Bisherige Ansätze zu Modellierung von Lachgasemissionen haben noch zu keinen zufriedenstellenden Ergebnissen geführt bzw. die Validierung von Modellen steht noch aus, da u.a. die Bestimmung der Gasdiffusion im Oberboden sowie der Gasübergang in Atmosphäre schwierig bestimmbar ist. Wir stellen für diesen Schritt einen empirischen Modellansatz zur Vorhersage von Lachgasemissionen aus oberflächennahen N2O-Gehalten des Bodens vor, der im Rahmen des Projektes zu einer allgemeinen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden soll. Hierbei werden über empirische Transferfaktoren, die in Abhängigkeit von Bodenart, Wassergehalt und Temperatur ermittelt werden, die Emissionen aus Gasgehalten im Boden berechnet. Zur einfachen Bestimmung des N2O-Gehaltes im Oberboden steht ein in unserem Hause entwickeltes neuartiges Bodenprobenahmegerät zur Verfügung. Die Einfachheit der Probenahme und gleichzeitige Erfassung von Gas im Boden sowie den steuernden Größen Nmin und DOC, erlaubt zudem ein Monitoring der Spurengasemissionen auf regionaler Ebene sowie die Validierung bestehender Modelle.
Atmosphärische Modelle verwenden eine Schnittstelle zwischen dem Landoberflächenmodell und der Parametrisierung der Flüsse in der atmosphärischen Grenzschicht (ABL). Über eine Parameterisierung der Prandtlschicht (engl. surface layer scheme) werden Impuls-, Wärme- und Feuchtigkeitsflüsse zwischen der Oberfläche und der untersten atmosphärischen Modellschicht ausgetauscht. Bei diesem Ansatz wird eine „Blending Height“ eingeführt, bei der die Oberflächenflüsse über einer heterogenen Landoberfläche als homogen auf der Gitterskala betrachtet werden. In dieser Höhe, die innerhalb der untersten atmosphärischen Modellschicht angenommen wird, findet der Übergang zur ABL-Parametrisierung statt. Bei konvektionserlaubenden (CP) Modellsimulationen (Gitterskala < 3 km) über heterogener Vegetation können die unteren Modellschichten jedoch unterhalb der „Blending Height“ liegen, was zu Fehlern in den simulierten Flüssen führt. Eine große Herausforderung bei der atmosphärischen Modellierung ist die Parametrisierung der Schnittstelle zwischen heterogener dynamischer Vegetation und ABL unter instabilen, stabilen und neutralen Bedingungen mit Advektion aus verschiedenen Windrichtungen. Dementsprechend sind unsere Ziele die Identifizierung der „Blending Height“ in Abhängigkeit von der Heterogenität und dem Zustand der Vegetation sowie von den atmosphärischen Randbedingungen und die Quantifizierung des Einflusses der Vegetationsheterogenität auf die Energieflüsse in der „Blending Height“. Die Ergebnisse werden verwendet, um repräsentative, skalenabhängige Flüsse auf dieser Ebene für Land-Atmosphären (L-A) Rückkopplungsstudien und Turbulenzparametrisierungen abzuleiten. WRF-NoahMP-Gecros-Modellsimulationen von der CP- bis zur Large-Eddy-Skala werden mit Beobachtungen an den LAFO- und MOL-RAO-Standorten verglichen, um die „Blending Height“ und die effektiven Rauhigkeitsparameter der Vegetation für CP-Simulationen in Abhängigkeit von den atmosphärischen Rahmenbedingungen zu ermitteln. Die Simulationen werden über die Cross Cutting Working Group (CCWG)-MME in das Multi Model Experiment (MME) eingebettet. Die Auswirkungen der Heterogenität auf die Stärke der L-A-Rückkopplung werden untersucht und das Verständnis der Austauschprozesse zwischen Oberfläche und Atmosphäre sowie innerhalb der ABL verbessert. Die Synergie dieser Modellergebnisse und 3D-Beobachtungsdaten wird genutzt, um die skalenabhängigen Auswirkungen der dynamischen Vegetationsheterogenität auf die Energieflüsse in der „Blending Height“ zu untersuchen. Dieses Projekt befasst sich mit den LAFI-Hauptzielen 2, 3, 4, S und E. Es ist an der CCWG-MME und der CCWG-DL beteiligt. Die Simulationen werden in Zusammenarbeit mit den Projekten P6, P8 und P9 durchgeführt. P2 liefert den Blattflächenindex und den Anteil der Vegetationsdecke für die Initialisierung des Modells. Die LAFI-Beobachtungen von P1-P5 werden für die Modellevaluation verwendet.
