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Thermohydraulische Prozesse während der Wasserinfiltration in gefrorenen Boden mit Auswirkungen auf Geogefahren unter dem Einfluss des Klimawandels

Der Klimawandel betrifft die Hydrologie in alpinen Regionen in besonderem Maße durch Temperaturanstieg, mehr und intensiveren Regenereignissen, auch während der Wintermonate. Diese Veränderungen führen zu vermehrten Naturgefahren wie übermäßigem Oberflächenabfluss und Murenabgänge. Einer der Gründe für solche Ereignisse ist eine reduzierte Infiltrationskapazität des (teil-)gefrorenen Bodens. Wenn Regen- oder Schmelzwasser nicht ausreichend infiltrieren kann, induziert der Oberflächenabfluss eine Bodenerosion, was zu Murenabgängen führen kann. Wenn Wasser entlang präferentieller Fließwege in tiefere Schichten infiltriert und zwischen gefrorenen Schichten der Porendruck steigt, so kann dies zu mechanischem Versagen des Hanges führen. Durch signifikanten Oberflächenabfluss findet kaum Grundwasserneubildung statt und die puffernde Wirkung des Grundwasserkörpers entfällt. Dies ist besonders für Regionen, in denen Schnee- und Gebirgswasser wesentlich zum Grundwasserhaushalt beitragen von großer Bedeutung. In diesem Projekt wird die thermo-hydraulische Wechselwirkung zwischen infiltrierendem Wasser und Boden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt untersucht. Dazu werden hochentwickelte Modellansätze, numerische Simulationswerkzeuge, sowie Versuche im Labor wie im Gelände eingesetzt. Präferentielle Fließwege, z.B. Makroporen durch Wurzelwachstum oder Wurmlöcher, im Boden sind dabei wesentlich, denn sie ermöglichen eine schnellere Infiltration des Wassers in den Boden und weisen zudem eine anderes Einfrier- und Auftauverhalten auf als kleine Poren der Bodenmatrix. Das Verständnis des Einflusses von Makroporen auf das Gefrieren und Schmelzen von Wasser während der Infiltration ist daher wesentlich für jede weitere Analyse. Wasserinfiltration wird durch die Temperatur der beteiligten Phasen bestimmt. Das infiltrierende Wasser ist wärmer als der Gefrierpunkt, während der Boden gefroren ist. Die Temperaturentwicklung der einzelnen Phasen hängt vom Wärmeübertrag zwischen den Phasen ab. Da Wärmeübertrag und hydraulischer Fluss stark gekoppelt und zudem rund um den Gefrierpunkt sehr dynamisch sind, bedarf es besonderer Sorgfalt bei der theoretischen Beschreibung des thermohydraulischen Verhaltens. Mit einem tiefgreifenden Verständnis vom Einfluss präferenzieller Fließwege und dem Wärmeübertrag zwischen den beteiligten Phasen können spezifische geologische und meteorologische Gegebenheiten identifiziert werden, welche entweder extremen Oberflächenabfluss oder Hangversagen verursachen. Dieses Wissen kann in der Vorsorge als auch im Grundwassermanagement alpiner Gebiete Anwendung finden.

Demonstrationsprojekt WegenerNet Klimastationsnetz Region Feldbach (WEGDEMO)

Das Projekt WegDemo verfolgt anbindend an das erfolgreiche bis Ende 2007 gelaufene Pilotprojekt WegenerNet, ein dreiteiliges Ziel hin zur Erreichung einer professionell geführten, in Forschung und Region nachgefragten Klima- und Wetterdatenressource WegenerNet: 1.) Aufbereitung der WegenerNet Stationsdaten in operationell verfügbare hochauflösende Wetter- und Klimamonitoring-Felder für alle Daten ab Jänner 2007 (Basisauflösung 1 km x 1 km; gesamtes WegenerNet-Gebiet); 2.) Publikation, Verbreitung und Positionierung der Ergebnisse und Informationen zum aufgebauten (weltweit einzigartigen) Feldexperiment in Forschungs-Community, Öffentlichkeit und Region; 3.) Demonstration des WegenerNet Vollbetriebs in operationeller Form, Festigung der Wartungs-, Service- und Entwicklungsaufgaben bei Stationsinfrastruktur und Sensorik, beim Prozessierungssystem und bei den Nutzerschnittstellen (insbes. Web). Per Sommer 2009 soll das WegenerNet nach Abschluss des WegDemo Projekts schließlich in einen langfristig angelegten operationellen Betrieb als eine in dieser Art international einzigartige Ressource für hoch auflösende Wetter- und Klimabeobachtung übergehen. Weiters werden im Laufe des WegDemo Projektes die Kooperationen mit den komplementären flächendeckenden Messungen im WegenerNet-Gebiet zur hoch auflösenden Blitzbeobachtung (LiNet der Forschungsgruppe Sferics/Dept. f. Physik, Univ. München, D) und zur hoch auflösenden Wolken-, Regen- und Hagelbeobachtung (3D Doppler-Wetterradar der Steirische Hagelabwehrgenossenschaft und TU Graz) intensiviert werden. Ebenso werden (längerfristige) Zukunftsplanungen durchgeführt.

