Frontiers in Earth Science

Die Atmosphärenwissenschaften umfassen alle Prozesse, die in der Atmosphäre ablaufen, sowie ihre Verbindungen zu anderen Systemen, vor allem zur Hydrosphäre, Kryosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und zum Weltraum. Es handelt sich also um ein umfangreiches Fachgebiet, und es ist nicht leicht, die wichtigsten Herausforderungen zu beschreiben, die sich mit einigen der anderen großen Herausforderungen in den Erd- und Umweltwissenschaften überschneiden. Da es zu besonderen Überschneidungen mit den Klimawissenschaften kommen könnte, sei daran erinnert, dass sich atmosphärische Prozesse von denen des Klimas durch die zeitliche Dimension unterscheiden, da letztere über lange Zeiträume ablaufen, in der Regel länger als 30 Jahre, aber auf jeden Fall lang genug, um aussagekräftige Durchschnittswerte zu bilden. Atmosphärische Prozesse sind von zentraler Bedeutung für die Konfiguration des Klimazustands, aber auch für viele der Triebkräfte und Rückkopplungen, die das Ausmaß des Klimawandels und seiner möglichen Auswirkungen bestimmen. Außerdem haben die Atmosphärenwissenschaften in letzter Zeit beeindruckende Fortschritte gemacht, was den Nutzen für Einzelpersonen und Organisationen angeht. Der Fluss atmosphärischer „Informationen“ ist von erheblicher Bedeutung für Entscheidungen in den Bereichen Gesundheit, Landwirtschaft, Energie, Strom und Umwelt. Dieser „Grand Challenges“-Artikel konzentriert sich auf die Atmosphäre, obwohl die starke Wechselwirkung mit anderen Teilen der Erde und ihrer Umwelt zusammen mit den damit verbundenen gesellschaftlichen Auswirkungen ein gemeinsames Thema bei allen beschriebenen Herausforderungen ist.

In den nächsten Jahren sind Fortschritte in den Atmosphärenwissenschaften unerlässlich, wenn das Verständnis der grundlegenden Prozesse und ihrer Modellierung verbessert werden soll; dies erfordert echte Fortschritte bei Beobachtungen, konzeptionellen und technologischen Ansätzen. Aus diesem Grund enthält die folgende, nicht erschöpfende Liste von 12 ausgewählten Herausforderungen diejenigen, die sich auf Beobachtungen und Datenassimilation beziehen, diejenigen, die innerhalb der traditionellen Disziplinen (Atmosphärenphysik und -chemie, Atmosphärendynamik und Wettervorhersage) behandelt werden, diejenigen, die sich mit den Wechselwirkungen zwischen der Atmosphäre und ihren Grenzen befassen, und diejenigen, die sich auf die atmosphärische Komponente der Klimastudien beziehen.

Herausforderung 1: Datenassimilation

Die Herausforderungen bei der Datenassimilation für die Erdbeobachtung in den nächsten Jahren beziehen sich auf technische und allgemeine thematische Aspekte sowie auf die Fähigkeit, die neuen und aufregenden Möglichkeiten der Erdbeobachtungssysteme zu nutzen. Zu den Vorteilen der Bewältigung dieser Herausforderungen werden wahrscheinlich Verbesserungen der Reanalysen, Verbesserungen der Wettervorhersage, ein verbessertes Beobachtungssystem und eine verbesserte Grundlage gehören, auf der die Elemente der Klimamodelle aufgebaut werden können. Unter den technischen Herausforderungen sind fünf Bereiche am wichtigsten: (1) die Assimilation gekoppelter Daten, um die Verbindungen zwischen verschiedenen Elementen des Erdsystems zu berücksichtigen; Beispiele sind die Kopplung von Atmosphäre und Ozean, von Ozean und Kryosphäre sowie von Atmosphäre und Land; (2) die Assimilation von Ensembledaten, um die natürliche Variabilität zu berücksichtigen und/oder Fehler im Erdsystem darzustellen – hier werden sich die technischen Anstrengungen auf den Entwurf realistischer Ensembles konzentrieren; (3) Durchführung der Datenassimilierung bei höheren räumlichen Auflösungen, die das Erdsystem auf feineren Skalen (Mesoskala und feiner) abbilden, einschließlich theoretischer Entwicklungen zur Berücksichtigung von Änderungen der Gleichgewichtsbedingungen; (4) bessere Darstellung von Fehlern (zufällig und verzerrt) in den Beobachtungen und Modellen, die bei der Datenassimilierung verwendet werden, einschließlich der Darstellung von Vorhersagefehlern, Modellfehlern und Online-Korrektur von Verzerrungen; (5) Erweiterung und Konsolidierung der gemeinsamen Zustandsschätzung und des Konzepts der inversen Modellierung zur Untersuchung biogeochemischer Kreisläufe (z. B.g., den Kohlenstoffkreislauf). Die übergreifende Herausforderung ist hier die Konsolidierung und Integration der gemeinschaftlichen Datenassimilationsbemühungen der meteorologischen und Weltraumbehörden, der Forschungs- und Betriebsaktivitäten und von In-situ- und Satellitenbeobachtungsplattformen, einschließlich aller kontinentalen und globalen Kooperationen, und die effektive Anwendung dieser Bemühungen auf die Entwicklung neuer Missionen in der Erdbeobachtung.

