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s/computer simulation/Computersimulation/gi

Ein System zur Vorhersage von Dürren und zum Wassermanagement in der semiariden Region Ceará - Erkenntnistransfer-Projekt

Das hier beantragte Wissenstransferprojekt soll die Anwendungsreife von Ergebnissen aus zwei früheren DFG-Forschungsprojekten zu Wasserbewirtschaftungsfragen in semi-ariden Regionen erreichen. Der Fokus wird dabei auf der Methodenübertragung und Ergebnisnutzung für die Entwicklung eines Dürrevorhersage und -managementsystems liegen. Die hier erwähnten DFG-Projekte sind: Sediment Export from large Semi-Arid catchments: Measurements and Modelling), und Generation, transport and retention of water and suspended sediments in large dryland catchments: Monitoring and integrated modelling of fluxes and connectivity phenomena. Der Praxispartner ist die Behörde für Meteorologie und Wasserressourcen des Bundesstaates Ceara (FUNCEME) im Nordosten Brasiliens. Diese führt auch Prognosen für das wasserwirtschaftliche System Cearas durch, welches durch eine stark negative klimatische Wasserbilanz und mehrere tausend (meist kleine) Stauseen gekennzeichnet ist. Es ist vorgesehen, das existierende Wasserbewirtschaftungssystem SIGA von FUNCEME mit dem prozessbasierten hydrologischen Modell WASA-SED zu kombinieren. Das WASA-SED Modell, welches aus den o.g. DFG-Projekten stammt, wurde spezifisch für semiaride meso-skalige Einzugsgebiete konzipiert und entwickelt. Damit werden die charakteristischen hydrologischen Prozesse, einschließlich von Transport- und Konnektivitätsphänomenen im Gewässernetz und den Stauseen simuliert. Die geplanten Arbeiten sind in verschiedene Ebenen gruppiert: (1) Integration des WASA-SED-Modells mit dem SIGA-System um den regionalen Wasserbehörden und Flussgebietskommissionen eine direkte Information über aktuelle und prognostizierte Werte der Stauseefüllungen, Abflüsse an bestimmten Flussabschnitten und anderen Wasserressourcen zu ermöglichen; (2) Effiziente Kommunikation der Ergebnisse mit verschiedenen Stakeholdergruppen und Möglichkeit zur Weiternutzung der Ergebnisse. (3) Anwendung von WASA-SED im Vorhersagemodus, d.h. Nutzung von kurzfristigen und saisonalen meteorologischen Vorhersagen zur Prognose der Wasserverfügbarkeit bei unterschiedlichen Vorhersagezeiträumen. (4) Nutzung der prozess-basierten Struktur von WASA-SED um Effekte sich ändernder Randbedingungen zu untersuchen, besonders bzgl. des dichten Netzes aus Stauanlagen. Wir erwarten aus dem Projekt auch Impulse für neue Forschungsfragen als Ergebnis der Integration der Wasserbewirtschaftung und -infrastruktur in das Modellsystems, so evtl.: (1) Untersuchung und Modellierung der saisonalen Dynamik der Verluste in semiariden Flusssystemen und Ableitung eines dafür geeigneten Abflussroutingansatzes; (2) Quantifizierung und Modellierung der hydro-sedimentologischen Konnektivität in komplexen, vom Menschen stark geformten Hydrosystemen, einschließlich der Effekte des dichten Stauseenetzes, Wasserüberleitungen und der teilweise künstlich verbundenen Teileinzugsgebiete.

NO2 - Straßenrandbelastung (2019)

Belastung mit dem Luftschadstoff Stickstoffdioxid (NO2) an den Dresdner Hauptverkehrsstraßen, Modellierung 2019

