TY - JOUR A1 - Bulla, Mattia A1 - Coughlin, Michael W. A1 - Dhawan, Suhail A1 - Dietrich, Tim T1 - Multi-messenger constraints on the Hubble constant through combination of gravitational waves, gamma-ray bursts and kilonovae from neutron star mergers JF - Universe : open access journal N2 - The simultaneous detection of gravitational waves and light from the binary neutron star merger GW170817 led to independent measurements of distance and redshift, providing a direct estimate of the Hubble constant H-0 that does not rely on a cosmic distance ladder, nor assumes a specific cosmological model. By using gravitational waves as "standard sirens", this approach holds promise to arbitrate the existing tension between the H-0 value inferred from the cosmic microwave background and those obtained from local measurements. However, the known degeneracy in the gravitational-wave analysis between distance and inclination of the source led to a H-0 value from GW170817 that was not precise enough to resolve the existing tension. In this review, we summarize recent works exploiting the viewing-angle dependence of the electromagnetic signal, namely the associated short gamma-ray burst and kilonova, to constrain the system inclination and improve on H-0. We outline the key ingredients of the different methods, summarize the results obtained in the aftermath of GW170817 and discuss the possible systematics introduced by each of these methods. KW - gravitational waves KW - stars: neutron KW - stars: binaries KW - cosmology: cosmological parameters KW - cosmology: distance scale KW - cosmology: cosmic background radiation Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.3390/universe8050289 SN - 2218-1997 VL - 8 IS - 5 PB - MDPI CY - Basel ER - TY - JOUR A1 - Shin, Jaeoh A1 - Cherstvy, Andrey G. A1 - Metzler, Ralf T1 - Self-subdiffusion in solutions of star-shaped crowders: non-monotonic effects of inter-particle interactions JF - New journal of physics : the open-access journal for physics N2 - We examine by extensive computer simulations the self-diffusion of anisotropic star-like particles in crowded two-dimensional solutions. We investigate the implications of the area coverage fraction phi of the crowders and the crowder-crowder adhesion properties on the regime of transient anomalous diffusion. We systematically compute the mean squared displacement (MSD) of the particles, their time averaged MSD, and the effective diffusion coefficient. The diffusion is ergodic in the limit of long traces, such that the mean time averaged MSD converges towards the ensemble averaged MSD, and features a small residual amplitude spread of the time averaged MSD from individual trajectories. At intermediate time scales, we quantify the anomalous diffusion in the system. Also, we show that the translational-but not rotational-diffusivity of the particles Dis a nonmonotonic function of the attraction strength between them. Both diffusion coefficients decrease as the power law D(phi) similar to (1 - phi/phi*)(2 ... 2.4) with the area fraction phi occupied by the crowders and the critical value phi*. Our results might be applicable to rationalising the experimental observations of non-Brownian diffusion for a number of standard macromolecular crowders used in vitro to mimic the cytoplasmic conditions of living cells. KW - anomalous diffusion KW - crowded fluids KW - stochastic processes Y1 - 2015 U6 - https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/11/113028 SN - 1367-2630 VL - 17 PB - IOP Publ. Ltd. CY - Bristol ER - TY - JOUR A1 - Anders, Friedrich A1 - Khalatyan, Arman A1 - Queiroz, Anna B. A. A1 - Chiappini, Cristina A1 - Ardèvol, Judith A1 - Casamiquela, Laia A1 - Figueras, Francesca A1 - Jiménez-Arranz, Óscar A1 - Jordi, Carme A1 - Monguio, Maria A1 - Romero-Gómez, Merce A1 - Altamirano, Diego A1 - Antoja, Teresa A1 - Assaad, R. A1 - Cantat-Gaudin, Tristan A1 - Castro-Ginard, Alfred A1 - Enke, Harry A1 - Girardi, Léo A1 - Guiglion, Guillaume A1 - Khan, Saniya A1 - Luri, Xavier A1 - Miglio, Andrea A1 - Minchev, Ivan A1 - Ramos, Pau A1 - Santiago, Basillio Xavier A1 - Steinmetz, Matthias T1 - Photo-astrometric distances, extinctions, and astrophysical parameters for Gaia EDR3 stars brighter than G=18.5 JF - Astronomy and astrophysics N2 - We present a catalogue of 362 million