Die Konzentrationen vieler Luftinhaltsstoffe sind aufgrund vielfältiger menschlicher Aktivitäten in den letzten Jahren beträchtlich angestiegen. Als vegetationsgefährdende Komponente gewinnt dabei Ozon in der Bundesrepublik Deutschland zunehmend an Bedeutung, während z.B. Schwefeldioxid aufgrund der erfolgreichen Emissionsminderungsmaßnahmen in den Hintergrund tritt. Bei der Erstellung von Luftreinhalteplänen/Wirkungskatastern geht es darum, die räumliche und zeitliche Variabilität der Schadgaskonzentrationen im Hinblick auf eine mögliche Beeinträchtigung der Vegetation zu bewerten. Darüber hinaus gilt es, mögliche Entwicklungen der Immissionsbelastung prospektiv zu beurteilen, um frühzeitig evtl. notwendige Gegenmaßnahmen einleiten zu können. Dies bedarf integrierender Konzepte, in denen physikalisch/chemische Messprogramme und Verfahren der Bioindikation miteinander verknüpft werden. Das gemeinsam mit dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie durchgeführte Untersuchungsprogramm gliedert sich in fünf Schritte: - In einem ersten Schritt wurden potentielle Ertragsverluste durch Ozon anhand von Dosis-Wirkung-Funktionen aus der Literatur unter Verwendung hessischer Ozon-Messdaten für verschiedene Kulturpflanzen abgeschätzt. - In einem zweiten Schritt wurde eine flussorientierte Kenngröße für die Ozon-Belastung der Vegetation unter Verwendung von Messgrößen abgeleitet, die in den Ländermessnetzen erhoben werden. - In einem dritten Schritt wurde ein Modell für die Bestimmung des Gasaustausches zwischen Vegetation und bodennaher Atmosphäre entwickelt. - In einem vierten Schritt wurden sog. kritische absorbierte Ozon-Dosen (critical loads) für standardisiert exponierte Rezeptoren abgeleitet. - In einem fünften Schritt werden die aktuell in Europa diskutierten Grenzwerte zum Schutz der Vegetation vor Ozon und die ihnen zu Grunde liegenden Dosis-Wirkung-Funktionen auf ihre Übertragbarkeit auf bzw. Relevanz für die deutschen Verhältnisse untersucht. Die Methodik zur Ableitung kritischer absorbierter Ozon-Dosen (critical loads) wird weiterentwickelt sowie die Gefährdung der Vegetation durch Ozon auf regionaler Ebene realistisch abgeschätzt.
