Impact of the spring 2020 coronavirus lockdown on air quality in Europe.
Date of announcement: 09.01.2023
During the Spring 2020 lockdown and other measures, the mobility profile of people changed in many countries. Due to significantly reduced traffic for work and travel purposes, but also industrial production, pollutant emissions have abruptly changed significantly. In a short time, there have been many studies on this. However, many of these studies have only considered the measured pollutant concentrations directly before and during the lockdowns, without sufficiently taking into account seasonal effects or influences of different weather conditions. In contrast, simulations with atmospheric models offer the possibility to investigate different emission scenarios under constant meteorological conditions.
The aim of the suggested thesis is on the one hand to compile a good overview of studies with atmospheric models on the topic. In addition, the work may include comparisons between simulations made at TROPOS and measured pollutant concentrations. For the latter, programming skills are helpful but not mandatory. Depending on your own ideas, the weighting of the two work areas can be adjusted.
Contact:
Dr. Roland Schrödner, Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Ice Multiplication - What processes in clouds can potentially contribute to the secondary increase in ice crystal number?
Date of Announcement: 09.01.2023
In mixed-phase clouds (consisting of ice crystals and supercooled liquid droplets), more ice crystals may be present than would be expected from the primary freezing of liquid droplets. In recent years, several processes have been proposed to explain the phenomenon. These processes together are called ice multiplication or secondary ice production. Possible mechanisms are for example collisions between two ice crystals or the breaking of freezing drops, where smaller ice splinters are produced and thus more ice particles are present than before.
The aim of the offered thesis is to provide a good overview of the ice multiplication processes proposed in the literature. Further own application to compare the different processes with each other can be added. The work offers an introduction to microphysical processes in clouds and their description for e.g. weather models.
Contact:
Dr. Roland Schrödner, Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Investigate the measurement quality of low-cost fine dust instruments compared to conventional instruments
Date of announcement: 09.01.2023
Since July 2022, TROPOS is operating a measuring network in Leipzig-Lindenau consisting of 22 low-cost devices that measure the fine dust concentration of particles with diameters smaller than 2.5 µm (PM2.5) or smaller than 10 µm (PM10). These instruments cost significantly less than comparable instruments used at official air quality monitoring stations, but do not match their quality. For scientific investigations (e.g. spatial inhomogeneities, spatial representation of existing air quality monitoring stations) as well as for the legal mandate to monitor air quality, such low-cost measuring devices nevertheless have enormous potential, provided that the data quality is sufficient.
The aim of the offered thesis is to investigate the data quality of the used measuring devices by comparison with reference measurements (research station Melpitz, existing air quality monitoring stations). Since the measurement signal of the low-cost devices depends on environmental conditions (relative humidity, temperature), a concrete goal could be to find a trustworthy range for these environmental conditions.
Besides learning how to handle larger data sets, the work offers insights into the measurement principle used and the topic of air quality.
Contact:
Dr. Roland Schrödner (TROPOS), Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Boundary layer aerosol and ice formation in clouds
Date of announcement: 03.01.2023
Biogenic aerosol from soils and vegetation has been shown to lead to heterogeneous ice formation in clouds at relatively warm temperatures. In addition to dedicated laboratory studies, active remote sensing and radiosonde profiling can be used to identify such processes. Here, one separates clouds that are coupled to the ground via the boundary layer from those that are uncoupled due to a temperature inversion. In doing so, it is possible to determine at which temperatures ice formation occurs for both situations. Trajectory calculations will be used to separate the contribution from long-range transported biogenic aerosol, which can also produce "warm ice" in the uncoupled case. The aim of this work is to investigate this ground-induced ice formation in more detail based on a multi-year time series of vertically resolved atmospheric and cloud conditions from the Meteorological Observatory Lindenberg (MOL) of the German Weather Service. If interested, part of the work can be performed directly at the MOL.
Contact: Prof. Andreas Macke, TROPOS, macke[at]tropos.de , Dr. Patric Seifert, TROPOS; Dr. Volker Lehmann (DWD)
Long-term trends in radiative fluxes and cloud radiative effect
Date of announcement: 06.12.2022
The Meteorological Observatory Lindenberg (MOL) of the German Weather Service has one of the longest and most accurate time series of solar and terrestrial irradiance at the ground and of the vertical profile of the cloudy atmosphere. The cloud radiation effect calculated from the radiation data shows seemingly contradictory trends in the solar and terrestrial spectral regions over the last 25 years. In addition, the calculations of the radiation trends in the cloud-free atmosphere yielded substantial uncertainties. The goal of this work is to investigate these discrepancies and uncertainties in more detail using the detailed cloud information available from active and passive ground-based remote cloud sensing and, if necessary, to resolve it. If interested, part of the work can be performed at the MOL.