Gefährdungspotenzial Überschwemmung durch Starkregen

Gefährdungspotenzial durch Starkregen Für die Landeshauptstadt Dresden wurde ein Klimaanpassungskonzept erarbeitet, dass die Klimaveränderungen und dessen Folgen in Dresden aufzeigt. In diesem Rahmen wurden Gefährdungsanalysen für die Dresdner Stadtteile erstellt. Das Gefährdungspotenzial ergibt sich aus der Sensitivität eines Systems bezüglich der Klimaveränderung und der Exposition (Lage im Stadtraum). Für die Analyse standen die menschliche Gesundheit, Gebäude und Infrastruktur im Fokus. Gefährdungspotenziale wurden für die Themen Wärmebelastung sowie die Überschwemmungsgefahr durch Starkregen und Flusshochwasser untersucht ¿ hier Starkregen. In die Analyse flossen die mithilfe einer hydrodynamischen Modellierung ausgewiesenen potenziell überfluteten Flächen bei Starkregen ein. Außerdem wurden die Flächen kritischer und nicht-kritischer Flächennutzung einbezogen. Ausschlaggebend für das Gefährdungspotenzial ist der absolute Flächenanteil der überschwemmten Gebiete sowie deren relativer Anteil an der Gesamtfläche des Stadtteils. Damit wird vermieden, dass flächengroße Stadtteile überrepräsentiert werden. Die Übersicht der Gefährdungspotenziale der Stadtteile ist eine wichtige Grundlage, um den Handlungsbedarf zur Anpassung bewerten und die Maßnahmenentwicklung und -umsetzung priorisieren zu können. Weitere Informationen zur Gefährdungsanalyse und möglichen Anpassungsoptionen sind dem Klimaanpassungskonzept zu entnehmen. Die Gefährdungsanalyse wurde im Rahmen der Erstellung des Klimaanpassungskonzeptes vom Thüringer Institut für Nachhaltigkeit und Klimaschutz (ThINK) durchgeführt. Die Übersicht der Gefährdungspotenziale der Stadtteile ist eine wichtige Grundlage, um den Handlungsbedarf zur Anpassung in den verschiedenen Bereichen bewerten zu können. Mit Hilfe der Analyse kann die Maßnahmenentwicklung und -umsetzung priorisiert werden.

Dynamik, Variabilität und bioklimatische Effekte von niedrigen Wolken im westlichen Zentralafrika

Niedrige Wolken sind Schlüsselbestandteile vieler Klimazonen, aber in numerischen Modellen oft nicht gut dargestellt und schwer zu beobachten. Kürzlich wurde gezeigt, dass sich während der Haupttrockensaison im Juni und September im westlichen Zentralafrika eine ausgedehnte niedrige Wolkenbedeckung (engl. „low cloud cover“, LCC) entwickelt. Eine derart wolkige Haupttrockenzeit ist in den feuchten Tropen einzigartig und erklärt wahrscheinlich die dichtesten immergrünen Wälder in der Region. Da paläoklimatische Studien auf eine Instabilität hinweisen, kann jede Verringerung des LCC aufgrund des Klimawandels einen Kipppunkt für die Waldbedeckung darstellen. Daher besteht ein dringender Bedarf, das Auftreten, die Variabilität und die bioklimatischen Auswirkungen des LCC in westlichen Zentralafrika besser zu verstehen.Um diese Ziele zu erreichen, wurde ein Konsortium aus französischen, deutschen und gabunischen Partnern aufgebaut, zu dem Meteorologen, Klimatologen und Experten für Fernerkundung und Waldökologie gehören. Die meteorologischen Prozesse, welche die Bildung und Auflösung der LCC im Tagesgang steuern, werden anhand von zwei Ozean-Land-Transekten auf der Grundlage einer synergistischen Analyse von historischen In-situ Beobachtungen, von Daten einer Feldkampagne und anhand von atmosphärischen Modellsimulationen untersucht. Die Ergebnisse werden mit einem kürzlich entwickelten konzeptionellen Modell für LCC im südlichen Westafrika verglichen.Die intrasaisonale bis interannuale Variabilität des LCC wird durch die Analyse von In-Situ-Langzeitdaten und Satellitenschätzungen quantifiziert. Unterschiede im Jahresgang des LCC (d.h. jahreszeitlicher Beginn und Rückzug, wolkenarme Tage) und die Ausdehnung ins Inland werden dokumentiert. Ansätze, die auf Wettertypen und äquatorialen Wellen basieren, werden verwendet, um intrasaisonale Variationen des LCC zu verstehen. Die Auswirkungen lokaler und regionaler Meeresoberflächentemperaturen auf die LCC-Entwicklung und ihre Jahr-zu-Jahr Variabilität werden bewertet, wobei statistische Analysen und spezielle Sensitivitätsversuche mit einem regionalen Klimamodell verknüpft werden.Schließlich wird der Einfluss von LCC auf die Licht- und Wasserverfügbarkeit bzw. die Waldfunktion anhand von In-Situ-Messungen untersucht. Die Ergebnisse werden mit Messungen aus der nördlichen Republik Kongo, wo die Trockenzeit sonnig ist, sowie mit einem einfachen Wasserhaushaltsmodells, das an die Region angepasst ist, verglichen. Die Wasserhaushaltsanalysen sollen die Kompensations- oder Verstärkungseffekte von Regen im Vergleich zur potenziellen Evapotranspiration, beide moduliert durch die LCC, auf das Wasserdefizit aufzeigen.Die Ergebnisse von DYVALOCCA werden zum ersten konzeptionellen Modell für Wolkenbildung und -auflösung im westlichen Zentralafrika führen und eine Hilfestellung für die Bewertung von Klimawandel-Simulationen mit Blick auf potentielle Kipppunkte für die immergrünen Regenwälder in der Region geben.