stellar parameters, distances, and extinctions derived from Gaia's Early Data Release (EDR3) cross-matched with the photometric catalogues of Pan-STARRS1, SkyMapper, 2MASS, and All WISE. The higher precision of the Gaia EDR3 data, combined with the broad wavelength coverage of the additional photometric surveys and the new stellar-density priors of the StarHorse code, allows us to substantially improve the accuracy and precision over previous photo-astrometric stellar-parameter estimates. At magnitude G = 14 (17), our typical precisions amount to 3% (15%) in distance, 0.13 mag (0.15 mag) in V-band extinction, and 140 K (180 K) in effective temperature. Our results are validated by comparisons with open clusters, as well as with asteroseismic and spectroscopic measurements, indicating systematic errors smaller than the nominal uncertainties for the vast majority of objects. We also provide distance- and extinction-corrected colour-magnitude diagrams, extinction maps, and extensive stellar density maps that reveal detailed substructures in the Milky Way and beyond. The new density maps now probe a much greater volume, extending to regions beyond the Galactic bar and to Local Group galaxies, with a larger total number density. We publish our results through an ADQL query interface (gaia . aip . de) as well as via tables containing approximations of the full posterior distributions. Our multi-wavelength approach and the deep magnitude limit render our results useful also beyond the next Gaia release, DR3. KW - stars: distances KW - stars: fundamental parameters KW - Galaxy: general KW - Galaxy: stellar content KW - Galaxy: structure Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1051/0004-6361/202142369 SN - 0004-6361 SN - 1432-0746 VL - 658 PB - EDP Sciences CY - Les Ulis ER - TY - JOUR A1 - Keles, Engin A1 - Mallonn, Matthias A1 - Kitzmann, Daniel A1 - Poppenhäger, Katja A1 - Hoeijmakers, H. Jens A1 - Ilyin, Ilya A1 - Alexoudi, Xanthippi A1 - Carroll, Thorsten A. A1 - Alvarado-Gomez, Julian A1 - Ketzer, Laura A1 - Bonomo, Aldo S. A1 - Borsa, Francesco A1 - Gaudi, B. Scott A1 - Henning, Thomas A1 - Malavolta, Luca A1 - Molaverdikhani, Karan A1 - Nascimbeni, Valerio A1 - Patience, Jennifer A1 - Pino, Lorenzo A1 - Scandariato, Gaetano A1 - Schlawin, Everett A1 - Shkolnik, Evgenya A1 - Sicilia, Daniela A1 - Sozzetti, Alessandro A1 - Foster, Mary G. A1 - Veillet, Christian A1 - Wang, Ji A1 - Yan, Fei A1 - Strassmeier, Klaus G. T1 - The PEPSI exoplanet transit survey (PETS) I: Investigating the presence of a silicate atmosphere on the super-earth 55 Cnc e JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - The study of exoplanets and especially their atmospheres can reveal key insights on their evolution by identifying specific atmospheric species. For such atmospheric investigations, high-resolution transmission spectroscopy has shown great success, especially for Jupiter-type planets. Towards the atmospheric characterization of smaller planets, the super-Earth exoplanet 55 Cnc e is one of the most promising terrestrial exoplanets studied to date. Here, we present a high-resolution spectroscopic transit observation of this planet, acquired with the PEPSI instrument at the Large Binocular Telescope. Assuming the presence of Earth-like crust species on the surface of 55 Cnc e, from which a possible silicate-vapor atmosphere could have originated, we search in its transmission spectrum for absorption of various atomic and ionized species such as Fe , Fe (+), Ca , Ca (+), Mg, and K , among others. Not finding absorption for any of the investigated species, we are able to set absorption limits with a median value of 1.9 x R-P. In conclusion, we do not find evidence of a widely extended silicate envelope on this super-Earth reaching several planetary radii. KW - planets and satellites: atmospheres KW - planets and satellites: composition Y1 - 2022 U6 - https://doi.org/10.1093/mnras/stac810 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 513 IS - 1 SP - 1544 EP - 1556 PB - Oxford University Press CY - Oxford ER - TY - GEN A1 - Ciemer, Catrin A1 - Rehm, Lars A1 - Kurths, Jürgen A1 - Donner, Reik Volker A1 - Winkelmann, Ricarda A1 - Boers, Niklas T1 - An early-warning indicator for Amazon droughts exclusively based on tropical Atlantic sea surface temperatures