Herausforderung 2: Kleinräumige Prozesse in der Atmosphäre

Beim grundlegenden Verständnis kleinräumiger Prozesse und damit verbundener Anwendungen, von denen viele derzeit aktiv erörtert und untersucht werden, sind mehrere Herausforderungen erkennbar. Erstens erlaubt die gestiegene Rechenleistung eine detailliertere Simulation strömungsmechanischer Probleme, so dass jetzt sogar stabil geschichtete Strömungen durch direkte numerische Simulation modelliert werden. Gleichzeitig erfordern diese fortschrittlichen Rechenverfahren auch eine neue Generation von Parametrisierungsschemata für die numerische Wettervorhersage (NWP) und die Klimamodellierung. Bei hohen Auflösungen kann beispielsweise die komplexe Dynamik, die in städtischen Gebieten auftritt, nicht vernachlässigt werden, und es sind spezielle NWP-Schemata erforderlich, um diese darzustellen. Bei kleineren Gittergrößen nähert man sich in der NWP der so genannten Grauzone der Turbulenz, deren Auswirkungen verstanden und quantifiziert werden müssen. Die Darstellung der Wolken und des Tagesganges der Tiefenkonvektion ist verbesserungswürdig, und das Gleiche gilt für die physikalischen Prozesse, die die stabilen Grenzschichten und den Tagesgang bestimmen, sowie für die intermittierende Natur der Turbulenz, insbesondere bei Windstille. Darüber hinaus erfordern höhere Auflösungen auch fortschrittlichere Techniken, um die Beobachtungen zu interpretieren. In der Grenzschichtmeteorologie muss der Schließung der Oberflächenenergiebilanz und des Wärmehaushalts in Feldbeobachtungen mehr Aufmerksamkeit gewidmet werden. Schließlich werden auch die Datenherausforderungen für die Meteorologie zunehmen, insbesondere aufgrund der größeren Verfügbarkeit von professionellen und Crowd-Sourced-Beobachtungen (Muller et al., 2013).

