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Modellierung der N-Ausscheidung von Milchrindern zur Verbesserung der Nationalen Emissionsinventare und der einzelbetrieblichen Einschätzung

Auswirkung von gewässerbreiten Raugerinnen mit Beckenstruktur auf den Oberwasserstand

Raugerinne mit Beckenstruktur stellen für die WSV eine Regelbauweise für die Wiederherstellung der ökologischen Durchgängigkeit dar. Derzeit ist unklar, welche Auswirkung Raugerinne auf die Stauhaltung im Oberwasser haben. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollen Methoden für die Vorhersage der Stauwirkung von Raugerinnen mit Beckenstruktur entwickelt werden. 1 Aufgabenstellung und Ziel Gewässerbreite Raugerinne mit Beckenstruktur (Titelbild) gehören bei der Herstellung der ökologischen Durchgängigkeit an Bundeswasserstraßen zu den Regelbauweisen der WSV. Für die Genehmigung dieser Bauwerke ist der Nachweis der Auswirkungen auf die Wasserspiegellagen im Oberwasser zu erbringen. Die Hydraulik von Raugerinnen mit Beckenstruktur ist komplex, da in Abhängigkeit der Parameter Abfluss, Gefälle und Geometrie verschiedene charakteristische Fließzustände auftreten, die sich auf die Oberwasserspiegel auswirken. Bei geringen Abflüssen wird das Bauwerk im Wesentlichen durch die Durchgangsöffnungen der Riegel durchströmt, die aus Gründen der ökologischen Durchgängigkeit angeordnet werden. Bei steigendem Abfluss findet ein Übergang in ein gewelltes Abflussregime mit stehenden Wellen an den Riegeln und Froude-Zahlen um 1 statt. Bei großen Abflussereignissen wird das Bauwerk komplett überströmt und die Riegel wirken als Sohlrauheit. In der Praxis werden für die Berechnung der Wasserspiegellagen häufig 1D- oder 2D-Modelle verwendet, welche die vorherrschenden hydraulischen Verhältnisse nur vereinfacht wiedergeben. Hingegen werden von der Genehmigungsseite hohe Genauigkeiten erwartet. Die BAW sieht sich dabei häufig in der Rolle, die Güte der Modelle Dritter beurteilen zu müssen. Aus diesem Grund ist es das Ziel des Forschungsprojektes, geeignete Berechnungsmethoden für die Vorhersage des Oberwasserstandes zu entwickeln. 2 Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Der Nutzen für die WSV liegt in einer verbesserten Aussagequalität für einen wichtigen genehmigungsrelevanten Teilaspekt bei der Planung von Fischaufstiegsanlagen. Mithilfe einer prognosefähigen Berechnungsmethode werden Planungsprozesse vereinfacht und Risiken hinsichtlich einer Oberwasserspiegellagenveränderung verringert. Zudem können aufwendige Vergaben von Modellrechnungen unterbleiben oder diese anhand der Projektergebnisse für eine belastbare Anwendung kalibriert werden. Untersuchungsmethoden Die Entwicklung der Berechnungsmethoden wird in drei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase wurden grundsätzliche hydraulische Zusammenhänge zwischen der Strömung im Oberwasser und der Strömung auf einem Raugerinne mit Beckenstruktur analysiert. Hierfür wurden zunächst vereinfachte Raugerinnegeometrien (ohne Böschung, Durchgangsöffnungen etc.) betrachtet. Um in der Literatur beschriebene Ansätze (z. B. Dust und Wohl 2012, Baki et al. 2017) zu testen und weiterzuentwickeln, wurden an der BAW verfügbare Messdaten und Daten aus einer Kooperation mit dem Bundesamt für Wasserwirtschaft in Wien (Österreich, Hengl 2023) ausgewertet. In der zweiten Projektphase werden vorhandene Berechnungsansätze um weitere Parameter (Böschung und Durchgangsöffnungen etc.) ergänzt, um naturgetreue Raugerinnegeometrien abzubilden. Die Untersuchungen in dieser Projektphase werden mit 3D-HN-Modellen durchgeführt, die mit den Datensätzen aus der ersten Projektphase kalibriert werden. In der dritten Projektphase werden die gewonnenen Erkenntnisse für Raugerinne unter realen Bedingungen getestet. Hierfür werden Messungen an bestehenden Raugerinnen durchgeführt (Bild 1) und deren Ergebnisse mit denen der neu entwickelten Berechnungsmethoden verglichen. Begleitend wird mittels der HN-Modelle eine Empfehlung zum methodischen Vorgehen bei Modellierungen entwickelt werden. Diese soll bei Standorten mit Sonderanordnungen, wie z. B. teilbreite Raugerinne, oder im Falle von gekrümmten Raugerinnen als Modellierungsgrundlage dienen.

