeigte signifikante Unterschiede zwischen AMSU und RO. Die Analyse möglicher Fehlerquellen und gute Übereinstimmung mit Radiosonden schließt RO als Ursache aus.

Die Untersuchung tropischer Konvektionsregionen im HadGEM2 Klimamodell (Met Office Hadley Centre) mittels RO zeigte, dass das Modell im Bereich der tropischen Tropopause kühler ist. Unsere Ergebnisse zeigen den hohen Nutzen von RO Daten zur Evaluierung von Beobachtungsdaten und Klimamodellen. 

RO Parameter liefern wertvolle Indikatoren zum Klimawandel. Wir demonstrierten den Nutzen von RO zur Detektion einer Klimaänderung. Ein Klimaänderungssignal wurde in der geopotentiellen Höhe von Druckschichten und der Temperatur detektiert. Es zeigt eine Erwärmung der Troposphäre und eine Abkühlung der Stratosphäre. Insgesamt ist die Qualität, Konsistenz und Reproduzierbarkeit von RO Daten vorteilhaft zur Verwendung als Referenzdatensatz zur Klimabeobachtung und zur Detektion des Klimwandels.

Projektleitung: Andrea K. Steiner
Final report

Die Bereitstellung genauer, langzeit-stabiler Messdaten wurde vom Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) im Report des Jahres 2001 als eine der Aktionen höchster Priorität für die zukünftige Klimabeobachtung definiert. Bis jetzt war es nicht möglich, Trends in der Atmosphärentemperatur mit Satellitendaten in überzeugender Genauigkeit zu bestimmen. Radio-Okkultationsdaten (RO), die mittels Signalen von Navigationssatelliten (GNSS – Global Navigation Satellite System) gewonnen werden, haben das Potential, die Probleme traditioneller Datenquellen zu lösen. Die besondere Eignung für die Klimabeobachtung resultiert aus der einzigartigen Kombination aus hoher Genauigkeit, hoher vertikaler Auflösung, Langzeit-Stabilität, globaler Bedeckung und Allwetter-Tauglichkeit. Die Eignung zur Klimabeobachtung wurde durch Simulationsstudien und klimatologische Analysen echter Daten nachgewiesen. 

CLIMROCC verwendet RO Daten der Okkultationssensoren auf den Satelliten CHAMP, SAC-C, MetOp (Start geplant für April 2006) und COSMIC (Start geplant für März 2006). Mit ihnen werden genaue, validierte Monats-, Saison- und Jahresklimatologien von Temperatur, Geopotentieller Höhe, Feuchte und Refraktivität in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (UTLS) mit einer horizontalen Auflösung von ca. 500 – 1500 km berechnet. Diese Arbeit baut auf existierenden Einzelsatelliten-Klimatologien von CHAMP auf, der erstmals die Möglichkeit bot, solche Klimatologien zu bilden. Zurzeit werden Temperaturfelder für die Jahre 2002–2005 berechnet; das Projekt wird Ende 2005 abgeschlossen sein. Durch Hinzunahme weiterer Klimaparameter und Ausweitung auf Multisatelliten-Klimatologien, mithilfe der Daten von COSMIC und MetOp, die eine noch höhere Qualität versprechen, zielt CLIMROCC darauf ab, einen neuen Standard für Referenz- Klimatologien in der UTLS Region zu setzen.

Die Klimatologien werden modellunabhängig durch statistische Flächenmittelung berechnet, zusammen mit sorgfältigen Abschätzungen der Beobachtungs- und Repräsentativitätsfehler. Sie werden einerseits mit Analysefeldern der führenden Wettervorhersagezentren validiert, andererseits werden die Klimatologien unterschiedlicher RO Sensoren untereinander verglichen. Basierend auf diesen klimatologischen Feldern werden Indikatoren für den Klimawandel untersucht. Das übergeordnete Ziel von CLIMROCC ist, die Änderung des Klimas in der UTLS Region mit neuartiger Genauigkeit und Konsistenz zu beobachten, und damit unsere Fähigkeit zu verbessern, Klimavariabilität und Klimawandel zu detektieren, die Ursachen zu verstehen und gute Klimavorhersagen zu berechnen.