Herausforderung 3: Luftverschmutzungschemie

Die Schlüsselkomponenten eines Programms zur Bewältigung der wichtigsten Herausforderungen für Forscher im Bereich der Luftverschmutzungschemie können unter den folgenden drei Überschriften beschrieben werden: (1) Luftverschmutzung in Innenräumen und Gesundheit: Angesichts der Tendenz der Menschen, sich bei der Arbeit, in der Schule und in der Freizeit weitgehend in Innenräumen aufzuhalten, ist es wichtig, die Auswirkungen der Luftverschmutzung in Innenräumen auf die menschliche Gesundheit zu untersuchen, die sich aus den Emissionen in Innenräumen und/oder dem Eindringen der Außenluft ergeben. In den letzten Jahren haben sich die Prozesse, die die Luftqualität in Innenräumen bestimmen, infolge von Änderungen der Bauvorschriften mit dem Ziel einer besseren Energieeffizienz deutlich verändert. Die Quellen, Verbindungen und Prozesse, die die Innenraumluftqualität und ihre Auswirkungen auf das menschliche Wohlbefinden beeinflussen, sind noch immer weitgehend unbekannt. (2) Staub und Luftqualität: Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Eigenschaften von Kraftfahrzeugemissionen können die Auswirkungen der Aerosolverschmutzung in städtischen Gebieten nun zunehmend auf andere Emissionsquellen zurückgeführt werden, wie den Transport von natürlichem Staub und die Wiederaufwirbelung von Straßenstaub, vor allem in südeuropäischen Gebieten mit trockenerem Klima in Gebieten, die vom Transport von Staub aus den Wüsten Nordafrikas betroffen sind. Das Verständnis dieser Auswirkungen und die Anwendung von Abhilfemaßnahmen (für die Wiederaufwirbelung von Straßenstaub) sind beides Bereiche für künftige Forschung. (3) Verbrennung von Biomasse: Angesichts des Klimawandels und der Besorgnis über die Auswirkungen und Kosten fossiler Brennstoffe ist die Verbrennung von Biomasse für die Beheizung von Privathaushalten in Europa inzwischen weit verbreitet. In vielen städtischen Gebieten ist die Verbrennung von Biomasse vor allem im Winter eine wichtige Quelle für die Luftverschmutzung durch Feinstaub. Gegenwärtig wird ein gewisser Schwerpunkt auf die Bewertung der Auswirkungen der Biomasseverbrennung im Hinblick auf die städtische Luftqualität sowie auf die Untersuchung der Emissionscharakteristika von Biomasseverbrennungsanlagen und -ausrüstungen sowie auf die Auswirkungen der Zusammensetzung der mit Biomasse verbrannten Partikel auf die menschliche Gesundheit gelegt.

Challenge 4: Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen

Es besteht kein Zweifel daran, dass Aerosolpartikel über die Bereitstellung von Wolkenkondensationskernen (CCN) und Eiskernen (IN) aktiv an der Wolkenbildung beteiligt sind. Es wurde vermutet, dass Änderungen der Aerosolkonzentrationen die Lebensdauer von Wolken und die Niederschlagseffizienz verändern und somit den Strahlungsantrieb des Erdsystems beeinflussen. Diesem Thema wurden große Anstrengungen gewidmet, was zu raschen Entwicklungen in Bezug auf Wissen, Methoden und Techniken führte (z. B. Wang, 2013). Trotz dieser Fortschritte ist es immer noch schwierig, aussagekräftige Schlussfolgerungen über die klimatologischen Auswirkungen von Aerosolen auf regionaler und globaler Ebene zu ziehen. Im Gegensatz dazu sind die Wechselwirkungen zwischen Aerosolen und Wolken auf molekularer und mikrophysikalischer Ebene immer besser vorhersehbar und ihre Modellierung immer deterministischer geworden. Es scheint eine erhebliche Wissenslücke zwischen den kleinräumigen (molekularen und mikrophysikalischen) Prozessen und den großräumigen (regionalen/globalen) Ereignissen in diesem Bereich zu geben. Wir schlagen vor, dass es weiterhin notwendig ist, die Ergebnisse auf mehreren Ebenen zusammenzufassen, um die damit verbundenen Probleme klar zu identifizieren und die derzeitigen Instrumente und Methoden zu verbessern, die erforderlich sind, um die Lücke zu schließen.