T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Droughts in tropical South America have an imminent and severe impact on the Amazon rainforest and affect the livelihoods of millions of people. Extremely dry conditions in Amazonia have been previously linked to sea surface temperature (SST) anomalies in the adjacent tropical oceans. Although the sources and impacts of such droughts have been widely studied, establishing reliable multi-year lead statistical forecasts of their occurrence is still an ongoing challenge. Here, we further investigate the relationship between SST and rainfall anomalies using a complex network approach. We identify four ocean regions which exhibit the strongest overall SST correlations with central Amazon rainfall, including two particularly prominent regions in the northern and southern tropical Atlantic. Based on the time-dependent correlation between SST anomalies in these two regions alone, we establish a new early-warning method for droughts in the central Amazon basin and demonstrate its robustness in hindcasting past major drought events with lead-times up to 18 months. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 1207 KW - complex networks KW - droughts KW - prediction KW - Amazon rainforest Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-525863 SN - 1866-8372 IS - 9 ER - TY - JOUR A1 - Winkelmann, Ricarda A1 - Levermann, Anders A1 - Martin, Maria A. A1 - Frieler, Katja T1 - Increased future ice discharge from Antarctica owing to higher snowfall JF - Nature : the international weekly journal of science N2 - Anthropogenic climate change is likely to cause continuing global sea level rise(1), but some processes within the Earth system may mitigate the magnitude of the projected effect. Regional and global climate models simulate enhanced snowfall over Antarctica, which would provide a direct offset of the future contribution to global sea level rise from cryospheric mass loss(2,3) and ocean expansion(4). Uncertainties exist in modelled snowfall(5), but even larger uncertainties exist in the potential changes of dynamic ice discharge from Antarctica(1,6) and thus in the ultimate fate of the precipitation-deposited ice mass. Here we show that snowfall and discharge are not independent, but that future ice discharge will increase by up to three times as a result of additional snowfall under global warming. Our results, based on an ice-sheet model(7) forced by climate simulations through to the end of 2500 (ref. 8), show that the enhanced discharge effect exceeds the effect of surface warming as well as that of basal ice-shelf melting, and is due to the difference in surface elevation change caused by snowfall on grounded versus floating ice. Although different underlying forcings drive ice loss from basal melting versus increased snowfall, similar ice dynamical processes are nonetheless at work in both; therefore results are relatively independent of the specific representation of the transition zone. In an ensemble of simulations designed to capture ice-physics uncertainty, the additional dynamic ice loss along the coastline compensates between 30 and 65 per cent of the ice gain due to enhanced snowfall over the entire continent. This results in a dynamic ice loss of up to 1.25 metres in the year 2500 for the strongest warming scenario. The reported effect thus strongly counters a potential negative contribution to global sea level by the Antarctic Ice Sheet. Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1038/nature11616 SN - 0028-0836 VL - 492 IS - 7428 SP - 239 EP - + PB - Nature Publ. Group CY - London ER - TY - THES A1 - Khosravi, Sara T1 - The effect of new turbulence parameterizations for the stable surface layer on simulations of the Arctic climate T1 - Die Auswirkung neuer Turbulenzparametrisierungen auf die stabile Grenzschicht in Simulationen des arktischen Klimas N2 - Arctic climate change is marked by intensified warming compared to global trends and a significant reduction in Arctic sea ice which can intricately influence mid-latitude atmospheric circulation through tropo- and stratospheric pathways. Achieving accurate simulations of current and future climate demands a realistic representation of Arctic climate processes in numerical climate models, which remains challenging. Model