Wolken beeinflussen den Energiehaushalt durch Streuung des Sonnenlichts und Absorption der Wärmestrahlung der Erde und gelten daher als wichtiger Faktor im Klimasystem. Die Untersuchung von atmosphärischen Prozessen im Allgemeinen und der Eisnukleation im Besonderen ist von grundlegender Bedeutung für unser Verständnis der mit Wolkenbildung, Niederschlagsentwicklung und Wechselwirkung mit der Strahlung zusammenhängenden Mechanismen. Mineralstaub, der den größten Teil der atmosphärischen Aerosole ausmacht, kann bei geringen Sättigungen und Temperaturen, die über dem homogenen Gefrierpunkt liegen, Eisbildung initiieren und auf diese Weise die Wolkendynamik und auch die Mikrophysik sowie die Eigenschaften der Wolken beeinflussen. Trotz zahlreicher Untersuchungen zum Einfluss von Partikelgröße und Oberflächeneigenschaften von Eiskeimen wissen wir über die heterogene Eisnukleation auf molekularer Ebene immer noch sehr wenig. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Projektverlängerungsantrags ist die Untersuchung der Bedeutung von OH-Gruppen an den Oberflächen mineralischer Aerosolpartikel in heterogenen Eisnukleationsprozessen mit Hilfe der nichtlinearen optischen (NLO-)Spektroskopie und insbesondere der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen. Im DFG-Projekt AB 604/1-1 wurde bereits der Grundstein für das neue Forschungsfeld (Atmosphärische Oberflächenwissenschaft) am IMK-AAF des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gelegt. Das Projekt hat deutlich gezeigt, dass sich die NLO-Spektroskopie für die Untersuchung von heterogenen Eisnukleationsprozessen auf molekularer Ebene eignet. Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Projekts sollen daher im Wesentlichen Wasser und Hydroxylgruppen an den Oberflächen zweier atmosphärisch relevanter Mineraloxide mit unterschiedlichem Eisnukleationsvermögen (Feldspat und Quarz) während des heterogenen Gefrierens untersucht werden. Mit Hilfe der Summenfrequenzspektroskopie bei tiefen Temperaturen sollen die Grenzflächenwasser (flüssig und Eis) auf mineralischen Oberflächen analysiert sowie der Einfluss der OH-Gruppen an der Oberfläche auf den heterogenen Gefrierprozess bestimmt werden. Die hier geplanten Untersuchungen werden als Grundlage für eine deterministische Beschreibung des Prozesses des heterogenen Gefrierens an atmosphärischen Aerosolpartikeln mineralischen Ursprungs dienen. Solche Studien sind für unser Verständnis der atmosphärischen Prozesse und somit auch des Klimasystems von großer Bedeutung und darüber hinaus auch im Hinblick auf die lokale Wettermodifikation (z.B. Wolkenimpfung, Hagelabwehr) und die Klimaschutzpolitik von besonderem Interesse.
In verschiedenen Anwendungsbereichen der Klimamodellierung, z.B. Paläoklimatologie oder Sensitivitätsstudien, besteht Bedarf nach einem besonders effizienten Atmosphärenmodul. Niedrigdimensionale Modelle, basierend auf empirisch-orthogonalen Funktionen (EOF), mit einer empirischen linearen Parametrisierung der nicht aufgelösten Subgitterskalen (SGS), können viele Aspekte der Dynamik eines klassischen allgemeinen Zirkulationsmodells reproduzieren. Sie bieten sich somit in diesem Zusammenhang als interessantes Werkzeug an. Ein verbleibendes Problem war bisher die Klimasensitivität der empirischen SGS-Parametrisierung. In dem Projekt sollen zwei eng miteinander verwobene Ansätze verwendet werden, um dieses Thema anzugehen: (1) Neuere Ergebnisse zeigen, dass das Fluktuations-Dissipations-Theorem (FDT) Potential für die Vorhersage der Reaktion einer empirischen SGS-Parametrisierung auf variable externe Bedingungen hat, insbesondere wenn das betroffene System ausreichend viele schnelle Komponenten hat. Die barotrope Vorticitygleichung in dieser Untersuchung gestattet aber nur vergleichsweise langsame barotrope Rossbywellen. Es ist deshalb zu erwarten, dass der FDT-Ansatz in einem realistischeren Zusammenhang noch besser funktioniert. Darum, und auch mit der direkten Absicht, sukzessive den Realismus der Anwendung zu erhöhen, ist es geplant, die FDT-Strategie auf niedrigdimensionale Modelle der quasigeostrophischen Dreischichtendynamik (QG3S) anzuwenden, die synoptisch-skalige barokline Wellen zulässt. Dazu soll eine empirische linear-stochastische (Ornstein-Uhlenbeck, OU) Parametrisierung betrachtet werden. (2) Noch mehr als der obige Ansatz mit einer empirischen OU-Parametrisierung basiert die stochastische Modenreduktion (SMR) auf ersten Prinzipien. Die darin gegebene explizite Ableitung des Einflusses der nichtaufgelösten schnellen Moden, mit multiplikativem Rauschen und nichtlinearen deterministischen Beiträgen als Ergänzung zu Antrieb und additivem Rauschen wie in einer OU-Parametrisierung, sollte zu einem robusteren Verhalten eines entsprechend entwickelten niedrigdimensionalen Modells führen als die mehr datenbasierte OU-Parametrisierung der SGS. Da SMR-basierte Modelle allerdings zu einem Klimafehler neigen, die oben beschriebenen empirischen Ansätze andererseits sehr gut funktionieren, ist es vorgesehen, die Leistungsfähigkeit von SMR-Modellen zu verbessern, indem die konstante und lineare Komponente ihrer SGS-Parametrisierung empirisch ergänzt wird. Wiederum im QG3S-Zusammenhang soll das FDT verwendet werden, um die Reaktion der empirischen Komponenten der so modifizierten SMR-Parametrisierung auf externe Störungen vorherzusagen. Das übergeordnete Ziel dieser Anstrengungen ist ein effizientes Atmosphärenmodell, das soweit wie nach dem heutigen Stand der Wissenschaft möglich auf ersten Prinzipien basiert, das darüber hinaus aber das FDT verwendet, um die Klimaabhängigkeit der verbleibenden empirischen Elemente zu beschreiben.