Herausforderung 5: Wettervorhersage

Phänomene, die durch Flüssigkeiten beschrieben werden, sind komplex, aber das Erscheinungsbild der Gesetze der Flüssigkeitsbewegung ist trügerisch einfach, die Gleichungen, die diese Gesetze regeln, sind nichtlinear, was mehrere (und schwer zu verstehende) Arten von Rückkopplungseffekten impliziert. Die Atmosphäre und die zeitliche Entwicklung ihres Zustands sind von diesem Problem nicht befreit. Eines der Hauptziele der Forschung im Bereich der Atmosphärenwissenschaften in den letzten Jahrzehnten war die Entwicklung zuverlässiger Vorhersagen im Bereich von 2 bis 7 Tagen angesichts des enormen potenziellen wirtschaftlichen Nutzens. Die Nutzung neuer Daten von Satelliten und bodengestützter Fernerkundung könnte in dieser Hinsicht helfen, ebenso wie die korrekte Pflege traditioneller Datensätze wie des inzwischen etwas veralteten globalen Rawinsonde-Netzwerks. Verbesserungen bei der Messung von Wasserdampf und Landoberflächeneigenschaften sind ebenfalls vorrangig. Die physikalischen Herausforderungen sind nach wie vor dieselben, wie sie vor mehr als einem Jahrzehnt definiert wurden (National Research Council, 1998), nämlich: ein besseres Verständnis der Art der Wechselwirkung zwischen atmosphärischen Prozessen und Prozessen an der Landoberfläche, des hydrologischen Zyklus, der Dynamik der tiefen Konvektion, der Rolle der Tropopause in der atmosphärischen Dynamik, ein neuer Impuls für die Entwicklung von Mesoskalenmodellen und eine Verbesserung der Parametrisierungen, die in den wellenbasierten Modellen für Wetter und Klima verwendet werden. Ein Beispiel für die Bedeutung dieser Verbesserungen ist der orographische Schwerewellenwiderstand, dessen Parametrisierung in Wetter- und Klimavorhersagemodellen angesichts der Bedeutung einiger Effekte, die sich in der jüngsten Forschung als wichtig erwiesen haben, aktualisiert werden muss. Dazu gehören die Auswirkungen der Windscherung sowohl auf den Oberflächenwiderstand als auch auf den Wellenimpulsfluss (und dessen Dissipation) sowie der Widerstand, der von gefangenen Leewellen erzeugt wird, deren Energie sich stromabwärts von ihrer Quelle und nicht aufwärts ausbreitet und dissipiert wird. Die Auswirkungen dieser orographischen Schwerewellen auf die Clear-Air-Turbulenz (CAT), eine sehr ernste Gefahr für den Luftverkehr, sind noch nicht zufriedenstellend quantifiziert worden. Die meisten CAT-Vorhersagemethoden verwenden empirische Prädiktoren, die nicht ausdrücklich mit Schwerewellen in Verbindung stehen, aber es ist bekannt, dass gerichtete Scherung (die in der Natur allgegenwärtig ist) zum Brechen von Schwerewellen führt, was eine wichtige Quelle für CAT sein kann. Das Einfangen von Schwerewellen im Windschatten von Bergen oder Hügeln führt zur Bildung instabiler, turbulenter, geschlossener Zirkulationen, die als Rotoren bekannt sind und auch eine ernsthafte Gefahr für die Luftfahrt darstellen. Unser Verständnis der Bedingungen, die für das Entstehen dieser Strömungsstrukturen notwendig sind, ist unvollständig und wird zweifellos von den jüngsten Fortschritten in der Theorie der Bergwellen profitieren.