Linking internal pattern dynamics and integral responses - Identification of dominant controls with a strategic sampling design

In hydrology, the relationship between water storage and flow is still fundamental in characterizing and modeling hydrological systems. However, this simplification neglects important aspects of the variability of the hydrological system, such as stable or instable states, tipping points, connectivity, etc. and influences the predictability of hydrological systems, both for extreme events as well as long-term changes. We still lack appropriate data to develop theory linking internal pattern dynamics and integral responses and therefore to identify functionally similar hydrological areas and link this to structural features. We plan to investigate the similarities and differences of the dynamic patterns of state variables and the integral response in replicas of distinct landscape units. A strategic and systematic monitoring network is planned in this project, which contributes the essential dynamic datasets to the research group to characterize EFUs and DFUs and thus significantly improving the usual approach of subdividing the landscape into static entities such as the traditional HRUs. The planned monitoring network is unique and highly innovative in its linkage of surface and subsurface observations and its spatial and temporal resolution and the centerpiece of CAOS.

Arealbildung, Einnischung und Populationsoekologie anthropochorer Pflanzensippen

Der Anteil eingeschlepppter Pflanzenarten ist in allen Vegetationszonen der Erde im Steigen begriffen. Auch die Zahl derjehnigen Arten, die sich im Sekundaerareal rasch ausbreiten und durch die Entwicklung von Massenbestaenden zu oekologischen und oekonomischen Schaeden fuehren, steigt weltweit an. In unserem Projekt werden das Ausbreitungsverhalten und die Erfolgsstrategien von expansiven und in persistenten Massenbestaenden auftretenden in Mitteleuropa eingeschleppten Pflanzenarten untersucht (e.g. Bunias orientalis, Rorippa austriaca). Die Arealbildung und die oekologische Einnischung mitteleuropaeischer Arten wird auf der Suedinsel Neuseelands beobachtet. Benutzt werden vegetationsanalytische, demographische und experimentelle Ansaetze. Zielsetzung ist eine modellhafte und modellgestuetzte vergleichende Analyse von populationsoekologischen Strategien und Konkurrenzverhalten der Neophyten gegenueber assoziierten indigenen Arten und unter unterschiedlichen Stoerungsregimen, aus der sich auch Managementstrategien gegenueber (potentiell) schaedlichen Arten ableiten lassen. Die Untersuchungen an Bunias orientalis sind weitgehend abgeschlossen, ein Bestandssimulationsmodell ist in Bearbeitung .