Projektleitung: Barbara Scherllin-Pirscher (Herta Firnberg position)
Mentorin: Andrea K. Steiner

El Niño Southern Oscillation (ENSO) ist ein Ozean-Atmosphären-Phänomen, welches Meeresoberflächentemperaturen und den Wärmehaushalt der Ozeane mit der Dynamik der Atmosphäre koppelt. ENSO ist der wichtigste Modus der mehrjährigen Klimavariabilität in der tropischen Troposphäre. Veränderungen von Konvektion, Atmosphärentemperatur und Windsystemen sind in den troposphärischen niederen Breiten am stärksten ausgeprägt. Hinweise auf ENSO wurden jedoch auch in hohen Breiten sowie in stratosphärischen Höhen gefunden. Zahlreiche Studien haben den Einfluss von ENSO auf die Atmosphärentemperatur belegt. Dabei wurden Daten von Radiosonden, Satelliten, Reanalysen und Modellen verwendet. Da traditionelle Beobachtungen räumlich begrenzt vorliegen und die meisten Satellitendaten eine schlechte vertikale Auflösung in der oberen Troposphäre und unteren Stratosphäre (engl. UTLS) haben, gibt es noch große Unsicherheiten hinsichtlich der Atmosphärendynamik der UTLS während El Niño und La Niña Ereignissen.

In diesem Zusammenhang eröffnet die Radiookkultation (RO), mit hoch qualitativen Beobachtungen der UTLS sowie globaler Datenbedeckung, neue Möglichkeiten. Atmosphärenparameter wie Temperatur, Druck, und geopotentielle Höhe werden mit hoher vertikaler Auflösung und großer Genauigkeit gewonnen. Einen kontinuierlichen Datensatz gibt es seit 2001, doch die Anzahl an RO Messungen hat mit dem Start der Satellitenkonstellation Formosat-3/COSMIC (F3C) im Jahre 2006 beträchtlich zugenommen. Diese Konstellation lieferte mehr als 2000 Profile pro Tag, welche für die Berechnung von feinaufgelösten atmosphärischen Feldern verwendet werden können.

Das Hauptziel von DYNOCC ist die Analyse der durch ENSO induzierten Atmosphärendynamik sowie ihrer Auswirkungen in der UTLS. Sorgfältige Untersuchungen des UTLS ENSO Signals in Temperatur, Druck, geopotentieller Höhe und Wasserdampf ermöglichen die detaillierte Analyse der vertikalen und horizontalen Struktur von ENSO. Die Konsistenz dieser mit RO gewonnenen Ergebnisse wird durch andere Beobachtungsdaten sowie Reanalysedaten überprüft. Auch ein Klimamodell wird hinsichtlich seiner vertikalen UTLS ENSO Struktur untersucht. In einer weiteren Studie werden die RO Daten mit ihrer feinen Auflösung verwendet um durch El Niño induzierte, atmosphärische Wellen zu untersuchen und dadurch ein besseres Verständnis der natürlichen Klimavariabilität im Übergangsbereich von der Troposphäre zur Stratosphäre zu erlangen. Dieser Bereich der Atmosphäre ist besonders wichtig für Kopplungsprozesse und Gegenstand aktueller Forschung. Schlussendlich werden die hochqualitativen RO Daten der geopotentiellen Höhe auf konstanten Druckflächen verwendet, um die vertikalen und horizontalen Veränderungen des geostrophischen zonalen Windes während El Niño und La Niña zu untersuchen. 

Durch diese Studien wird DYNOCC neue Einsichten in die mit der natürlichen Klimavariabilität in Verbindung stehende Atmosphärendynamik der UTLS geben. Die Verwendung von RO wird dabei den Wert dieser Daten auch außerhalb der RO  ForscherInnengemeinschaft stärken.

Projektleitung: Robert Höldrich (Institute for Electronic Music and Acoustics, University of Music and Performing Arts Graz (IEM/KUG), Gesamtleitung) Gottfried Kirchengast (Wegener Center, Universität Graz, Leitung)
Projektteam (Uni Graz): Wegener Center: Gottfried Kirchengast, Andrea Steiner, Martin Jury; Centre for Systematic Musicology: Richard Parncutt

Im Projekt SysSon wurde Sonifikation, das akustische Pendant zur Visualisierung, für die Klimaforschung entwickelt. Klimaforschung verwendet heute sehr große Datensätze, die üblicherweise visualisiert werden. Dabei stößt man an die Grenzen der Darstellbarkeit. Ein neuer Ansatz ist die Sonifikation: die Mustererkennung des menschlichen Gehörs wird verwendet, um neue Einblicke in Klimaprozesse zu gewähren.