Challenge 6: Fernerkundung für Meteorologie und Klima

Die boden- und satellitengestützte Fernerkundung hat unser Verständnis von Wetter- und Klimasystemen sowie deren Veränderungen erheblich verbessert (Yang et al., 2013), indem sie die Quantifizierung der Prozesse und des räumlich-zeitlichen Zustands von Atmosphäre, Land und Ozean ermöglicht. Die intensive Nutzung von Satellitenbildern in der Meteorologie und die räumlichen Muster des Meeresspiegelanstiegs sind hierfür gute Beispiele. Die Dauer der betreffenden Zeitreihen ist in der Regel zu kurz, um sie für die Erfassung langfristiger Trends vieler Klimavariablen nutzen zu können, so dass eine große Herausforderung darin besteht, die Dauer dieser Zeitreihen zu verlängern. Die Fernerkundung regionaler und globaler Wolken- und Niederschlagszyklen ist auch für die Klimaüberwachung und die Überprüfung von Modellergebnissen erforderlich. Im Bereich der Atmosphärenphysik gibt es zwei bemerkenswerte Herausforderungen: Die erste besteht darin, innovative Studien zu konzipieren, die sich auf die Wolkenmikrophysik und die Beziehung zur Physik der Blitzentladung konzentrieren, zusammen mit allen Aspekten, die mit der Beobachtung und Messung der atmosphärischen Elektrizität zusammenhängen, und die zweite besteht darin, neue passive Radiometer- und Radarstudien zu entwickeln, die uns helfen, die Struktur der Wolken und des Niederschlags zu verstehen, mit besonderem Schwerpunkt auf den Prozessen des warmen Regens in den Tropen, dem leichten Niederschlag in den mittleren Breiten, dem Schneefall, dem Flüssigkeits- und Eiswassergehalt der Wolken, dem niederschlagbaren Wasser und den Wasserdampfprofilen. Eine hydrometeorologische Herausforderung besteht darin, unsere Beobachtungen und Modellierung der atmosphärischen und kontinentalen Teile des Wasserkreislaufs zu erweitern und zu verbessern, um dessen Schließung zu ermöglichen (z.B. Berggebiete, Polarregionen).

Herausforderung 7: Der atmosphärische Zweig des Wasserkreislaufs

Unter den zahlreichen Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Wasserkreislauf müssen diejenigen, die sich mit dem atmosphärischen Transport von Feuchtigkeit befassen, besonders erwähnt werden, da sie ausschließlich im Bereich der atmosphärischen Wissenschaften liegen. Hier betrachten wir die dringendsten Herausforderungen, die in der jüngsten Übersicht von Gimeno et al. (2012) beschrieben werden. Die Diagnose von Feuchtigkeitsquellen ist zu einem wichtigen Forschungsinstrument bei der Analyse von Extremereignissen (z. B. Überschwemmungen, Dürren) geworden und kann als grundlegendes Instrument für regionale und globale Klimabewertungen angesehen werden; daher ist es notwendig, die Konsistenz der verschiedenen Ansätze zu überprüfen, die zur Erstellung von Quelle-Senke-Beziehungen für atmosphärischen Wasserdampf verwendet werden. Von zentraler Bedeutung ist die Verbesserung unseres Verständnisses der Auswirkungen von Feuchtigkeitsquellen auf die Niederschlagsisotope; dies ist an sich schon wichtig, aber auch entscheidend für die korrekte Interpretation der wichtigsten paläoklimatischen Archive wie Eisbohrkerne und Höhlensedimente. Eine weitere Herausforderung ist das bessere Verständnis der Rolle des Feuchtetransports als Hauptfaktor für meteorologische Extreme (Starkniederschläge über Strukturen wie Tiefdruckgebiete und atmosphärische Flüsse oder Trockenheit über die lang anhaltende verminderte Zufuhr von Wasserdampf aus den Feuchtequellengebieten). Um beurteilen zu können, ob die Feuchtigkeitsquellenregionen in den vergangenen Jahren stationär geblieben sind, ist es notwendig zu verstehen, wie sich die Hauptmoden der Klimavariabilität auf die Variabilität der Feuchtigkeitsregionen auswirken und wie der Feuchtigkeitstransport in einem sich ändernden Klima erfolgt. Diese ungelösten Fragen stellen eine große Herausforderung für Klimaforscher dar.