Prognosen zur Ausbreitung von Neophyten auf Grundlage geostatistischer Analysen der Gesamtareale unter Berücksichtigung populationsbiologischer Merkmale

Hauptziel der geplanten Untersuchung ist eine genaue und differenzierte Ermittlung potentiell klimatischer Areale für etablierte und bisher nicht etablierte Neophyten. Grundlage bildet die Berechnung des Klimaraumes der Arten auf der Basis ihrer Heimatareale. Der Klimaraum des Heimatareals wird auf die gesamte Welt übertragen. Durch diese Modellierung werden die klimatisch potentiellen Areale ermittelt und gleichzeitig erhält man eine Kontrolle, ob der berechnete Klimaraum wirklich das Heimatareal der Arten widerspiegelt (Rückmodellierung). Vor dem Hintergrund der Kenntnis potentiell klimatischer Areale werden die in der Literatur aufgeführten allgemeinen Merkmale invasiver Pflanzen analysiert. Ziel ist es, wichtige Merkmalskombinationen für eine erfolgreiche Etablierung zu finden, aber auch Merkmale, die Ursache für ein Ausbleiben einer erfolgreichen Etablierung trotz klimatisch ähnlichem Areal sind. Aus der Analyse potentieller klimatischer Areale und der allgemeinen Merkmale invasiver Pflanzen werden Prognosen über das zukünftige Verhalten bisher noch unbeständiger Arten abgeleitet.

Erstanwendung der BNB-Systemvariante: Nachhaltige Forschungs- und Laborgebäude

Die Bundesregierung macht seit vielen Jahren Nachhaltigkeit zu einem Grundprinzip ihrer Politik. Um nachhaltiges Handeln im Bausektor zu fördern, wurde das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen des Bundes entwickelt, welches um die Variante 'Forschungs- und Laborgebäude' ergänzt wurde. Deren Praktikabilität soll im Zuge dieses Forschungsprojektes erprobt und optimiert sowie deren Anwendung wissenschaftlich begleitet und unterstützt werden. Ausgangslage: Das Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen des Bundes (BNB) beschreibt die Systemregeln und Berechnungsgrundlagen für das nachhaltige Bauen in Steckbriefen auf der Grundlage von Kriterien. Neben der bereits vorliegenden Systemvariante für Büro- und Verwaltungsgebäude des BNB wurde in einem vorangegangenen Forschungsprojekt ein speziell angepasster Satz von Kriteriensteckbriefen für die Gebäudekategorie 'Forschungs- und Laborgebäude - Neubau' (BNB LN) entwickelt. Anhand des als Entwurf vorliegenden Steckbriefsatzes wurde in Zusammenarbeit mit der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) bereits eine Pilotzertifizierung von fünf Gebäuden öffentlicher Einrichtungen durchgeführt. Die Auswertung einschließlich der Konformitätsprüfung befindet sich in Bearbeitung. Ziel: Das Modul BNB-LN 'Neubau von Forschungs- und Laborgebäuden' soll im Rahmen dieses Projektes hinsichtlich seiner Praxistauglichkeit überprüft und ggf. nachjustiert werden. Die Erprobung betrifft sowohl die Anwendbarkeit der einzelnen Kriteriensteckbriefe als auch des Gesamtsystems einschließlich der vorgeschlagenen Gewichtung. Es sind daraus Vorschläge für notwendige Nachjustierungen zu formulieren. Auf Basis der bei der Anwendungserprobung gewonnenen Erkenntnisse ist der Entwurf des BNB LN 'Neubau von Forschungs- und Laborgebäuden' in Abstimmung mit dem Auftraggeber und den Experten des eingesetzten Begleitkreises zu optimieren.