Alpine plant ecology

Our long term activities aim at a functional understanding of alpine plant life. Overall our research shifted gradually from studying resource acquisition (e.g. photosynthesis) toward resource investment and questions of developement. As with treeline, sink activity seems to be the major determinant of growth. A common misconception associated with alpine plant life finds its expression in the use of the terms 'stress' and 'limitation'. See the critique in: Körner C (1998) Alpine plants: stressed or adapted? In: Press MC, Scholes JD, Barker MG (eds.) Physiological Plant Ecology. Blackwell Science , 297-311. Ongoing experimental work: The influence of photoperiod on growth and development in high elevation taxa (Ph.D. by Franziska Keller in cooperation with the Dept. of Geography, University of Fribourg). We test, whether and which species are responsive to earlier snow melt. It appears there exists a suite of different sensitivities, suggesting biodiversity shifts. We also tested the influence of nutrient addition on high elevation pioneer plants and run a longer term project on the interactive effect on sheep tramplng, nitrogen deposition and warming as part of the Swiss National Project NFP 48. A Europe-wide assessment of ground temperatures in alpine grassland is part of ALPNET (see associated organisations). The assessment provides a basis for comparing biodiversity in alpine biota from 69 to 37 degree of northern latitude. (Nagy et al. (2003) Ecological Studies, Vol. 167. 577 p. Springer, Berlin). A synthesis of research in functional ecology of alpine plants over the past 100 years was published in 1999.

Beobachtungen an Straßenwetterstationen (Glättemeldeanlagen)

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

ICON-EPS GRIB data

ICON-EPS 0.5º x 0.5º regular lat/lon grid, up to +180h every 6h, runs 00/12 UTC varios parameter, varios level, varios threshold

Estimates of land surface air temperature changes homogenised using sparse input 20th Century reanalysis product 20CRv3

The data consist of 4 frozen gridded estimates as described in Gillespie et al, 2022. The data are presented as 5 degree resolution global fields over 1850-2014. Station data arising from the International Surface Temperature Initiative (ISTI) global databank of monthly holdings have been homogenised using 20CRv3 to identify breakpoints. Four distinct approaches to adjustment have been undertaken resulting in 4 separate estimates of the resulting series. The gridding is a simple gridbox average of any observations available within each 5 degree gridbox. Data is available for those global land areas for which underlying station data are available in teh ISTI holdings.

Entwicklung einer biologisch abbaubaren Mulchabdeckung für den Pflanzenschutz, Teilvorhaben 2: Entwicklung eines Prototyps

Hauptkomponenten und Entwicklungsschritte des zu optimierenden integrierten Systems (Integrated Plant Management - IPM) sollen folgende sein: a: Entwicklung eines neuartigen biologisch abbaubaren Compoundproduktes aus einem Viskosevlies und einer Beschichtung zum Mulchen (VliesFilm). Beide Bestandteile des VliesFilms sind biobasiert und bestehen zu 100% (Vlies), bzw. 50% (Beschichtung) aus nachwachsenden Rohstoffen und sind biologisch abbaubar. Alle Inhaltstoffe (PVOH, Glycerol) der Beschichtung haben eine Lebensmittelzulassung (E-Nummer), stehen aber nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion wie z.B. stärkebasierte Materialien. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung und Optimierung des VliesFilms aus NaWaRos hinsichtlich der phytosanitären Eigenschaften im Vergleich zu konventionellem Mulchmaterial (PE, 20-25my). Als wichtigste pflanzenbaulichen Faktoren sind hier Wasserverfügbarkeit, Bodentemperatur, und die Unterdrückung von Unkräutern zu nennen. b: Der VliesFilm soll einen Mehrwert gegenüber konventionellen PE-Folien erhalten. Zu diesem Zweck werden die Beschichtungen eingefärbt, um repellente Effekte auf anfliegende Insekten (Modell Blattläuse) zu erreichen. Da diese Maßnahme einen Anflug zwar verringert, aber meist nicht komplett verhindern kann, wird ein regelmäßiges Monitoring vorgenommen, um etwaige interventiven Maßnahmen zu ergreifen. Hieraus folgt dann ein System zum integrierten Pflanzenschutz, um den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln zu minimieren.