Herausforderung 8: Interaktion von Skalen in der Klimasimulation

Die Interaktion zwischen verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen ergibt das, was wir Klima nennen. (Lorenz 1967) war einer der ersten, der die Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen den Skalen bei der Erklärung einiger der Hauptmerkmale des in verschiedenen Regionen beobachteten Klimas hervorhob. Der nichtlineare Charakter der meisten dieser Skaleninteraktionen hat ihre Modellierung erschwert, und folglich stellt dies immer noch eine Quelle der Unsicherheit bei Klimasimulationen dar. Es wurden einige empirische Methoden vorgeschlagen, um die Ergebnisse von Klimamodellen herabzuskalieren, aber diese sind immer noch etwas umstritten (Pielke und Wilby, 2011), insbesondere wenn sie zur Interpretation langfristiger Klimaprojektionen auf regionaler Ebene verwendet werden. Die Verwendung von Randbedingungen eines globalen Modells, in dem gekoppelte Wechselwirkungen zwischen allen wichtigen Teilsystemen des Klimasystems (Atmosphäre, Ozean, Biosphäre und Kryosphäre) vorhergesagt werden, ist mit einer Reihe von Problemen behaftet, wie z. B. der Beibehaltung großskaliger Klimafehler in den globalen Modellen, der großen Abhängigkeit von den seitlichen Randbedingungen oder dem Fehlen einer wechselseitigen Interaktion zwischen den regionalen und globalen Modellen. Die Rolle kleinskaliger atmosphärischer Prozesse, die in der Regel kurzlebige Phänomene betreffen, erweist sich insbesondere in tropischen Regionen als äußerst relevant, wo mesoskalige konvektive Systeme mit großskaligen Zirkulationen interagieren und für den Wasserkreislauf von entscheidender Bedeutung sind. So können beispielsweise tropische Wirbelstürme je nach ihrer Aktivität und Zugbahn in einigen Regionen zu sehr feuchten oder trockenen Jahren führen. Dieses Element ist in Klimamodellen eher schwierig zu simulieren, aber sein Beitrag zum regionalen Klima steht außer Zweifel und muss besser verstanden werden, um es in Klimamodellierungssysteme einzubeziehen.

Challenge 9: Extremereignisse

In den letzten Jahren haben die Auswirkungen verschiedener meteorologischer und klimatischer Phänomene in den Augen der Medien und der Bevölkerung insgesamt an Bedeutung gewonnen, zum Teil als Folge von Extremereignissen wie den Hitzewellen in Europa (2003), Russland (2010) oder den USA (2011) oder den tödlichen und extrem kostspieligen Hurrikans, die in den letzten Jahren dicht besiedelte Gebiete getroffen haben, darunter New Orleans (Katrina, 2005) und den Großraum New York (Sandy, 2012). Ebenso haben lang anhaltende Dürreperioden die Getreideproduzenten in Südaustralien (2002-2010) oder im Südwesten der USA vor große Probleme gestellt, oder sie haben die Wahrscheinlichkeit von Waldbränden erhöht (Amazonien, 2005 und 2010). Einige dieser Extremereignisse stehen in engem Zusammenhang mit dem Auftreten von starken Zirkulationsmustern wie der Nordatlantischen Oszillation (NAO) oder mit der Blockierung und Verlagerung von Sturmbahnen und des Jetstreams. Definitionsgemäß sind Extreme in einer Zeitreihe selten, daher besteht im Zusammenhang mit der Analyse von Extremereignissen die dringende Notwendigkeit, die Klimareihen so weit wie möglich zu verlängern, und aus diesem Grund sind Rekonstruktionen des vergangenen Klimas auf der Grundlage von instrumentellen, historischen und Proxydaten weiterhin unerlässlich. Der jüngste IPCC-Bericht (IPCC, 2013) zeigt, dass dieses wachsende Interesse an klimatischen Extremereignissen im breiteren Kontext des Klimawandels betrachtet werden muss, da sich die erwarteten Veränderungen des globalen, regionalen und sogar lokalen Klimas am ehesten durch Veränderungen des Ausmaßes und der Häufigkeit von Extremereignissen bemerkbar machen werden.