Der Fokus des Projektes lag dabei auf der Entwicklung eines systematischen Ablaufs, um es Klimaforschenden zu ermöglichen, ihre Daten selbst zu sonifizieren. Technische Hürden, wie die Kompatibilität zwischen den Daten und Klangsynthese-Programmen, wurden durch die Entwicklung eines Open Source Programmes überwunden – SysSon steht auf github.com/iem-projects/sysson frei zum Download zur Verfügung. Darüberhinaus wurden in der interdisziplinären Arbeit Kommunikationshürden bearbeitet, da zum Beispiel, für Klimaforschende der Umgang mit Klang als Medium ungewohnt ist sowie für SonifikationsexpertInnen die Terminologie der Klimawissenschaft. Daher wurde eine Reihe von Evaluierungsmethoden aus dem User Centered Design eingesetzt. Der Ablauf von Evaluierungen, Design und Entwicklung wurde im Projekt allgemein reflektiert, sodass der Prozess der systematischen Sonifikation auch auf andere Wissenschaftsgebiete übertragbar ist. 

Da Sonifikation eine Querschnittsmaterie zwischen Wissenschaft und Kunst ist, wurden im Projekt auch zwei Klanginstallationen mitentwickelt die sich mit Klimadaten befassen. Die Klima|Anlage ist ein gemeinsames Projekt mit dem Deutschlandradio Kultur und weiteren Partnern (http://www.klima-anlage.org). Aufbereitete Klimadaten werden in einer interaktiven Klang- und Rauminstallation sinnlich erfahrbar. Die Ausstellung wurde im September 2015 in Berlin eröffnet, weitere Ausstellungen sind in Vorbereitung. Weiters wurde die Kunstinstallation Turbulenz – ein Klima-Klang-Portrait im November 2014 im Forum Stadtpark, Graz, Österreich, präsentiert und das Thema Klima einer breiten Öffentlichkeit vermittelt.

EU-Marie Curie Fellow: Riccardo Biondi
Scientist in Charge: Gottfried Kirchengast
Advise: Andrea Steiner

Many aspects of deep convective systems and volcanic eruptive clouds are poorly represented in current global climate models. By statistically analysing satellite observations and providing long-term statistics from these data, the project CONSYDER (Convective systems detection and analysis using radio occultations) highlighted observational constraints for improving the theoretical representations. Researchers relied on radio occultation observations from global positioning system (GPS) satellites. Although GPS satellites are mostly used for navigation, signals sent from one GPS satellite to another are refracted by the atmosphere. From measurements of the associated propagation delay, the refractive index and bending angle, it is possible to estimate key atmospheric parameters.

The CONSYDER team used data acquired in the period 2001 – 2012 via this technique to create a reference atmosphere from the Earth’s surface to 80 km altitude. More specifically, they developed 3D maps of refractivity, pressure, temperature and water vapour together with the frequency and standard deviation of measurements at each location and altitude. These radio occultation observations were combined with high-resolution and high-precision measurements from other satellites and ground based sensors. This unique combination allowed researchers to detect the cloud top height and structure of the extreme events. The aim was to gain a better understanding of the clouds’ structure especially in the upper troposphere and the lower stratosphere. CONSYDER results indicated that tropical cyclones should be studied in connection to the ocean basin where they develop. Basins in the northern and southern hemisphere commonly show different thermal structures with storms reaching higher altitudes in the southern hemisphere. On the other hand, the temperature anomaly above the tropical cyclones’ cloud top becomes positive in northern hemisphere ocean basins. The reason for this puzzling warming of the storm cloud top was not clear and is a topic of further investigations beyond the end of CONSYDER. Before the end of the project, a dataset of radio occultation measurements co-located with tropical cyclones was compiled. Since GPS observations are evenly distributed over the globe, the dataset is suitable for studying extreme events even in remote areas.

CONSYDER also demonstrated that the technique developed for detecting cloud tops of convective systems and tropical cyclones can also be used for detecting and monitoring volcanic cloud tops and inner structure. Volcanic ash clouds and SO2 clouds have a different impact on the atmospheric thermal structure. The results revealed a clear warming signature from SO2 clouds after the eruption of Nabro and a cooling signature from the ash cloud after the Puyehue eruption. The evolution of tropical cyclones and eruptive clouds, the lifetime of deep convective systems and associated environmental parameters analysed in CONSYDER provide a framework for comparison with model simulations. Besides diagnosing the underlying mechanisms, project outcomes provide guidance for parameterising convective processes in global climate models.