deficiencies in replicating observed Arctic climate processes often arise due to inadequacies in representing turbulent boundary layer interactions that determine the interactions between the atmosphere, sea ice, and ocean. Many current climate models rely on parameterizations developed for mid-latitude conditions to handle Arctic turbulent boundary layer processes. This thesis focuses on modified representation of the Arctic atmospheric processes and understanding their resulting impact on large-scale mid-latitude atmospheric circulation within climate models. The improved turbulence parameterizations, recently developed based on Arctic measurements, were implemented in the global atmospheric circulation model ECHAM6. This involved modifying the stability functions over sea ice and ocean for stable stratification and changing the roughness length over sea ice for all stratification conditions. Comprehensive analyses are conducted to assess the impacts of these modifications on ECHAM6's simulations of the Arctic boundary layer, overall atmospheric circulation, and the dynamical pathways between the Arctic and mid-latitudes. Through a step-wise implementation of the mentioned parameterizations into ECHAM6, a series of sensitivity experiments revealed that the combined impacts of the reduced roughness length and the modified stability functions are non-linear. Nevertheless, it is evident that both modifications consistently lead to a general decrease in the heat transfer coefficient, being in close agreement with the observations. Additionally, compared to the reference observations, the ECHAM6 model falls short in accurately representing unstable and strongly stable conditions. The less frequent occurrence of strong stability restricts the influence of the modified stability functions by reducing the affected sample size. However, when focusing solely on the specific instances of a strongly stable atmosphere, the sensible heat flux approaches near-zero values, which is in line with the observations. Models employing commonly used surface turbulence parameterizations were shown to have difficulties replicating the near-zero sensible heat flux in strongly stable stratification. I also found that these limited changes in surface layer turbulence parameterizations have a statistically significant impact on the temperature and wind patterns across multiple pressure levels, including the stratosphere, in both the Arctic and mid-latitudes. These significant signals vary in strength, extent, and direction depending on the specific month or year, indicating a strong reliance on the background state. Furthermore, this research investigates how the modified surface turbulence parameterizations may influence the response of both stratospheric and tropospheric circulation to Arctic sea ice loss. The most suitable parameterizations for accurately representing Arctic boundary layer turbulence were identified from the sensitivity experiments. Subsequently, the model's response to sea ice loss is evaluated through extended ECHAM6 simulations with different prescribed sea ice conditions. The simulation with adjusted surface turbulence parameterizations better reproduced the observed Arctic tropospheric warming in vertical extent, demonstrating improved alignment with the reanalysis data. Additionally, unlike the control experiments, this simulation successfully reproduced specific circulation patterns linked to the stratospheric pathway for Arctic-mid-latitude linkages. Specifically, an increased occurrence of the Scandinavian-Ural blocking regime (negative phase of the North Atlantic Oscillation) in early (late) winter is observed. Overall, it can be inferred that improving turbulence parameterizations at the surface layer can improve the ECHAM6's response to sea ice loss. N2 - Der Klimawandel in der Arktis ist durch eine im Vergleich zum globalen Klimawandel verstärkte Erwärmung und einem damit verbundenen starken Rückgang des arktischen Meereises gekennzeichnet. Da dieser verstärkte Klimawandel in der Arktis die atmosphärische Zirkulation in den mittleren Breiten auf komplexe Weise über tropo- und stratosphärische Pfade beeinflussen kann, ist eine realistische Darstellung arktischer Prozesse in numerischen Klimamodellen für zuverlässige Simulationen gegenwärtiger und zukünftiger