Herausforderung 10: Solare Einflüsse auf das Klima

Es wird geschätzt, dass etwa 8 % des jüngsten globalen Klimawandels auf solare Variabilität zurückgeführt werden können, aber diese Zahl muss mit Vorsicht behandelt werden, da eine Reihe von Aspekten des solaren Antriebs und der Mechanismen, die die solare Variabilität mit dem Klimasystem der Erde koppeln, nach wie vor schlecht verstanden sind (Gray et al., 2010). Angesichts der zunehmenden Komplexität und Ausgereiftheit von Atmosphären- und Klimamodellen und der Notwendigkeit, die Genauigkeit der getroffenen Vorhersagen zu erhöhen, ist es wichtig, ein vollständigeres Bild des solaren Antriebs in diese Modelle einfließen zu lassen. Die Quellen des solaren Antriebs können in strahlungsbedingte und teilchenbedingte Komponenten unterteilt werden. Der wissenschaftliche Schwerpunkt für den strahlungsbedingten Antrieb verlagert sich derzeit von den globalen zu den regionalen Reaktionen, die durch Schwankungen der solaren spektralen Bestrahlungsstärke (SSI) verursacht werden. Es gibt noch eine Reihe von Fragen über die Art der Variationen der SSI, wie diese in Modelle implementiert werden sollten und wie sie sich in zukünftigen Sonnenzyklen ändern werden, wenn sich die Sonne von ihrem derzeitigen großen Maximum der Sonnenaktivität zu einem neuen Maunderminimum bewegt. Die teilchengetriebene Komponente wird weiter unterteilt in energetischen Teilchenniederschlag (EPP) und Effekte der kosmischen Strahlung (CR). Der EPP-Effekt beeinflusst zunächst die obere Stratosphäre und die untere Thermosphäre. Während die chemischen Auswirkungen von EPP auf die Atmosphäre inzwischen gut verstanden sind, besteht ein dringender Bedarf, weitere dynamische Auswirkungen sowie die potenziellen Mechanismen und Größenordnungen im Hinblick auf das Erdklima zu verstehen. Der potenzielle Einfluss von EPP auf das Klima ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das jetzt, da die Klimamodelle auf größere Höhen ausgedehnt werden, die direkter von EPP beeinflusst werden, eine größere Bedeutung erlangt. EPP ist einer der wichtigsten Transportwege von der unteren Thermosphäre hinunter in die Stratosphäre und darüber hinaus über die Stratosphären-Troposphären-Kopplung in den Polarregionen hinunter in die Troposphäre. Die Wirkung der EPP könnte sich in naher Zukunft noch verstärken, da der Strahlungsantrieb durch den Übergang zu einem solaren Minimum stärker beeinflusst wird. Die CR-getriebene Komponente gilt derzeit als die am wenigsten gut verstandene der Quellen des solaren Antriebs, obwohl engagierte internationale Forschungsanstrengungen unternommen werden, um diese Frage zu klären. Jüngste Ergebnisse deuten darauf hin, dass CRs zwar die Aerosolkeimbildung stimulieren können, dass diese Effekte aber global gesehen nicht sehr groß sind und dass es noch Fragen zu den physikalischen Mechanismen gibt, die CRs und Aerosolkeimbildung miteinander verbinden.