Neue Studien zeigen, dass die Emissionen eines der wichtigsten Fluochlorkohlenwasserstoffe (FCKWs), des CFC--11, seit 2012 wieder ansteigen, was eine ernste Bedrohung für die Ozonschicht bedeutet. Allerdings sind die Abschätzungen der FCKW Emissionen mit großen Unsicherheiten behaftet. Die größte Unsicherheit stammt von Änderungen der stratosphärischen Zirkulation und deren Darstellung in derzeitigen atmosphärischen Modellen und Reanalysen. Die Methodiken, um diese Zirkulationsänderungen in Modellen besser einzuschränken, sind unzureichend.Ziel des Projekts ist es den Einfluß von Jahr-zu-Jahr Variabilität und dekadischen Änderungen im stratosphärischen Transport auf troposphärische Änderungen langlebiger Spurenstoffe, mit Fokus auf FCKWs, besser zu verstehen. Dazu werden neue Methodiken entwickelt und verbessert, um das stratosphärische Altersspektrum abzuleiten, die Verteilung der Transportzeit durch die Stratosphäre. In einem ersten Schritt wird die Methoden-Evaluierung im Modell durchgeführt. Drei verschiedene Methodiken zur Berechnung des Altersspektrums aus Mischungsverhältnissen chemischer Spezies werden verglichen. Diese Methodiken basieren auf (i) einer inversen Gauss-Funktions Parametrisierung, (ii) einer verbesserten Parametrisierung, und (iii) einer direkten Inversions-Methode. Für einen "proof of concept" werden die Resultate aller drei Methoden mit Altersspektren aus dem Lagrangeschen Atmosphären-Modell CLaMS verglichen, die im Modell exakt mit einer Pultracer-Methode berechnet werden. Im zweiten Schritt werden die Methodiken angewendet auf hochaufgelöste in-situ Spurengas-Messdaten aus Luftproben von Flugzeug-Messungen und von neuesten AirCore Messungen. Die Kombination von neuartigen Simulations- und Berechnungs-Methoden mit neuesten Messdaten zur Bestimmung des stratosphärischen Altersspektrums wird zu bisher nicht dagewesenen Einschränkungen des stratosphärischen Transports in Modellen führen. Durch Vergleich der Modell-Altersspektren aus Simulationen die mit verschiedenen meteorologischen Reanalysen angetrieben wurden, einschließlich der neuesten ERA5 Reanalyse und älterer Produkte (ERA-Interim, MERRA-2, JRA-55), soll die Robustheit der Modell-Darstellung stratosphärischer Transportänderungen abgeschätzt werden. Schließlich werden die Variabilitäten im stratosphärischen Transport untersucht und quantifiziert, sowie die Effekte dieser Variabilität auf die Spurengaszusammensetzung der unteren Stratosphäre und auf troposphärische Trends. Die aus dem Projekt resultierenden verbesserten Methodiken zur Abschätzung troposphärischer Spurenstoff-Budgets sollen der wissenschaftlichen Community zugänglich gemacht werden, und werden einen wichtigen Schritt darstellen hin zu einer verbesserten Berechnung von Emissionen langlebiger ozonzerstörender Substanzen und Treibhausgase.
Es gibt konzeptionelle Gründe, Interesse an effizienten Atmosphärenmodellen zu haben, weil diese tiefere Einblicke in der Atmosphärendynamik erlauben, z.B. in Hinsicht auf Klimavariabilität. Solche Modelle sind aber auch ein nützliches Werkzeug bei Untersuchungen der Klimasensitivität oder des Paläoklimas, wo sehr viele oder sehr lange Integrationen benötigt werden und somit die Recheneffizienz eine wichtige Rolle spielt. Besonders bei diesen Anwendungen muss darauf Wert gelegt werden, dass die unvermeidlichen Subgitterskalenparametrisierungen möglichst viel auf ersten Prinzipien basieren. Die stochastische Modenreduktion (SMR) bietet hier eine Strategie, bei der ein großer Teil der Parametrisierung auf Papier hergeleitet wird, wenn bestimmte Terme, die Wechselwirkungen zwischen nichtaufgelösten Moden beschreiben, durch einen einfachen stochastischen Prozess modelliert werden können. In früheren Anwendungen der SMR wurden die reduzierten Atmosphärenmodelle immer im Spektralraum formuliert. Somit koppelt die dazugehörige globale subgitterskalige Parametrisierung alle aufgelösten Moden miteinander. Letztes begrenzt die Anwendbarkeit der Methode auf niedrigdimensionale Systeme. Um dieses Problem zu umgehen, ist unlängst eine Implementierung der SMR für gitterbasierte Raumdiskretisierungen entwickelt worden, die in einer lokalen Parametrisierung resultiert. Diese Strategie wurde bis jetzt nur im Rahmen der Burgersgleichung getestet. Das vorgeschlagene Projekt soll signifikant dazu beitragen, die lokale SMR auf realistische Modelle der Atmosphärendynamik anzuwenden. Dabei sollen subgitterskalige Parametrisierungen für die barotrope Vorticitygleichung und für die Flachwassergleichungen auf der f-Ebene konstruiert werden. Beide Modelle beinhalten wesentliche Eigenschaften, die berücksichtigt werden müssen, wenn man die lokale SMR auf die allgemeinen Gleichungen für die Beschreibung der Atmosphärendynamik anwenden will. Die neuen subgitterskaligen Parametrisierungen sollen folgende Kriterien erfüllen: i) sie sollen systematisch aus den Modellgleichungen unter einer relativ kleinen Anzahl von Grundannahmen hergeleitet werden ii) sie sollen so konsistent wie möglich mit den Erhaltungseigenschaften der Gleichungen sein und iii) sie sollen eine minimale (falls möglich gar keine) Anpassung an Daten der aufgelösten Skalen verwenden. In der Klimamodellierung existiert ein großer Bedarf an physikalisch basierten und auflösungsunabhängig formulierten stochastischen Parametrisierungen. Die Entwicklung von subgitterskaligen Parametrisierungen mittels der SMR, wie in diesem Projekt vorgeschlagen, wird zu solchen Verfahren beitragen. Die Turbulenzparametrisierung in grob auflösenden Simulationen ist ein anderes Feld, das von einer solchen Entwicklung profitieren kann.