Biogeochemische Prozesse in sandigen Strandsedimenten von Spiekeroog und Majorca

Wellen- und tidebeeinflusste sandige Strände machen einen Großteil der weltweiten Küstenlinie aus und spielen eine wichtige Rolle für Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallkreisläufe. Während Flut strömt Meerwasser in den Sedimentkörper, ebenso wird organisches Material eingetragen. Im Sediment wird dieses von Mikroorganismen abgebaut, sodass bei Ebbe an Nährstoffen angereichertes Wasser zurück in den Küstenozean strömt, wo die rezirkulierten Nährstoffe zur Primärproduktion genutzt werden. Durch mikrobielle Abbauprozesse entwickeln sich Redoxgradienten, die den Porenwasser-Chemismus prägen. Strände können sich außerdem in einer Mischzone zwischen süßem Grundwasser und Salzwasser befinden (subterranes Ästuar), sodass Salinitätsgradienten die Sediment-Porenwasser-Interaktion beeinflussen. Süßwasser ist zudem eine Quelle für terrestrische gelöste Stoffe. Um die globale Rolle von Strandsystemen in Bezug auf Kohlenstoff-, Nährstoff- und Metallzyklen verstehen zu können, ist es notwendig, biogeochemische Prozesse in Strandsedimenten detailliert und an verschiedenen Stränden weltweit zu untersuchen. Da in diesem Forschungsbereich nur wenige Studien existieren und insbesondere die Quellen- oder Senkenfunktion dieser Systeme bezüglich redoxsensitiver Metalle noch weitgehend unbekannt ist, wird dieses Projekt einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Metallzyklen in solchen Systemen liefern. Wir planen, biogeochemische Prozesse in den subterranen Ästuaren von zwei kontrastierenden Strandsystemen auf den Inseln Spiekeroog (NW Deutschland, mesotidal, siliziklastisch) und Mallorca (Spanien, mikrotidal, carbonatisch) zu untersuchen. Es sollen Hauptionen, DOC, O2, H2S, Nährstoffe (N, P, C, Si) und Spurenmetalle (Mn, Fe, U, Mo, V, Re) sowie Fe-Isotopenverhältnisse im Strandporenwasser analysiert werden. Wir planen ebenfalls die Sedimentzusammensetzung zu charakterisieren, da diese die Porenwasserzusammensetzung maßgeblich beeinflusst. An beiden Standorten sollen Transekte zwischen Düne und Niedrigwasserlinie bis in 5 m (Spiekeroog) bzw. 2 m (Mallorca) Tiefe hochaufgelöst beprobt werden. Der Fokus des Projekts liegt darin, Redox- und Salinitätsgradienten zu identifizieren sowie deren Auswirkungen auf die Porenwasserzusammensetzung zu interpretieren. Hydrochemische Modellierung anhand der erhobenen Daten soll zu einem besseren Verständnis der Effekte der Mischung von Grundwässern unterschiedlicher Zusammensetzung beitragen. Es sollen quantitative Aussagen zur Quellen- oder Senkenfunktion der Strände bezüglich essentieller Nährstoffe und redoxsensitiver Metalle erarbeitet werden. Fe-Isotopenverhältnisse dienen dazu, das limitierte Wissen über den Fe-Kreislauf in subterranen Ästuaren zu erweitern und die Fe-Isotopensignatur des Porenwasserflusses aus diesen Systemen besser zu definieren. Weiterhin wird diese Studie eine solide Datenbasis für die Modellierung des Porenwasser-Austroms von einzelnen Elementspezies aus permeablen Sedimenten in den Küstenozean liefern.

Modellierung von Nährstoffreduktionszielen zur Umsetzung der OSPAR Nordostatlantikstrategie und Entwicklung von modellbasierten Prognosewerkzeugen