Klimaänderungen notwendig, stellt aber nach wie vor eine Herausforderung dar. Ein wesentlicher Grund für Modelldefizite bei der Reproduktion der beobachteten arktischen Klimaprozesse sind Unzulänglichkeiten bei der Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen, die die Wechselwirkung zwischen Atmosphäre, Meereis und Ozean bestimmen. Gegenwärtige Klimamodelle verwenden für die Darstellung von turbulenten Grenzschichtprozessen in der Arktis häufig Parametrisierungen, die für Bedingungen in mittleren Breiten entwickelt wurden. Diese Arbeit zielt auf eine bessere Darstellung arktischer atmosphärischer Prozesse in Klimamodellen und ein besseres Verständnis der daraus resultierenden Auswirkungen auf die simulierte großskalige atmosphärische Zirkulation in mittleren Breiten ab. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine Hierarchie von verbesserten Turbulenzparametrisierungen in das globale atmosphärische Zirkulationsmodell ECHAM6 implementiert, die basierend auf arktischen Messungen kürzlich entwickelt wurden. Dabei wurden die Stabilitätsfunktionen über Meereis und Ozean für stabile Schichtung sowie die Rauhigkeitslänge über dem Meereis für alle Schichtungsbedingungen modifiziert. Anschließend wurde eine umfassende Analyse der jeweiligen Sensitivitätsexperimente durchgeführt, um den Einfluss dieser Modifikationen auf die Simulationen der arktischen Grenzschicht, der großräumigen atmosphärischen Zirkulation und der dynamischen Verbindungswege zwischen der Arktis und den mittleren Breiten in ECHAM6 zu bewerten. Durch eine schrittweise Implementierung der Hierarchie von verbesserten Turbulenzparameterisierungen in ECHAM6 wurden in einer Reihe von Sensitivitätsexperimenten folgende Erkenntnisse gewonnen: Die kombinierte Auswirkung der reduzierten Rauhigkeitslänge und der modifizierten Stabilitätsfunktionen ist nichtlinear. Dennoch zeigt sich, dass beide Modifikationen zu einer besseren Darstellung arktischer Grenzschichtprozesse führen, insbesondere stimmt die Verringerung des Transferkoeffizienten für Wärme gut mit den Beobachtungen überein. Im Vergleich zu den Referenzbeobachtungen zeigt das ECHAM6-Modell jedoch eine unrealistische Darstellung des Auftretens labiler und stark stabiler Schichtungsbedingungen. Die geringere Häufigkeit von stark stabilen Bedingungen begrenzt den Einfluss der modifizierten Stabilitätsfunktionen. Wenn in den Modelldaten nur die Fälle mit stark stabiler Schichtung analysiert werden, führt die Verwendung der modifizierten Stabilitätsfunktionen zu sehr kleinen turbulenten sensiblen Wärmeflüssen in guter Übereinstimmung mit den Beobachtungen. Dieses Verhalten wurde in den Modellsimulationen mit der Standardturbulenzparametrisierung nicht reproduziert. Es wurde zudem festgestellt, dass die Änderungen in den Turbulenzparametrisierungen einen statistisch signifikanten Einfluss auf die großskaligen Temperatur- und Windfelder in verschiedenen Höhen bis in die Stratosphäre sowohl in der Arktis als auch in den mittleren Breiten haben. Diese signifikanten Signale variieren in ihrer Stärke und Lage je nach Monat und Jahr, was eine starke Abhängigkeit vom Hintergrundzustand anzeigt. Des Weiteren wird in dieser Arbeit untersucht, wie die modifizierten Turbulenzparametrisierungen die Reaktion der troposphärischen und stratosphärischen Zirkulation auf den Rückgang des arktischen Meereises beeinflussen. Dafür wurden die geeignetsten Parametrisierungen zur Darstellung der arktischen Grenzschichtturbulenz anhand der Sensitivitätsexperimente identifiziert. Anschließend wurde die Reaktion des Modells ECHAM6 auf den Meereisverlust durch weitere lange Simulationen mit unterschiedlichen vorgegebenen Meereisbedingungen bewertet. Dabei simuliert die ECHAM6 Modellversion mit verbesserter Turbulenzparametrisierung eine größere vertikale Ausdehnung der arktischen troposphärischen Erwärmung bei Meereisrückgang und zeigt somit eine verbesserte Übereinstimmung mit den Reanalyse-Daten. Darüber hinaus treten in dieser Simulation im Gegensatz zu den Kontrollexperimenten häufiger bevorzugte Zirkulationsmuster auf, die dafür bekannt sind, dass sie Änderungen in der Arktis dynamisch mit den mittleren Breiten verknüpfen. Insbesondere treten blockierende Hochdrucklagen über Skandinavien/Ural im Frühwinter und die negative Phase der Nordatlantischen