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Forschergruppe (FOR) 5639: Land-Atmosphäre Feedback Initiative, Teilprojekt: Erforschung des Einflusses von Landoberflächenheterogenität auf bodennahe Zirkulationen und atmosphärische Flüsse

Die Erforschung der Land-Atmosphären-Rückkopplung für heterogene Landoberflächen benötigt die Erfassung biophysikalisch bedeutsamer Wärme- und Impulsbilanzen nahe der Unterlage, die das Projekt motivieren. Dieser Energie- und Massenaustausch ist eine essenzielle Komponente in der Prozesskette der Rückkopplungen. Trotz beachtlicher Fortschritte im Verständnis und Quantifizierung der Auswirkungen einfacher Heterogenitätssprünge bei orthogonaler und paralleler Anströmung besteht eine Wissenslücke für die am häufigsten auftretenden Queranströmungen. Weder der Prozess selbst, noch die Auswirkungen der Queranströmung auf den turbulenten Transport sind momentan verstanden oder quantifiziert. Das Zentralziel ist, diese Queranströmungen zu detektieren und ein konzeptionelles Verständnis durch Messungen über den landwirtschaftlichen LAFO-Flächen zu erlangen. Die Zentralhypothese ist, dass Queranströmung zu einer Zone systematisch erhöhten turbulenten Austausches innerhalb einer Übergangsgrenzschicht führt, in der die Land-Oberflächen-Rückkopplung verstärkt ist. Die Forschung wird durch 4 Unterhypothesen und -ziele geleitet. Mithilfe der hochauflösenden (Sekunden und Dezimeter) Fiber-Optic Distributed Sensing (FODS) Technik erfolgen räumlich kontinuierliche Messungen der Lufttemperatur in der Bodenschicht und im Pflanzenbestand, sowie der turbulenten Windgeschwindigkeit und Turbulenter Kinetischer Energie über Hunderte Meter hinweg. FODS misst ebenfalls (10er-Sekunden, Dezimeter) Bodentemperaturen und -feuchtigkeit nahe der Oberfläche, sowie die solare Lichtverteilung kombiniert mit Netzwerken klassischer Punktsensoren über der Winterweizen- und Maisparzelle von LAFO. Unter der Leitung von P5 baut das LAFI-Team die FODS-Glasfaserharfen auf und P1 betreibt sie. Das wissenschaftliche Programm besteht aus 4 eng verzahnten Arbeitspaketen (WP): WP1 führt eine Post-field Kalibration mithilfe unserer eigens entwickelten Kalibriersoftware durch. WP2 erforscht die in den Raum-Zeit-Daten enthaltenen Strukturen und Flüsse abhängig vom Anströmwinkel. Ergänzt durch die verbesserte Energiebilanz (P6), die fernerkundlichen Daten zur Landoberfläche (P2) und Verdunstung (P4) wird die Zentralhypothese überprüft. Die Lidarmessungen aus P1 schaffen einzigartige Beobachtungssynergien. In WP3 werden die Erkenntnisse u.a. mit der Hilfe von Deep Learning zu einem konzeptionellem Gesamtrahmen zusammengefügt. Für die zweite Phase sehen wir Erweiterungen hin zu anderen Landoberflächenheterogenitäten, der Kohlenstoffbilanz und messtechnische Weiterentwicklungen des FODS vor. Dieses Projekt befasst sich mit den zentralen LAFI-Zielen O1 bis O3, OS und OE im Falle eines klimatischen Extremums. Zusätzlich zu den oben genannten projektübergreifenden Kooperationen stehen wir im engen Austausch mit P11 wegen der Licht- und Temperaturvertikalprofile.

Untersuchungen mit oben offenen Experimentierkammern zur Auswirkung bestimmter Luftschadstoffe auf Gesundheitszustand und Wachtstum von Forstpflanzen