Contact: Prof. Andreas Macke (TROPOS) macke[at]tropos.de
Analyse von Extremwerten in der UV-Strahlung auf Basis von Beobachtungen in Melpitz
Ausschreibungsdatum 10.01.2023
Die solare UV-Strahlung ist der energiereichste Teil im Spektrum der Sonnenstrahlung und hat einen starken Einfluss auf den Menschen und die Umwelt. Die am Boden einfallende UV-Strahlung wird in Deutschland seit einigen Jahren in einem Messnetz erfasst, zu dem TROPOS durch Messungen an seiner Forschungsstation Melpitz beiträgt. Das Ziel der Arbeit ist es, die zeitlich hochaufgelösten Messungen zu analysieren und statistische Kenngrößen zur Beschreibung der Messungen abzuleiten. Ein möglicher Schwerpunkt der Arbeit kann die Untersuchung von Extremwerten in der Strahlung in Situationen mit durchbrochener Bewölkung sein. Es sollen Kenngrößen identifiziert und genutzt werden, um vergleichbare Situationen zu klassifizieren (z.B. wolkenfreie Fälle, durchbrochene Bewölkung). Die Beobachtungen sollen auch mit Prognosen des UV-Index vom DWD verglichen werden.
Kontakt:
Dr. Rico Hengst, TROPOS, E-Mail: hengst[at]tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Analyse der kleinskaligen Variabilität der Solarstrahlung mittels eines engmaschigen Messnetzes während einer Kampagne im Herbst 2022 in Bad Lauchstädt
Ausschreibungsdatum: 10.01.2023
Im Rahmen der Bachelor-Arbeit soll der Informationsgewinn eines engmaschigen Messnetzes für die Analyse der kleinskaligen Variabilität des solaren Strahlungsfelds gegenüber Einzelmessungen untersucht werden. Als Datenbasis dienen Beobachtungen mit einem am TROPOS entwickelten autonomen Pyranometermessnetz während einer Kampagne in Bad Lauchstädt im Herbst 2022 sowie aus weiteren Messkampagnen. Durch die zunehmende Verbreitung von Photovoltaikanlagen im städtischen Raum sind die hier entwickelten Erkenntnisse auch für Solarenergieanwendungen und die Kurzfristvorhersage der mittels Solarzellen erzeugten Leistung relevant.
Konkret können eine oder mehrere der folgenden Fragen bearbeitet werden:
- Welche Skalenabhängigkeit weist die kleinskalige Variabilität der Solarstrahlung für unterschiedliche synoptische Situationen auf?
- Wie wirkt sich die Wechselwirkung der Strahlung mit Vegetation auf die Variabilität des solaren Strahlung aus?
- Wie können solche Beobachtungen für die Kurzfristvorhersage der solaren Strahlung genutzt werden?
Kontakt: Dr. Hartwig Deneke, TROPOS, E-Mail: deneke@tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Ableitung des langwelligen Strahlungseffekts von Wolken aus Strahlungstransportberechnungen und Beobachtungen während MOSAIC oder aus dem DWD-Meßnetz
Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Analyse von Pyrgeometer-messungen aus der MOSAIC Expedition oder dem DWD-Stationsnetz und der Vergleich mit modellierten langwelligen Strahlungsflüssen basierend auf dem ECRAD Modell und meteorologischen Reanalyse-Feldern.
Folgende Aspekte können dabei untersucht werden:
- Könnnen wolkenfreie Situationen auf Basis der Beobachtungen zuverlässig identifiziert werden?
- Wie genau sind modellierte langwellige Strahlungsflüsse in wolkenfreien Situationen?
- Wie genau lässt sich die langwellige Strahlungswirkung von Wolken bestimmen? Welchen Einfluss haben Wolkenunterkantenhöhe und Bedeckungsgrad auf den langwelligen Strahlungseffekt?
- Wie vergleicht sich der abgeleitete langwellige Wolkenstrahlungseffekt mit der ERA5-Reanalyse
Kontakt:
Dr. Hartwig Deneke bzw. Dr. Carola Barrientos-Velasco, TROPOS, E-Mail: deneke[at]tropos.de /barrientos@tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Das Thema könnte bei Interesse entsprechend modifiziert auch als Masterthema bearbeitet werden.