Vulkanische Eruptionen faszinieren die Menschen seit jeher, insbesondere wenn sie mit spektakulären Blitzen in Eruptionswolken einhergehen. Dieses Phänomen wurde erstmals durch Plinius den Jüngeren bei der 79 AD Eruption des Vesuvs beschrieben und heutzutage gibt es zahlreiche ausgezeichnete Fotos von Blitzen während vulkanischer Eruptionen. Das verstärkte wissenschaftliche Interesse beruht darauf, dass Blitze relativ einfach mittels Antennen zu registrieren sind und so u.U. als Mitigationswerkzeug und zur Abschätzung der Eruptionsgröße genutzt werden könnten. Zudem legen die Miller-Ureys Experimente nahe, dass Blitze in Vulkaneruptionen die Transformation der aus vulkanischen Gasen bestehenden primordialen Atmosphäre in komplexe organische Verbindungen begünstigt haben können.Bisher sind dedizierte Modelle zur Erklärung der Blitze in vulkanischen Eruptionen jedoch nach wie vor selten. Verschiedene elektrostatische Prozesse wie Triboelektrifikation und bruchinduzierte Ladungstrennung wurden zwar schon genauer untersucht, aber in vielen Modellen wird die Eruptionswolke hinsichtlich der Blitzentstehung immer noch mit einer dreckigen Gewitterwolke verglichen, obwohl die Gemeinsamkeiten beider Wolken eher klein sind. Mittels dieses Antrags soll die Entstehung von Blitzen in Eruptionswolken durch eine neuartige Kombination von Geländemessungen, Laborexperimenten und begleitenden numerischen Modellen untersucht werden. Bei den Geländemessungen kommen Doppler Radar, Hochgeschwindigkeitsvideos, Messungen des elektrischen Feldes sowie seismische und akustische Messungen zum Einsatz, um die auftretenden Blitze eindeutig physikalischen Bedingungen in der Eruptionswolke zuzuordnen. Diese Messungen sollen am Vulkan Sakurajima in Japan durchgeführt werden, der für seine häufigen vulkanischen Eruptionen sowie das Auftreten von Blitzen bekannt ist. Die Geländedaten dokumentieren die prä-eruptiven Bedingungen, die Eruptionsgeschwindigkeiten vor und während der Blitze, die Positionen der Blitze und dazugehörige elektrische Felder, sowie Korngrößenverteilungen der Asche. Diese Daten werden durch detaillierte Laborversuche in sog. Shock tubes ergänzt, in denen sowohl natürlich als auch synthetisch hergestellte Asche verwendet wird. Untersucht werden u.a. die elektrischen Eigenschaften der Asche und der Zusammenhang zwischen den Versuchsbedingungen und dem Auftreten von Blitzen. Letztlich werden wir ein bestehendes Eruptionssäulenmodell um die Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der Aschepartikel erweitern. Hiermit sollen unsere Modellvorstellungen zur Entstehung von Blitzen untersucht werden, insbesondere warum einige Eruptionen keine Blitze aufweisen während sich andere durch heftige Blitztätigkeit auszeichnen. Unsere Gelände- und Labordaten zusammen mit den numerischen Modellen werden die Bedingungen zum Auftreten vulkanischer Blitze klar eingrenzen und somit wird sich auch abschätzen lassen, inwieweit Blitze als Warnsystem genutzt werden können.