Seit Beginn der 80er Jahre wird in der Ursachenforschung der Waldschaeden bestimmten Luftschadstoffen eine entscheidende Rolle beigemessen. Aus diesem Grund wurde von der Forstlichen Versuchs- und Forschungsanstalt Baden-Wuerttemberg ein Pilotprojekt begonnen. Ziel dieses Vorprojektes war die Entwicklung und Erprobung einer Grosskammer zur Untersuchung von Filterwirkung, Wintertauglichkeit und Kammerklima. Solche 'oben offenen Experimentierkammern' bieten die Moeglichkeit, Luftschadstoffe der Umgebungsluft auszuschliessen. Aus den Kontrollen mit den jeweiligen Freiluftbaeumen lassen sich dann Rueckschluesse auf die Auswirkungen der verschiedenen Schadstoffe ziehen. Dieses Pilotprojekt wurde im Muenstertal im Suedschwarzwald in 850 m ue NN durchgefuehrt. Die praktische Erprobung waehrend zweier Betriebsjahre zeigte einen weitgehend stoerungsfreien Kammerbetrieb. Die hoelzerne Konstruktion und die Folienbespannung widerstanden allen Belastungen durch Wind und Schnee. Lueftungs- und Filterungssystem arbeiteten befriedigend. Im Gegensatz zum technischen Kammerbetrieb bleiben die qualitativen Kammerbedingungen hinter den Erfordernissen zurueck. Eine wesentliche Abweichung von den Freilandbedingungen stellten die fehlenden Nebel- und Tauereignisse dar. Aus immissionsoekologischer Sicht entfielen hierdurch Depositionen, die fuer das aktuelle Schadensphaenomen der montanen Nadelvergilbung von besonderer Bedeutung sein koennten. Die nahezu lueckenlosen Messreihen der Klimawerte belegten ferner, dass die grundlegende Forderung nach einem freilandaehnlichen Kammerklima in den getesteten Kammern nur bedingt erfuellt werden konnte. Dies traf insbesondere fuer Luft- und Bodentemperaturen, fuer die relative Luftfeuchtigkeit und die Strahlungsverhaeltnisse zu. Aufgrund der beobachteten Klimaeffekte sowie des Fehlens wesentlicher immissionsoekologischer Feuchtefaktoren lassen die Testpflanzen sowohl kurz- als auch langfristig Wuchs- und Symptomreaktionen erwarten, die nicht mit denen des Freilandes vergleichbar sind. Unter diesen Bedingungen ist nur der Vergleich von Kammer zu Kammer statthaft. Die Durchfuehrung spezieller Kurzzeitexperimente (zB waehrend einer Vegetationsperiode) mit den Behandlungsvarianten Rein- und Umgebungsluft scheiterte an der relativ geringen Luftschadstoffbelastung des Projektstandortes. Gegen Langzeit-Experimente sprachen die nicht vergleichbaren Wachstumgsbedingungen innerhalb und ausserhalb der Kammern. Um uebertragbare Kammerergebnisse zu erzielen, muessten kostenintensive Optimierungsmassnahmen vorgenommen werden. Vorrangige Verbesserungen waeren im Bereich der Lichtbedingungen und der Temperaturreduktion angezeigt. Die Steuerungsgruppe kam zu dem abschliessenden Ergebnis, dass das Projekt im Vorprojektstadium abgeschlossen und am Standort 'Muenstertal' nicht in ein langfristiges Abschlussprojekt uebergeleitet werden sollte.

Ozonbelastung und Zirkulationsdynamik im Becken von Mexiko

Ziel der geplanten Arbeiten ist es, Gesetzmäßigkeiten zwischen der raum-zeitlichen Dynamik der Ozonkonzentration und deren Vorläuferstoffe sowie den meteorologischen Variablen Temperatur, Luftfeuchte, Strahlung, Luftmassenstabilität, Windgeschwindigkeit und Windrichtung im Boden, 700- und 500 hPa-Niveau so herauszuarbeiten, dass Prognosen der zu erwartenden Ozonbelastung möglichst 24 Stunden im voraus für den Bereich der Mexico City Metropolitan Area (MCMA) möglich werden. Neben statistischen Verfahren sollen dazu auch künstliche Neuronale Netzwerke eingesetzt werden. Bereits vorliegende Ergebnisse von Modellrechnungen sollen durch die Datenauswertungen verifiziert und ggf. Anregungen zur Verbesserung der Modelle herausgearbeitet werden.

openSenseMap: Sensor Box Friedrichswalde

84m ü.NHN, dachgeschützt unter einem Spielturm in 1,8m über den Boden angebracht, ländlicher Raum // Sensoren: Feinstaubsensor: SDS011, Temperatur-, Luftfeuchte- und Lufdrucksensor: BME280

openSenseMap: Sensor Box HE Schmetterlings-Grundschule senseBox5

Das ist eine senseBox der Humboldt Explorers. Weitere Informationen unter: Humboldt-Explorers.de