Oszillation im Spätwinter häufiger auf. Daher lässt sich ableiten, dass durch eine Verbesserung der Turbulenzparametrisierung der Effekt von Meereisverlust in ECHAM6 realistischer dargestellt werden kann. KW - boundary layer KW - atmosphere KW - atmospheric modelling KW - turbulence parameterizations KW - Atmosphäre KW - Atmosphärenmodellierung KW - Grenzschicht KW - Turbulenzparametrisierungen Y1 - 2023 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-643520 ER - TY - THES A1 - Damseaux, Adrien T1 - Improving permafrost dynamics in land surface models: insights from dual sensitivity experiments T1 - Verbesserung der Permafrostdynamik in Landoberflächenmodellen: Erkenntnisse aus doppelten Sensitivitätsexperimenten N2 - The thawing of permafrost and the subsequent release of greenhouse gases constitute one of the most significant and uncertain positive feedback loops in the context of climate change, making predictions regarding changes in permafrost coverage of paramount importance. To address these critical questions, climate scientists have developed Land Surface Models (LSMs) that encompass a multitude of physical soil processes. This thesis is committed to advancing our understanding and refining precise representations of permafrost dynamics within LSMs, with a specific focus on the accurate modeling of heat fluxes, an essential component for simulating permafrost physics. The first research question overviews fundamental model prerequisites for the representation of permafrost soils within land surface modeling. It includes a first-of-its-kind comparison between LSMs in CMIP6 to reveal their differences and shortcomings in key permafrost physics parameters. Overall, each of these LSMs represents a unique approach to simulating soil processes and their interactions with the climate system. Choosing the most appropriate model for a particular application depends on factors such as the spatial and temporal scale of the simulation, the specific research question, and available computational resources. The second research question evaluates the performance of the state-of-the-art Community Land Model (CLM5) in simulating Arctic permafrost regions. Our approach overcomes traditional evaluation limitations by individually addressing depth, seasonality, and regional variations, providing a comprehensive assessment of permafrost and soil temperature dynamics. I compare CLM5's results with three extensive datasets: (1) soil temperatures from 295 borehole stations, (2) active layer thickness (ALT) data from the Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM), and (3) soil temperatures, ALT, and permafrost extent from the ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). The results show that CLM5 aligns well with ESA-CCI and CALM for permafrost extent and ALT but reveals a significant global cold temperature bias, notably over Siberia. These results echo a persistent challenge identified in numerous studies: the existence of a systematic 'cold bias' in soil temperature over permafrost regions. To address this challenge, the following research questions propose dual sensitivity experiments. The third research question represents the first study to apply a Plant Functional Type (PFT)-based approach to derive soil texture and soil organic matter (SOM), departing from the conventional use of coarse-resolution global data in LSMs. This novel method results in a more uniform distribution of soil organic matter density (OMD) across the domain, characterized by reduced OMD values in most regions. However, changes in soil texture exhibit a more intricate spatial pattern. Comparing the results to observations reveals a significant reduction in the cold bias observed in the control run. This method shows noticeable improvements in permafrost extent, but at the cost of an overestimation in ALT. These findings emphasize the model's high sensitivity to variations in soil texture and SOM content, highlighting the crucial role of soil composition in governing heat transfer processes and shaping the seasonal variation of soil temperatures in permafrost regions. Expanding upon a site experiment conducted in Trail Valley Creek by \citet{dutch_impact_2022}, the fourth research question extends the application of the snow scheme proposed by \citet{sturm_thermal_1997} to