Warum den Wasserkreislauf untersuchen? Die Erde ist ein Wasserplanet! Wasser ist Leben…

1. Wasser im Klima Flüsse und Rückkoppleungen Wasser in der Umwelt Wasserqualität und -versorgung Wasserverbrauch Warum den Wasserkreislauf untersuchen? Die Erde ist ein Wasserplanet! Wasser ist Leben… Änderungen der Treibhausgase, Aerosole, Sonnenaktivität verursachen Klimaänderungen… …aber, die Folgen der Klimaänderung wirken sich vor allem im Wasserhaushalt aus! Herausforderung: Änderungen im globalen und regionalen Wasserhaushalt quantifizieren, verstehen und vorhersagen! Earth Science Enterprise Paul R. Houser, 2003 Land Data Assimilation The U.S. Climate Change Science Program. Vision for the Program and Highlights of the Scientific Strategic Plan

2. Ein Beitrag zum Helmholtz Querschnittsthema EOS Bedeutung der Forschung zum Wasserkreislauf, Motivation • Wasserdampf ist das wichtigste und gleichzeitig auch variabelste Treibhausgas. • Klimaprognosen sind beim H2O unsicherer als für alle anderen Treibhausgase (natürliche H2O-Variabilität führt zu Fehlern bei der Strahlungsmodellierung). • Deshalb müssen in Klimaszenarien vor allem Wasserdampfverteilungen richtig beschrieben werden, um die Gesamtfehler zu reduzieren. • Latente Energieumsätze und Flüsse von Wasserdampf, Niederschlag und Verdunstung bestimmen entscheidend den Austausch zwischen der Erdoberfläche und Atmosphäre sowie die kurzfristigen Prozesse (Wetter) und müssen deshalb auf allen Skalen besser bestimmt werden. • Die Erneuerung der Wasservorräte ist eine elementare Existenzbedingung für das Leben, für die Landwirtschaft und die Wirtschaft • Es gilt, alle Budgetgrößen und Flüsse (Verdunstung, Niederschlag, Wassergehalte in allen drei Phasen) zu überwachen und vorherzusagen.

3. Beobachtete Trends der Temperatur und des Niederschlags Susan Solomon, co-chair, IPCC WG1

4. Beobachtete Trends der Temperatur und des Niederschlags Susan Solomon, co-chair, IPCC WG1

5. Ein Beitrag zum Helmholtz Querschnittsthema EOS

6. Ein Beitrag zum Helmholtz Querschnittsthema EOS Fokussierung des Bereichs Wasserkreislauf im Helmholtz-EOS: Trends im atmosphärischen Wasserkreislauf

7. Ein Beitrag zum Helmholtz Querschnittsthema EOS Strukturierung des Themas Bereiche: 1. Entwicklung, Erprobung und Anwendung neuer Messverfahren (WV-/Wind-Lidar, GPS, FTIR, ...) 2. Diagnose von Prozessen im Wasserkreislauf der Atmosphäre (Niederschlag, Verdunstung, Advektion, turbulente Transporte: Experimente, Modellierung. …) 3. Quantitativer Regionaler Wasserhaushalt, Wassergehaltstrends (Variabilitäten, Klimaänderungen, Messkampagnen, Modelle, Sensitivitäten)

8. Ein Beitrag zum Helmholtz Querschnittsthema EOS/1 Strukturierung des Themas im Helmholtz-EOS Arbeitsthemen EOS-1: DLR (IPA) Entwicklung und Erprobung eines neuen Messverfahrens zur Messung von Wasserdampfflüssen in der Troposphäre mittels kombinierten Wind- und Wasserdampflidars DLR (DFD) Untersuchung der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung in Bezug auf ihre Auswirkungen auf den Wasserkreislauf FZK (IMK-ASF) Vergleich von Bewölkungsdaten aus Satellitenmessungen und regionalen Klimamodellierungen FZJ (ICG 1,2) Wasserdampfverteilung in der oberen Troposphäre ________________________________________________________________________________ __ Uni. Karlsruhe (IMK-TRO):Analyse des regionalen Wasserhaushalts durch Kombination von COSMO- Modellrechnungen und GPS-Datensätzen Neu in EOS-2: GFZ (Dep. 1) Tomographische Rekonstruktion der Wasserdampfverteilung exemplarischer Wetterlagen und deren Validierung FZK (IMK-IFU) Entwicklung atmosphärischer Feuchteflussdivergenzen FZK (IMK-TRO) Trenduntersuchungen zu Niederschlagsereignissen