Energetische Elektronen aus der Aurora und den Strahlungsgürteln sind bekannte Quellen von Stickoxiden in der Auroraregion der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (MLT, 60-140 km). Im polaren Winter können diese Stickoxide bis in die mittlere Stratosphäre (30—45 km) herunter transportiert werden; sie variieren dabei mit der geomagnetischen Aktivität und dem dynamischen Zustand der Atmosphäre. Hier tragen Stickoxide maßgeblich zum katalytischen Ozonabbau bei; da Ozon eine wesentliche Rolle in der Strahlungsheizung der Stratosphäre spielt, ändern sich durch den Abwärtstransport von auroralen Stickoxiden auch Temperaturen und Windfelder. Diese Änderungen der Atmosphärendynamik können die ganze Atmosphäre bis hinunter zu troposphärischen Wettersystemen betreffen. Aus diesem Grund wurde kürzlich zum ersten Mal empfohlen, geomagnetische Aktivität als Teil des solaren Forcings des Klimasystems in Klima-Chemiemodellstudien wie CMIP-6 zu berücksichtigen. Die atmosphärischen Ionisationsraten, welche verwendet werden, um solche Modellexperimente anzutreiben, basieren empirisch auf Flüssen von präzipitierenden Elektronen, welche jedoch mit großen Unsicherheiten behaftet sind; neue Studien legen nahe, daß es ernsthafte Probleme mit der Genauigkeit dieser Daten gibt. In diesem Projekt werden wir untersuchen, wie vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre präzipitierende Elektronen verschiedener Energien beeinflussen, und welchen Einfluß diese präzipitierenden Elektronen auf die Zusammensetzung, Temperatur, und Windfelder in der mittleren Atmosphäre haben.Insbesondere werden wir untersuchen:• Wie beeinflussen vom Sonnenwind getriebene Prozesse in der Magnetosphäre das Präzipitieren von Strahlungsgürtelelektronen in die Atmosphäre?• Zu welchen Energien werden präzipitierende Elektronen in den unterschiedlichen geomagnetischen Stürmen in der Magnetosphäre beschleunigt? • Welcher Energiebereich der Präzipitierenden Elektronen hat den größten Einfluss auf die Zusammensetzung und Dynamik der mittleren Atmosphäre?Dazu werden Modellsimulationen mit dem neuentwickelten VERB-4D Modell durchgeführt, welches Elektronenbeschleunigung in die Atmosphäre durch Welle-Teilchen-Wechselwirkungen mit Chorus, Plasmaspheric hiss, hiss in plumes, und EMIC-Wellen berücksichtigt. Ergebnisse werden mit NOAA POES Daten validiert. Modellierte Elektronenflüsse am Oberrand des Modells werden als Input verwendet für das neuentwickelte Klima-Chemiemodells EMAC/EDITh (Boden bis 220km). Modellierte Temperaturen und der Stickoxid-Gehalt werden anhand von Beobachtungen validiert. Fallstudien werden durchgeführt werden für geomagnetische Stürme, die durch Korotating Interaction Regions (CIR) und solare koronale Massenauswürfe (CMEs) ausgelöst wurden, um zu untersuchen, wie die verschiedenen Prozesse unterschiedliche Bereiche der Atmosphäre beeinflussen.
Ausgehend von den bereits existierenden 'Boxen-Modellen' fuer den CO2-Kreislauf der Erde soll eine einheitliche mathematische Beschreibung von Boxen-Modellen mit beliebiger Anzahl von Boxen gegeben werden, die es erlaubt, Gleichgewichtszustaende, zeitliche Entwicklung von gestoerten Zustaenden sowie Unsicherheiten in den Parametern zu analysieren. Dabei wird auf die allgemeine Erfahrung der Autoren mit Materialbilanzierungsproblemen, insbesondere im Zusammenhang mit Fragen der Kernmaterialbilanzierung, zurueckgegriffen.
| Origin | Count |
|---|---|
| Bund | 423 |
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| Wissenschaft | 2 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 1 |
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| License | Count |
|---|---|
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| Boden | 331 |
| Lebewesen und Lebensräume | 344 |
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