cover the entire Arctic domain. By employing a snow scheme better suited to the snow density profile observed over permafrost regions, this thesis seeks to assess its influence on simulated soil temperatures. Comparing this method to observational datasets reveals a significant reduction in the cold bias that was present in the control run. In most regions, the Sturm run exhibits a substantial decrease in the cold bias. However, there is a distinctive overshoot with a warm bias observed in mountainous areas. The Sturm experiment effectively addressed the overestimation of permafrost extent in the control run, albeit resulting in a substantial reduction in permafrost extent over mountainous areas. ALT results remain relatively consistent compared to the control run. These outcomes align with our initial hypothesis, which anticipated that the reduced snow insulation in the Sturm run would lead to higher winter soil temperatures and a more accurate representation of permafrost physics. In summary, this thesis demonstrates significant advancements in understanding permafrost dynamics and its integration into LSMs. It has meticulously unraveled the intricacies involved in the interplay between heat transfer, soil properties, and snow dynamics in permafrost regions. These insights offer novel perspectives on model representation and performance. N2 - Das Auftauen von Permafrost und die anschließende Freisetzung von Treibhausgasen stellen eine der bedeutendsten und unsichersten positiven Rückkopplungsschleifen im Kontext des Klimawandels dar, was Vorhersagen über Veränderungen der Permafrostverbreitung von größter Bedeutung macht. Um diese kritischen Fragen zu adressieren, haben Klimawissenschaftler Landoberflächenmodelle (LSMs) entwickelt, die eine Vielzahl physikalischer Bodenprozesse umfassen. Diese Dissertation widmet sich der Vertiefung unseres Verständnisses und der Verfeinerung präziser Darstellungen der Permafrostdynamik innerhalb von LSMs, mit einem besonderen Fokus auf die genaue Modellierung von Wärmeflüssen, einem wesentlichen Bestandteil der Simulation von Permafrostphysik. Die erste Forschungsfrage gibt einen Überblick über grundlegende Modellanforderungen für die Darstellung von Permafrostböden innerhalb der Landoberflächenmodellierung. Sie beinhaltet einen erstmaligen Vergleich zwischen LSMs im Rahmen von CMIP6, um deren Unterschiede und Schwächen in den Schlüsselparametern der Permafrostphysik aufzuzeigen. Insgesamt repräsentiert jedes dieser LSMs einen einzigartigen Ansatz zur Simulation von Bodenprozessen und deren Wechselwirkungen mit dem Klimasystem. Die Wahl des am besten geeigneten Modells für eine bestimmte Anwendung hängt von Faktoren wie dem räumlichen und zeitlichen Maßstab der Simulation, der spezifischen Forschungsfrage und den verfügbaren Rechenressourcen ab. Die zweite Forschungsfrage bewertet die Leistungsfähigkeit des hochmodernen Community Land Model (CLM5) bei der Simulation arktischer Permafrostregionen. Unser Ansatz überwindet traditionelle Evaluationsbeschränkungen, indem er Tiefe, Saisonalität und regionale Variationen einzeln berücksichtigt und eine umfassende Bewertung der Permafrost- und Bodentemperaturdynamik liefert. Ich vergleiche die Ergebnisse von CLM5 mit drei umfangreichen Datensätzen: (1) Bodentemperaturen von 295 Bohrlochstationen, (2) Daten zur aktiven Schichtdicke (ALT) aus dem Circumpolar Active Layer Monitoring Network (CALM) und (3) Bodentemperaturen, ALT und Permafrostausdehnung aus der ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI). Die Ergebnisse zeigen, dass CLM5 gut mit ESA-CCI und CALM für Permafrostausdehnung und ALT übereinstimmt, jedoch eine signifikante globale kalte Temperaturabweichung aufweist, insbesondere über Sibirien. Diese Ergebnisse spiegeln eine anhaltende Herausforderung wider, die in zahlreichen Studien identifiziert wurde: das Vorhandensein einer systematischen "kalten Abweichung" bei Bodentemperaturen in Permafrostregionen. Um diese Herausforderung anzugehen, schlagen die folgenden Forschungsfragen duale Sensitivitätsexperimente vor. Die dritte Forschungsfrage stellt die erste Studie dar, die einen pflanzenfunktionstypbasierten Ansatz (PFT) zur Ableitung von Bodentextur und organischer Bodensubstanz (SOM) anwendet und sich von der herkömmlichen Verwendung grob aufgelöster