Klimaerwärmung und Kohlenstoffdynamik von Waldböden

Wie sich die Klimaerwärmung auf den organischen Kohlenstoff (C) Pool von Waldböden auswirkt ist noch nicht vollständig geklärt. Höhere Temperaturen regen die Aktivität von Mikroorganismen an. Es wird mehr organischer C umgesetzt und die CO2-Emissionen aus dem Boden (Bodenatmung) steigen. Wie stark die Bodenatmung zunimmt, hängt von der verfügbaren Menge des organischen C (Vorrat und Eintrag), dessen chemischer Qualität und der Reaktion der Mikroorganismen auf die Temperaturerhöhung ab. Die Auswirkungen der Erwärmung verändern sich mit der Zeit. Durch die erhöhte Aktivität der Mikroben kann etwa die Verfügbarkeit von leicht abbaubarer org. Substanz mit der Zeit abnehmen. Die Struktur der Mikroorganismen-Gemeinschaft kann sich mit der Zeit verändern bzw. Mikroorganismen können sich physiologisch an höhere Temperaturen anpassen. Beide Prozesse, laufen langsam ab. Kurzfristige Reaktionen auf die Erwärmung weichen daher von langfristigen ab. Um die langfristigen Auswirkungen der Erwärmung auf den C-Kreislauf von Wäldern zuverlässig abschätzen zu können, sind experimentelle Simulationen im Freiland erforderlich. Im Erwärmungs-Experiment 'Achenkirch' wird seit 2004 ein Bodentemperaturanstieg um 4 C simuliert. Speziell in den ersten Jahren (2004 - 2007) hat die experimentelle Erwärmung den CO2 Ausstoß aus dem Waldboden stark erhöht (+40Prozent). In den letzten Jahren (2008, 2009) war ein leichter Rückgang des Effekts bemerkbar. Eine Fortführung der Erwärmung ermöglicht uns, langfristige Auswirkungen auf den C-Vorrat im Boden abzuschätzen. Das Experiment ist eines von sehr wenigen in situ Erwärmungs-Experimenten weltweit, in welchem langfristige Trends erforscht werden. Die Verlängerung des Erwärmungsexperiments ermöglicht uns C-Pool Veränderungen auf zweierlei Arten abzuschätzen, (i) aus den gemessenen C-Flüssen der letzten 9 Jahre, und (ii) aus dem Vergleich der C-Pools auf erwärmten und unbehandelten Flächen (2013). Durch die Integration von oberirdischen Komponenten kann eine langfristige Abschätzung der Folgen der Erwärmung auf C-Flüsse und Pools des Wald-Ökosystems erfolgen - eine Grundlage für künftige Kyoto Berichterstattung. Um funktionelle Abläufe im Boden besser zu verstehen ist es nötig, die heterogene organische Bodensubstanz in labile und stabile Fraktionen aufzutrennen. Die org. Substanz wird physikalisch fraktioniert und die Umsatzzeit der einzelnen Fraktionen wird mittels Radiokarbon (14C) Messung bestimmt. Die Umsatzzeiten der einzelnen Fraktionen geben Aufschluss über die Auswirkungen der Erwärmung auf labile und rekalzitrante C-Pools. Durch eine detailierte chemische Analyse der verschiedenen org. C-Pools sollen neue Einblicke in die Funktionsweise des Boden-C Kreislaufs gewonnen werden. usw.

Kilimanjaro Glaciers (East Africa)

The Tropical Glaciology Group's research on Kilimanjaro started in 2002 and is in progress. Central aspects of our research plan are: 1) Development of the working hypothesis: From a synopsis of (i) proxy data indicating changes in East African climate since ca. 1850, (ii) 20th century instrumental data (temperature and precipitation), and (iii) the observations and interpretations made during two periods of fieldwork (June 2001 and July 2002) a scenario of modern glacier retreat on Kibo is reconstructed. This scenario offers the working hypothesis for our project. 2) Impact of local climate on the glaciers: This goal involves micrometeorological measurements on the glaciers, and the application of collected data to full glacier energy and mass balance models. These models quantify the impact of local climate on a glacier, based on pure physical system knowledge. Our models are validated by measured mass loss and surface temperature. 3) Latest Extent of the Kilimanjaro glaciers: Here, a satellite image was analyzed to derive the surface area and spatial distribution of glaciers on Kilimanjaro in February 2003. To validate this approach, an aerial flight was conducted in July 2005. 4) Linking local climate to large-scale circulation: As glacier behavior on Kilimanjaro, a totally free-standing mountain, is likely to reflect changes in larger-scale climate, this goal explores the large-scale climate mechanisms driving local Kilimanjaro climate. Well known large-scale forcings of east African climate are sea surface temperature variations in the Pacific and, more important, in the Indian Ocean. 5) Regional modification of large-scale circulation: The regional precipitation response in East Africa due to large-scale forcing is not adequately resolved in a global climate model as used in 4). Thus, mesoscale model experiments with the numerical atmospheric model RAMS will be conducted within this goal. They are thought to reveal the modification of atmospheric flow by the Kilimanjaro massif on a regional scale. 6) Practical aspects: Based on micro- and mesoscale results, (i) how much water is provided by glaciers, (ii) providing future projections of glacier behavior as basis for economic and societal studies (practical part), e.g., for studies on the impact of vanishing glaciers on Kibo's touristic appeal, and (iii) which impact does deforestation on the Kilimanjaro slopes have on summit climate? Referring to item 2), two new automatic weather stations have been installed in February 2005. They complete a station operated by Massachusetts University on the surface of the Northern Icefield since 2000.

openSenseMap: Sensor Box HE Carl-Friedrich-von-Siemens Gymnasium senseBox2

Das ist eine senseBox der Humboldt Explorers. Weitere Informationen unter www.humboldt-explorers.de

Beobachtungen an Straßenwetterstationen (Glättemeldeanlagen)

Beobachtungen an deutschlandweit verteilten Straßenwetterstationen. Meteorologische Parameter wie Temperatur, Niederschlag usw. werden alle 15 Minuten gemessen.

openSenseMap: Sensor Box HE MINT-Erlebniswoche senseBox8

Durchführung eines Workshops im Rahmen der MINT-Erlebniswoche für Schüler:innen am Wissenschafts- und Technologiestandort Adlershof. Das ist eine senseBox der Humboldt Explorers. Weitere Informationen unter: www.humboldt-explorers.de

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