Abhängigkeit der Niederschlagsrate von Höhe und Temperatur der Wolkenoberkante
Ausschreibungsdatum: 17.12.2020
Die Eigenschaften von Niederschlag am Boden hängen mit der Höhe der Wolke und der Temperatur an der Wolkenoberkante zusammen. Die Temperatur wiederum entscheidet, welche Prozesse der Aerosol-Wolken-Interaktion aktiv sind (Eisnukleation, Eismultiplikation, etc…). Ziel der Arbeit ist es, Entstehungshöhe- und temperatur von Niederschlagsereignissen statistisch zu Erfassen, der in den letzten 10 Jahren mit dem Disdrometer und dem Wolkenradar des Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observation System (LACROS) beobachtet wurden. Eine Herausforderung bei der statistischen Untersuchung ist die Tatsache, dass Häufigkeit und Niederschlagsrate der Ereignisse ungleich verteilt sind. Dadurch weist die Statistik für verschiedene Niederschlagsarten und -raten stark unterschiedliche Signifikanz auf. Gegenstand der Bachelorarbeit ist es, den Zusammenhang zwischen Höhe und Temperatur der Wolkenoberkante und der Niederschlagsrate am Boden statistisch aufzuschlüsseln und die Signifikanz der resultierenden mehrdimensionalen Histogramme analytisch abzuschätzen.
Kontakt: Johannes Bühl (TROPOS), buehl[at]tropos.de
Representation of fog and super-cooled low stratus over the Swiss plateau in ICON forecasts
Date of announcement: 05.01.2023
The numerical simulation of fog and low stratus over the Swiss plateau is challenging to due the complex interplay between cloud microphysics, atmospheric radiation and turbulent mixing in a highly structured terrain. It has been realized that Swiss operational weather forecasts tend to dissipate fog to fast and that this can only be partially corrected by adjusting the vertical resolution and the parameterized mixing in the planetary boundary layer. In the proposed work, ICON simulations of fog and super-cooled low stratus will be analyzed and evaluated against available observations. The work is accommodated in a SPP PROM project and part of a research collaboration between TROPOS and ETH Zürich.
Contact: Dr. Fabian Senf, TROPOS, senf@tropos.de, phone: 0341 2727 7170
Sensitivity of Tropical Cyclones to Cloud Microphysics
Date of announcement: 05.01.2023
Tropical cyclones potentially intensity in future as the climate warms, however, significant uncertainties remain. In the proposed work, the development of tropical cyclones is investigated using convection-permitting simulations with the ICON model combined together with satellite observations. The choice of the cloud microphysics scheme plays an important role for the simulation of tropical cyclones because it controls the phase partitioning within the cloud bands and thus the pathways for precipitation formation. Some indications exist that more sophisticated cloud microphysical descriptions can also lead to better topical cyclone forecasts.
Contact: Dr. Fabian Senf, TROPOS, senf@tropos.de, phone: 0341 2717 7170
Chemische Analyse organischer Inhaltsstoffe (Polysaccharide) in marinen Feldproben.
Ausschreibungsdatum: 01.02.2021
Beschreibung: Aerosol- und Meerwasserproben, die auf Schiffskampagnen gesammelt wurden (unter anderem während der arktischen Jahresdrift MOSAiC), sollen auf marine Polysaccharide untersucht werden. Die Polysaccharide nehmen einen wichtigen Anteil im (marinen) Kohlenstoffzyklus ein und können in der Atmosphäre bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen. Sie werden im Wasser gebildet und können auf die Aerosolpartikel transferiert werden.
Die chemische Analytik der Polysaccharide erfolgt mittels HPAEC-PAD, (high-performance anion exchange chromatography - pulsed amperometric detection) und einer vorgeschalteten Elektrodialyse zur Entsalzung der Proben. Ggf. erfolgt noch eine zusätzliche Analytik mittels spektrometrischer Methoden auf eine bestimmte Art von Polysacchariden.
In dieser Arbeit sollen, nach einer sorgfältigen Einarbeitung in die analytischen Methoden, die verschiedenen vorhandenen Probenarten diverser Feldkampagnen chemisch analysiert werden. Die Ergebnisse sollen anschließend in Bezug auf die Konzentration und Zusammensetzung der Polysaccharide ausgewertet, verglichen und interpretiert werden.
Kontakt:
Prof. Dr. Hartmut Herrmann (hartmut.herrmann@tropos.de, Tel.: 0341/2717 7024; Dr. Manuela van Pinxteren, manuela.vanpinxteren@tropos.de, Tel.: 0341/2717 7102)
Literatur: Zeppenfeld, S., van Pinxteren, M., Engel, A., and Herrmann, H.: A protocol for quantifying mono- and polysaccharides in seawater and related saline matrices by electro-dialysis (ED) – combined with HPAEC-PAD, Ocean Sci., 16, 817–830, https://doi.org/10.5194/os-16-817-2020, 2020.