Soil-gas transport-processes as key factors for methane oxidation in soils

Methane (CH4) is a major greenhouse gas of which the atmospheric concentration has more than doubled since pre-industrial times. Soils can act as both, source and sink for atmospheric CH4, while upland forest soils generally act as CH4 consumers. Oxidation rates depend on factors influenced by the climate like soil temperature and soil moisture but also on soil properties like soil structure, texture and chemical properties. Many of these parameters directly influence soil aeration. CH4 oxidation in soils seems to be controlled by the supply with atmospheric CH4, and thus soil aeration is a key factor. We aim to investigate the importance of soil-gas transport-processes for CH4 oxidation in forest soils from the variability the intra-site level, down to small-scale (0.1 m), using new approaches of field measurements. Further we will investigate the temporal evolution of soil CH4 consumption and the influence of environmental factors during the season. Based on previous results, we hypothesize that turbulence-driven pressure-pumping modifies the transport of CH4 into the soil, and thus, also CH4 consumption. To improve the understanding of horizontal patterns of CH4 oxidation we want to integrate the vertical dimension on the different scales using an enhanced gradient flux method. To overcome the constraints of the classical gradient method we will apply gas-diffusivity measurements in-situ using tracer gases and Finite-Element-Modeling. Similar to the geophysical technique of Electrical Resistivity Tomography we want to develop a Gas Diffusivity Tomography. This will allow to derive the three-dimensional distribution of soil gas diffusivity and methane oxidation.

High Elevation Treeline Research

If one considers the high elevation treeline as a global phenomenon, many local drivers, which dominated the debate in the past, become less significant, they become modulators of a more fundamental, common cause. Our working hypothesis is that the major driver of treeline formation is the ability to form new structures, rather than the provision of raw materials for these structures. In other words, we suggest that the treeline is a sink (growth) rather then a source (photosynthesis) driven phenomenon, with temperature representing the single most important determinant. We do not question the influence of other factors, but we consider them to represent a suite of regional peculiarities, which may affect the actual position by not more then 100 m in elevation. A detailed discussion of the treeline issue can be found in: Our activities go in several directions. They include treering studies across the treeline ecotone (see ref. below), microclimate measurements at various latitudes and an assessment of the carbohydrate supply status at the tree limit. The worldwide treeline temperature assessment nears its end by 2001, when year-round data from ca. 30 different treeline sites around the globe will be available. As a standard procedure we measure root-zone temperature at 10 cm depth in the shade of tree crowns at the treeline using Tidbit (Onset Corp.) data loggers. Currently available data from 90 % of the stations average at seasonal mean ground temperatures of ca 6.5 C, with very little site to site variation, irrespective of latitude (minimum of 5.5 C on Mexican volcanos at 4000 m and maximum at some maritime temperate zone treelines of ca 7.5 C). The seasonal mean proved to be a better predictor of treeline position than warmest month temperatures or a suite of thermal sums tested. There are regions with no suitable treeline taxa where natural treelines occure at lower elevations (higher temperatures; e.g. Hawaii). In a work on carbohydrate pools we compare treelines in Mexico, the central Alps and in N-Sweden (Abisko). We see no decline of reserves as one approaches the existential limit of trees, in fact, carbohydrate and lipid stores reach a maximum at tree limit. Thus, it seems unlikely that carbon limitation is a cause of treeline formation.

Arctic PASSION - Polar Monthly Mean Ice Surface Temperature (AP-MMIST) for the time period 1982 to 2024

The Arctic PASSION Polar Monthly Mean IST data set (AP-MMIST) is a combined surface temperature product covering open ocean, marginal ice zone and closed sea ice areas, represented by Sea Surface Temperatures (SST), Marginal Ice Zone Temperatures (MIZT) and sea Ice Surface Temperatures (IST). Beside ocean and sea ice the data set also includes surface temperatures from the Greenland and Antarctic ice sheets. AP-MMIST has been jointly developed and produced by Arctic PASSION WP-1 and the Sea Ice Thematic Assembly Centre (Sea Ice TAC) under the Copernicus Climate Change Service (C3S - service contract: 2022/C3S2_312b_MOi_SC1). The AP-MMIST is a monthly averaged temperature product based on the C3S daily IST CDR and ICDR level 3 data. The daily mean C3S IST data set is a resampled and averaged daily mean IST product using Global Area Coverage - Advanced Very High-Resolution Radiometer (AVHRR) IST level 2 data as input. The level 2 and 3 CDR and ICDR data records are described in Algorithm Theoretical Baseline Document (Eastwood et al., 2023). The surface temperature retrieval algorithm used to produce the basic level 2 product is a traditional split window algorithm using two Thermal InfraRed (TIR) channels to compensate for atmosphere and angular emissivity dependency. This is described in the Algorithm Theoretical Baseline Document (Eastwood et al., 2023). The level 1 TIR input data set is the full data record from the AVHRR on-board NOAA satellite platforms since 1982, as well as AVHRR records on-board Metop satellites since 2006. The product output format is NetCDF with standard attributes, following CF convention to the degree possible. The monthly data are divided into 2 monthly files, one for each hemisphere, SH and NH.

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