Fortschreibung und Aktualisierung der Beratungsdienstleistung im Projekt 'Nachhaltigkeit'

Im Jahre 2013 hat das Öko-Institut die MVV Energie AG hinsichtlich methodischer Fragen zur Berechnung von CO2-Einsparungen von internen Projekten sowie der zugehörigen Datenbasis beraten. Nachdem zwischenzeitlich rund 100 strategische Projekte mit dem entwickelten Ansatz MVV-intern bewertet wurden, sollen die methodischen Grundlagen fortgeschrieben und die zugehörige Datenbasis aktualisiert werden.

Berechnungsverfahren zu seismischen Einwirkungen auf basisisolierte kerntechnische Gebäudestrukturen und Komponenten

Erarbeitung von Algorithmen für umwelt-, ertrags- und qualitätsrelevante Parameter einer teilflächenspezifischen Landbewirtschaftung

In einem Forschungsverbund wird an der teilflächenspezifischen Umsetzung von agrotechnischen Maßnahmen gearbeitet. Schwerpunkt ist die Zusammenführung und Richtung unterschiedlicher Informationen (Bodennutzungssysteme, Ertragskartierung, Erfahrungswerte) mit dem Ziel, Applikationstechnik teilflächenspezifisch steuern zu können.

Optische Bestimmung von streckenintegrierten Aerosolparametern in der urbanen Atmosphäre

Ziel ist eine Geräteentwicklung für die unbeeinflusste Bestimmung von streckenintegrierten Aerosolparametern in einer anthropogen belasteten Atmosphäre. Das optische Messgerät wird in der Leipziger Stadtluft in 20 bis 40 m Höhe mit mehreren Lichtstrecken von einigen 100 m bis zu einigen Kilometern Länge gleichzeitig Messungen von Partikelextinktionsspektren bei Umgebungsfeuchte und für die Auswertung notwendige Spurengase durchführen. Aus den Extinktionsmessungen werden die Partikelgrößenverteilung und integrale Partikeleigenschaften im ungestörten Zustand mit Inversionsrechnungen berechnet.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions, Globale Beobachtung von sporadischen E Schichten in der Ionosphäre und ihre Verbindung zu atmosphärischen und ionosphärischen Phänomenen

Kopplungsprozesse zwischen der Ionosphäre und der neutralen Atmosphäre spielen eine wichtige Rolle für die dynamischen Prozesse in der oberen Atmosphäre. Neue Fortschritte im Verständnis dieser Prozesse wurden erreicht seitdem Satelliten im erdnahen Orbit kontinuierlich hochgenaue Daten der thermosphärischen und ionosphärischen Parameter (z.B. Massendichten, zonale Winde und Elektronendichteprofile) bereitstellen. Mit diesem Projekt planen wir die Beobachtung der Auftretenshäufigkeit und Eigenschaften sporadischer E Schichten auf globaler Skala. Die Untersuchungen basieren auf GPS Radiookkultationen der Satelliten CHAMP, GRACE, TerraSAR-X, TanDEM-X und FORMOSAT-3/COSMIC. Seit dem Start des Satelliten CHAMP im Jahre 2001 wurden mehr als 5 Millionen der Radiookkultationsprofile aufgezeichnet, was ermöglicht, dass das Auftreten und die Eigenschaften der sporadischen E Schichten in hoher räumlicher Auflösung analysiert werden können. Weiterhin ermöglicht die Zeitreihe erste statistische Trendanalysen der genannten Parameter. Während der Durchführung des Projektes soll der momentan genutzt numerischer Algorithmus zur Detektion von sporadischen E Schichten um ein Modul erweitert werden, der ermöglichen wird auch Rückschlüsse auf die Eigenschaften der Schichten zu ziehen. Globale Beobachtungen der Intensitäten sporadischer E Schichten existieren aktuell nicht und werden von uns zum erstmalig bereitgestellt werden. Diese Datenbasis kann genutzt werden, um statistische Änderungen im Verhalten der sporadischen E Schichten zu Untersuchen. Ebenfalls werden wir untersuchen, ob Abhängigkeit der sporadische Eigenschaften von anderen geophysikalischen Parametern, wie beispielsweise die Abnahme des Erdmagnetfeldes, der Solarzyklus, atmosphärische Gezeiten, Meteoreinfall oder Plamadichteabnahmen in der Ionosphäre zu finden sind.