In 2021 werden die Vertragsparteien des Übereinkommens zum Schutz der Meeresumwelt des Nordost-Atlantiks (OSPAR-Übereinkommen) eine neue Nordostatlantikstrategie verabschieden. Diese hat im Hinblick auf Eutrophierung das Ziel, in 2022 maximal erlaubte Nährstoffeinträge auf der Basis von Ökosystemmodellen abzuleiten und bis 2024 erforderliche staatenbezogene Nährstoffreduktionsziele festzulegen. Darüber hinaus werden für die Umsetzung der Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie zur Quantifizierung des Umweltziels 'Meere ohne Beeinträchtigung durch Eutrophierung' ebenfalls quantitative Nährstoffreduktionsziele sowie eine Zielkonzentration für Gesamtphosphor am Übergabepunkt limnisch-marin der in die deutschen Nordsee mündenden Flüsse benötigt. Das Vorhaben hat zum Ziel, diesen Prozess der Ableitung von Nährstoffreduktionszielen für die Nordsee fachlich und organisatorisch eng zu begleiten. Zunächst sollen auf der Basis geeigneter Ökosystemmodelle (z.B. ECOHAM, GPM, Modellsystem von MeRamo) Szenarien entwickelt werden, die eine Ableitung maximal zulässiger Nährstoffeinträge in OSPAR ermöglichen. Ferneinträge von Nährstoffen aus anderen Meeresgebieten sind dabei in den Modellen über eine entsprechende Analyse mit einem 'Transboundary Nutrient Transport Tool' zu berücksichtigen. Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens ist die Weiterentwicklung der Prognosefähigkeit der Modelle. Sauerstoffmangelereignisse sollen verlässlich von den Modellen vorhergesagt werden. Diese Prognosen sollen der Bewertung des OSPAR-Indikators Sauerstoffkonzentrationen dienen und erlauben eine Abschätzung der Auswirkungen des Klimawandels auf den Parameter Sauerstoff. Die Ableitung von Nährstoffreduktionszielen in OSPAR wird von der Arbeitsgruppe ICG EMO (Intersessional Correspondence Group on Eutrophication Modelling) durchgeführt. Im Rahmen des Vorhabens soll diese Arbeitsgruppe geleitet und die erforderlichen fachlichen Arbeiten organisiert werden.

Bundesweite Phosphoreintragsmodellierung (MoRE) – gelöster Phosphoreintrag über Dränagen (Datensatz)

Der deutschlandweite Datensatz enthält Informationen zum mittleren (2016-2018) gelösten Phosphoreintrag über Dränagen in Gewässer (in kg/ha/a). Der Datensatz liegt vor: Auflösung: MoRE-Modellgebiete (Analysegebiete) Eine grundsätzliche Beschreibung des methodischen Vorgehens und der genutzten Modelleingangsdaten findet sich in (Fuchs, S.; Brecht, K.; Gebel, M.; Bürger, S.; Uhlig, M.; Halbfaß, S. (2022): Phosphoreinträge in die Gewässer bundesweit modellieren – Neue Ansätze und aktualisierte Ergebnisse von MoRE-DE. UBA Texte | 142/2022. Umweltbundesamt. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/phosphoreintraege-in-die-gewaesser-bundesweit). Die simulierten Daten sind keine absolut gültigen Ergebnisse, sondern stehen im Kontext erforderlicher methodischer Annahmen bei der Erstellung und Verarbeitung. Sie sind u.a. von im angewandten Modell geltenden Annahmen, der Modellstruktur, der Parameterschätzung, der Kalibrierungsstrategie und der Qualität der Antriebsdaten abhängig.

Bundesweite Phosphoreintragsmodellierung (MoRE) – gelöster Phosphoreintrag über Grundwasser (Datensatz)

Der deutschlandweite Datensatz enthält Informationen zum mittleren (2016-2018) gelösten Phosphoreintrag über den Grundwasserzufluss in Gewässer (in kg/ha/a). Der Datensatz liegt vor: Auflösung: MoRE-Modellgebiete (Analysegebiete) Eine grundsätzliche Beschreibung des methodischen Vorgehens und der genutzten Modelleingangsdaten findet sich in (Fuchs, S.; Brecht, K.; Gebel, M.; Bürger, S.; Uhlig, M.; Halbfaß, S. (2022): Phosphoreinträge in die Gewässer bundesweit modellieren – Neue Ansätze und aktualisierte Ergebnisse von MoRE-DE. UBA Texte | 142/2022. Umweltbundesamt. Online verfügbar unter: https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/phosphoreintraege-in-die-gewaesser-bundesweit). Die simulierten Daten sind keine absolut gültigen Ergebnisse, sondern stehen im Kontext erforderlicher methodischer Annahmen bei der Erstellung und Verarbeitung. Sie sind u.a. von im angewandten Modell geltenden Annahmen, der Modellstruktur, der Parameterschätzung, der Kalibrierungsstrategie und der Qualität der Antriebsdaten abhängig.

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