globaler Daten in LSMs abwendet. Diese neuartige Methode führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Dichte organischer Bodensubstanz (OMD) im gesamten Bereich, gekennzeichnet durch geringere OMD-Werte in den meisten Regionen. Veränderungen in der Bodentextur zeigen jedoch ein komplexeres räumliches Muster. Der Vergleich der Ergebnisse mit Beobachtungen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf beobachtet wurde. Diese Methode zeigt bemerkenswerte Verbesserungen in der Permafrostausdehnung, jedoch auf Kosten einer Überschätzung der ALT. Diese Ergebnisse unterstreichen die hohe Empfindlichkeit des Modells gegenüber Variationen in der Bodentextur und dem SOM-Gehalt und heben die entscheidende Rolle der Bodenbeschaffenheit bei der Steuerung der Wärmeübertragungsprozesse und der saisonalen Variation der Bodentemperaturen in Permafrostregionen hervor. Aufbauend auf einem Standortexperiment im Trail Valley Creek von Dutch et al. (2022) erweitert die vierte Forschungsfrage die Anwendung des von Sturm et al. (1997) vorgeschlagenen Schneeschemas auf das gesamte arktische Gebiet. Durch die Anwendung eines Schneeschemas, das besser zu dem in Permafrostregionen beobachteten Schneedichteprofil passt, versucht diese Dissertation, dessen Einfluss auf die simulierten Bodentemperaturen zu bewerten. Der Vergleich dieser Methode mit Beobachtungsdatensätzen zeigt eine signifikante Reduzierung der kalten Abweichung, die im Kontrolllauf vorhanden war. In den meisten Regionen weist der Sturm-Lauf eine erhebliche Verringerung der kalten Abweichung auf. Es gibt jedoch eine deutliche Überschreitung mit einer warmen Abweichung in Bergregionen. Das Sturm-Experiment hat die Überschätzung der Permafrostausdehnung im Kontrolllauf wirksam angegangen, was jedoch zu einer erheblichen Reduzierung der Permafrostausdehnung in Bergregionen führte. Die ALT-Ergebnisse bleiben im Vergleich zum Kontrolllauf relativ konsistent. Diese Ergebnisse entsprechen unserer ursprünglichen Hypothese, die erwartete, dass die reduzierte Schneedecke im Sturm-Lauf zu höheren Winterbodentemperaturen und einer genaueren Darstellung der Permafrostphysik führen würde. Zusammenfassend zeigt diese Dissertation bedeutende Fortschritte im Verständnis der Permafrostdynamik und deren Integration in LSMs. Sie hat die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen Wärmeübertragung, Bodeneigenschaften und Schneedynamik in Permafrostregionen sorgfältig entschlüsselt. Diese Erkenntnisse bieten neue Perspektiven auf die Modellierung und Leistung von Modellen. KW - snow thermal conductivity KW - soil organic matter KW - model validation KW - Modellvalidierung KW - Wärmeleitfähigkeit von Schnee KW - organische Bodensubstanz Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-639450 ER - TY - JOUR A1 - Bernardi, Rafael L. A1 - Berdja, Amokrane A1 - Dani Guzman, Christian A1 - Torres-Torriti, Miguel A1 - Roth, Martin M. T1 - Restoration of images with a spatially varying PSF of the T80-S telescope optical model using neural networks JF - Monthly notices of the Royal Astronomical Society N2 - Most image restoration methods in astronomy rely upon probabilistic tools that infer the best solution for a deconvolution problem. They achieve good performances when the point spread function (PSF) is spatially invariant in the image plane. However, this condition is not always satisfied in real optical systems. We propose a new method for the restoration of images affected by static and anisotropic aberrations using Deep Neural Networks that can be directly applied to sky images. The network is trained using simulated sky images corresponding to the T80-S Telescope optical model, a 80-cm survey imager at Cerro Tololo (Chile), which are synthesized using a Zernike polynomial representation of the optical system. Once trained, the network can be used directly on sky images, outputting a corrected version of the image that has a constant and known PSF across its field of view. The method is to be tested on the T80-S Telescope. We present the method and results on synthetic data. KW - methods: statistical KW - techniques: image processing Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1093/mnras/stab3400 SN - 0035-8711 SN - 1365-2966 VL - 510 IS - 3 SP - 4284 EP - 4294 PB - Oxford Univ. Press CY - Oxford ER -