Challenge 11: Urbanes Wetter und Klima

Die urbane Wärmeinsel (UHI) ist vielleicht die bekannteste Auswirkung der Anwesenheit von Städten auf das lokale Mikroklima; die Lufttemperatur in einer Stadt kann nachts viel höher sein (bis zu 10°C oder mehr) als im Umland. Das Stadtklima, vor 20 Jahren ein neuer Zweig der Meteorologie, ist heute ein ausgereiftes Forschungsgebiet. Es deckt eine Reihe von Themen ab, von grundlegenden theoretischen Studien bis hin zu eher angewandter Forschung, deren Hauptziel die Anwendung klimatischer Kenntnisse zur besseren Gestaltung von Städten auf der ganzen Welt ist. Die Mikrometeorologie war aufgrund ihrer Größenordnung schon immer ein zentrales Thema der Stadtforschung. Die Instrumentalisten der Stadtklimatologie haben seit den 1970er Jahren Pionierarbeit bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Instrumentierung und der Prozessanalyse geleistet. Die Prozesse, die zur Bildung des UHI führen (meist physikalischer Natur aufgrund der 3D-Form und der Materialien, aus denen die städtische Struktur besteht), sind aus diesen frühen Studien hervorgegangen. Heute gibt es noch eine Reihe von Herausforderungen bei der Messung dieser recht komplexen städtischen Grenzschicht. Neue Nahbereichs-Fernerkundungsinstrumente werden eingesetzt, um einen speziellen Blick auf die beteiligten physikalischen Prozesse zu erhalten. Solche instrumentellen Entwicklungen werden unweigerlich weitergehen. Das Stadtklima wurde von den Atmosphärenmodellierern erst in Angriff genommen, als die Atmosphärenmodelle eine ausreichend hohe Auflösung (einige km) erreichten, um Städte explizit darstellen zu können. Die ersten Modelle, die den Energie- und Wasseraustausch zwischen städtischen Oberflächen und der Atmosphäre darstellen, erschienen Anfang der 2000er Jahre (siehe die Übersichten in Masson, 2006 und Martilli, 2007) und werden nun zunehmend in numerischen Wettervorhersagemodellen verwendet. Bei den ersten internationalen Vergleichen von Stadtmodellen (Grimmond et al., 2010, 2011) wurden einige offensichtliche Verbesserungsmöglichkeiten erörtert, zum Beispiel bei der Darstellung der städtischen Vegetation. Hinzu kommt, dass regionale Klimamodelle etwa 15 Jahre später als atmosphärische Modelle eine räumliche Auflösung haben, die mit städtischen Maßstäben kompatibel ist. Dies stellt natürlich eine neue Herausforderung für die angemessene Darstellung von Städten in Klimamodellen dar. Ebenso können sich Studien zur Stadtmeteorologie nicht auf Physik oder Chemie beschränken, sondern müssen auch das Verhalten der Bewohner berücksichtigen. Zwar gibt es bereits biometeorologische Studien, insbesondere zum menschlichen Komfort, aber die Wechselwirkungen zwischen der meteorologischen und der sozialen Welt, sowohl im Hinblick auf den menschlichen Komfort als auch beispielsweise auf den meteorologisch bedingten Energieverbrauch, stellen nach wie vor eine der größten Herausforderungen für die Stadtmeteorologen dar.

Herausforderung 12: Ozonabbau und Erholung

Obwohl in vielen Regionen immer noch Minima der stratosphärischen Ozonkonzentration zu verzeichnen sind, gibt es erste Anzeichen für eine Erholung. In der antarktischen Stratosphäre erreichte die Konzentration von Halogenkohlenwasserstoffen um das Jahr 2000 ihren Höhepunkt und begann dann zu sinken. Aktuelle Prognosen deuten darauf hin, dass die vollständige Erholung um das Jahr 2050 eintreten könnte. Dies bedeutet, dass eine der größten Herausforderungen darin besteht, die kontinuierliche Überwachung sowohl des Ozons als auch der ozonabbauenden Gase sicherzustellen, um die Erholung zu gewährleisten. Verbesserungen des grundlegenden Verständnisses der Prozesse und deren Simulationen sind im Zusammenhang mit dem sich ändernden Klima besonders wichtig. Es müssen beide Richtungen simuliert werden, d.h. wie sich ein verändertes Klima auf die Ozonschicht auswirkt und wie sich die Erholung des Ozons auf Wetter und Klima auswirkt. Die sogenannten Klima-Chemie-Modelle (CCMs, Lamarque et al., 2013) scheinen hier von zentraler Bedeutung zu sein.

Die vorstehende Liste der Herausforderungen für die nächsten Jahre in der atmosphärischen Forschung bezieht sich nur auf einige der dringendsten ungelösten Fragen und bleibt natürlich unvollständig. Die hier beschriebenen Herausforderungen dürfen nicht als die wahrscheinlichen Hauptforschungsthemen von Frontiers in Atmospheric Science angesehen werden; jede interessante Arbeit, die mit dem Dach der Atmosphärenforschung verbunden ist, sollte in der Zeitschrift Platz finden.

Danksagungen

Teilweise unterstützt von MINECO (Spanien), Projekt TRAMO und FEDER. Das Team der Associated Editors von Frontiers in Atmospheric Science liefert nützliche Kommentare.

Gimeno, L., Stohl, A., Trigo, R. M., Dominguez, F., Yoshimura, K., Yu, L., et al. (2012). Ozeanische und terrestrische Quellen des kontinentalen Niederschlags. Rev. Geophys. 50:RG4003. doi: 10.1029/2012RG000389

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