COMPoSE: Charakterisierung der Verteilung der Eis- und Flüssigphase in Mischphasenwolken

Mischphasenwolken, in denen unterkühltes Flüssigwasser und Eiskristalle gleichzeitig auftreten, sind bisher nur unzureichend beschrieben, denn die akkurate Messung von Mischphasenwolken stellt eine Herausforderung dar. Besonders das Fehlen der vollständigen vertikalen Charakterisierung der Flüssigwasserkomponente ist ein Problem der derzeitig angewendeten Beobachtungsmethoden. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projekts soll diese Beobachtungslücke durch Entwicklung neuer Methoden und den Einsatz neuer Modelle geschlossen werden. Mischphasenwolken werden mit modernsten Fernerkundungsinstrumenten wie Doppler-Wolkenradar sowie Doppler- und Polarisationslidar beobachtet werden. Die derzeitig zur Erfassung von unterkühlten Flüssigwasserschichten angewendete synergistische Beobachtung mit Wolkenradar und Lidar ist normalerweise bis zur Höhe limitiert, in der das Signal des Lidars vollständig ausgelöscht ist, was bei einer durchquerten optischen Dicke von etwa 3 geschieht. Das erlaubt meist die Detektion von nur einer Flüssigwasserschicht. Im Gegensatz dazu können Wolkenradare die gesamte Mischphasenwolke auch beim Auftreten mehrerer Flüssigwasserschichten durchdringen. Sie können daher genutzt werden, um die Verteilung der Wolkenphase in der gesamten vertikalen Säule zu bestimmen, wenn geeignete Algorithmen zur Identifikation von Flüssigwasser aus Radarmessungen entwickelt werden. Dafür soll das komplette Radardopplerspektrum analysiert werden, dessen Struktur durch die Mikrophysik und die Dynamik der Wolke bestimmt ist. Zudem soll das Radardopplerspektrum genutzt werden, um Vertikalwinde abzuleiten. Der Fokus des Projekts wird auf der vollständigen Charakterisierung von Fallstudien liegen. Dabei wird insbesondere untersucht werden, wie Vertikalwinde und Lufttemperatur die zeitliche Entwicklung der Partitionierung der Wolkenphasen beeinflussen, um so Einblick in den Lebenszyklus von Mischphasenwolken zu erhalten. In diesem Zusammenhang wird auch der Einfluss von Aerosolpartikeln auf die Wolkenphasenpartitionierung bestimmt werden. Die beobachteten Wolken werden dabei durch Rückwärtstrajektorien in Luftmassenherkunftsklassen unterteilt und es werden Modellvorhersagen sowie eine lidarbasierte Charakterisierung der Aerosoleigenschaften durchgeführt. Das vorgeschlagene Projekt geht über die Entwicklung von Fernerkundungstechniken in Mischphasenwolken hinaus. Ergebnisse eines auf den Messungen basierenden 1D-Mikrophysikmodells sollen als Eingabewerte für einen Vorwärtssimulator für Radardopplerspektren genutzt werden. Dessen Ausgabewerte wiederrum werden mit den beobachteten Dopplerspektren verglichen werden. Dadurch ergibt sich ein geschlossener Kreislauf aus Beobachtung und Modellierung, der es uns möglich machen wird, bestimmte mikrophysikalische Prozesse in Mischphasenwolken, wie z.B. Reif- und Graupelbildung, genauer zu verstehen.

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