9. Institut/ Name Thema Name des Doktoranden Stand der Arbeiten/Ergebnisse DLR/ Schumann FZK/ IMK-ASF/ Fischer Entwicklung und Erprobung eines neuen Messverfahrens zur Messung von Wasserdampfflüssen in der Troposphäre mittels kombinierten Wind- und Wasserdampflidars Vergleich von Bewölkungsdaten aus Satellitenmessungen und regionalen Klimamodellierungen Felix Steinebach Roger Huckle Erfolgreicher Abschluss der Doktorarbeit. Seit 01.02.08. Vorbereitung von AMALFI für HALO. Entw. eines Differenzial-Absorptions-Lidars. Auswahl der erforderlichen Mess- und Referenzwellenlängen. Auswahl eines Filterdesigns zur Trennung der Messstrahlen von solarem Hintergrundlicht. Gegenwärtig Abstimmungen mit Herstellerfirmen. DLR/ Bittner Untersuchung der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung in Bezug auf ihre Auswirkung auf den Wasserkreislauf Lars Klüser Seit 07.02.07. Erweiterung des Datensatzes, der verw. Sensoren u. Produkte für umfassende statistische Analyse. Aufbereitung von SYNAER Aerosol-beobachtungen. Prozessierung der MSG Daten, neues Verfahren zur Staubdetektion, MODIS- u. TRIMM-Datenaufbereitung, erste Analysen abgeschlossen. Veröffentlichung in Druck. FZ Jülich/ Schiller Wasserdampfverteilung der oberen Troposphäre Anne Kunz Seit 01.11.06. Zur Zeit Analysen zur statistischen Stabilität relativ zu den Maxima der jeweiligen Jetstreams. Posterbeitrag AGU 12/2008. Zweite Veröffentlichung eingereicht. Vortrag EGU Wien 04/2009. Baldiges Zusammenschreiben der Arbeit. EOS/1

10. Institut/ Name Thema Name des Doktoranden Stand der Arbeiten/Ergebnisse Uni Karlsruhe/ Kottmeier Analyse des regionalen Wasserhaushalts durch Kombination von COSMO-Modellrechnungen und GPS-Langzeitdatensätzen. Romi Schnitter Seit 01.06.07. Modifikationen des COSMO-Modells zur Berechnung von Wasserdampf- und Flüssigwasserbilanzen abgeschlossen. Quantifizierung der Wasserhaushaltskomponenten für zwei COPS-Episoden und Gebiete mit verschiedener Topographie. Vergleiche von COSMO- und GPS-Wasserdampfgehalte für beide Episoden. EOS/1

11. Institut/ Name Thema Name des Doktoranden Stand der Arbeiten/Ergebnisse GFZ/ Wickert Tomographische Rekonstruktion der Wasserdampfverteilung exemplarischer Wetterlagen und deren Validierung Manuela Schönrock Beginn der Arbeit vor 2 Monaten. Vergleich verschiedener iterativer Rekonstruktions-verfahren für COPS-Episoden. Beginn eines alternativen Rekonstruktionsverfahrens. Erste Vorarbeiten für Vergleiche mit Radiosondenprofilen. FZK/ IMK-IFU/ Schmid Benjamin Fersch Seit 2 Jahren. Regionale Modellierung des atmosphärischen Wasserhaushaltes. Vergleiche mit GRACE-Daten. Implementierung der Feuchteflussdivergenz in WRF. Abflussabschätzung und –validierung. Analyse atmosphärischer Massenvariationen. FZK/ IMK-TRO/ Kottmeier Trenduntersuchungen zu Niederschlagsereignissen Die Stelle wurde bisher noch nicht besetzt. EOS/2 Entwicklung atmosphärischer Feuchteflussdivergenzen

12. Einige Ergebnisse Neues Messverfahren zur Messung von Wasserdampfflüssen (DLR-IPA): Die hohe Genauigkeit des Mehrwellenlängen-Differenzial-Absorptions-Lidars (WALES) wurde erfolgreich nachgewiesen. Es wurde eine hervorragende Übereinstimmung der WALES-Wasserdampfmessungen mit dem Frostpunkthygrometer und dem Lindenberger Raman-Lidar (RAMSES) sowie weiteren Vergleichsinstrumenten nachgewiesen. So kann das Wasserdampf-DIAL als Transferstandard für die Kalibrierung und Validierung anderer Methoden angesehen werden. Aerosol-Wolken-Wechselwirkung (DLR-DFD): Die Lebensdauer und das konvektive Wachstum der Wolkensysteme (Afrika/Atlantik/Mittelmeerraum) hängen stark von der Verfügbarkeit geeigneter Kondensations- und Nukleationskeime ab. Bei Einfluss von Mineralstaub und Rußaerosolen treten wie erwartet unterschiedliche Effekte auf. Entgegen vieler Annahmen hat sich gezeigt, dass nicht nur Reflexionsgrad, sondern auch die Maximalhöhe der Konvektion durch den Aerosoleinfluss modifiziert werden. Das hat Auswirkungen im Hinblick auf den Wasserkreislauf. Globaler kontinentaler Wasserhaushalt (FZK, IMK-IFU): Die regionale Modellierung des terrestrischen Wasserspeichers führt zu feuchteren Bedingungen als die globalen Modelle. Für trockene Regionen scheinen die globalen Modelle näher an den GRACE-Daten zu liegen. Die globalen NCEP-Felder sind für die Amazonas-, Yenissei- und Lena-Region aber zu trocken. Analyse des regionalen Wasserhaushalts (Uni Karlsruhe, IMK-TRO): In allen bisher untersuchten Fällen spielte der horizontale Feuchtetransport eine entscheidende Rolle für den Wassergehalt einer Region. Vergleiche von regionalen GPS-Wasserdampfgehalten mit eigenen COSMO-Simulationen zeigten zwar Phasenverschiebungen im zeitlichen Verlauf und zu feuchte Modellwerte. Jedoch liegen diese zu einigen Zeitpunkten näher an den GPS-Beobachtungen als die operationellen COSMO-EU-Reanalysen.