In diesem Forschungsprojekt sollen zwei gegenläufige Aspekte der zukünftigen Entwicklungen auf den Energiemärkten untersucht werden: Energieknappheit momentan (Energiearmut charakteristisch für den Großteil der Weltbevölkerung) und vor allem in der Zukunft durch das einerseits rasante Bedarfswachstum (vor allem in China, Indien und anderen Schwellenländern) und andererseits der begrenzten Ressourcen an fossiler Energie. Globale Erwärmung und andere externe Effekte durch die Verwendung fossiler Energieträger. Daher sind aus umweltpolitischer Sicht eigentlich zu viele fossile Energieträger vorhanden. So unterschiedlich die beiden Probleme scheinen, deren Lösung ist durch einen gemeinsamen Nenner charakterisiert: ein relativ schneller Übergang zu alternativer und erneuerbarer Energie. In dieser Studie soll dieser Übergang aus unterschiedlichen Gesichtspunkten und auch mit interdisziplinären Ansätzen analysiert werden. Eine Fragestellung ist die; ob Preis- oder Mengeninstrumente (wie Zertifikate) geeigneter sind CO2-Emissionen zu reduzieren. Ein anderer Aspekt ist der der Gestaltung von Anreizen für die Bereitstellung von erneuerbarer Energie. Dabei sollen auch auf mögliche Skalenerträge berücksichtigt werden, wie sie auch im Vorschlag Desertic (Solarstrom aus der Sahara) implizit zum Ausdruck kommen. Dieses exemplarische Projekt unterstreicht auch noch andere wichtige Aspekte wie die einer geopolitischen Dimension und das Problem, dass sich Regierungen nicht binden können, die versprochenen Anreize zu streichen. Weitere Vorhaben sind die Analyse der Konkurrenz von Biotreibstoffen mit Lebensmitteln um landwirtschaftlich nutzbare Flächen und die strategische Wahl der russischen Erdölförderung (Angebotsdynamik, der russische 'Oil Peak, Konkurrenz mit Erdgas, Energieeffizienz und damit verbunden das Problem lokal niedriger Preise und der Übergang zu erneuerbarer Energie). Zur Analyse wird eine breite Palette von Methoden wie Gleichgewichtsmodelle, dynamische Optimierung und Spiele (deterministisch und stochastisch), Anreizmechanismen, Ansätze der Neuen Politischen Ökonomie, etc. zur Anwendung kommen.
Methoden zur Vorhersage der Stromproduktion von Windparks in Österreich über einen Zeitraum von 6 Stunden bis 10 Tagen werden verglichen und ihre operationelle Einsetzbarkeit evaluiert. State-of-the-art Methoden, die in der Fachliteratur dokumentiert sind und neue Methoden werden implementiert. Sie verwenden deterministische und Ensemblevorhersagen eines numerischen Wettervorhersagemodells und ein mehrjähriges Archiv historischer Windpark- und numerischer Wettervorhersagedaten, das in einer Oracle-Datenbank aufgesetzt wird. Durch die Verwendung probabilistischer Methoden wird der Informationsgehalt der Vorhersagen maximiert.
Mit dem übergeordneten Ziel der effizienten Modellierung großskaliger atmosphärischer Dynamik zur Untersuchung von Klimaänderungen wird in diesem Projekt ein stochastisches Modell für kleinskalige konvektive Prozesse, insbesondere Niederschlag, und deren Rückkopplung mit den großen, synoptischen Skalen entwickelt. Das führt zu einem hybriden Modell, welches eine konzeptionell stochastische Beschreibung von Konvektion berücksichtigt und in ein deterministisches Modell der atmosphärischen Dynamik eingebettet wird. Hierzu analysieren wir die Entwicklung eines atmosphärischen Stabilitätsindizes, integrieren und entwickeln die kohärente Mengen-Analyse weiter und bringen datenbasierte Methoden zur Identifikation und Untersuchung von nichtlinearen Systemen zum Einsatz.
Die integrale deterministisch-probabilistische Sicherheitsanalyse (IDPSA), oft auch als probabilistische Dynamikanalyse oder dynamische PSA bezeichnet, ist ein aktuelles und praktisch bedeutsames Forschungsgebiet, auf dem international For-schungseinrichtungen tätig sind. Der wesentliche Vorteil der Anwendung einer IDPSA in der Reaktorsicherheit besteht darin, die Vielfalt möglicher Verläufe sicherheitstechnisch wichtiger Prozesse unter möglichst realistischen Annahmen repräsentieren, analysieren und angemessen bewerten zu können. Insbesondere schafft es die IDPSA unter Verwendung von MCDET, den zufälligen Schwankungen der Zeitpunkte, zu denen Ereig-nisse eintreten, und den komplexen Wechselwirkungen von Phä nomenen eines Un-fallablaufs gerecht zu werden und ihre Auswirkungen auf den Prozessablauf zu quanti-fizieren. Durch den Einsatz fortschrittlicher dynamischer Methoden, wie sie in diesem Projekt entwickelt und erfolgreich angewendet wurden, kann die Sicherheits beurteilung von Risikotechnologien deutlich verbessert werden. Das Ziel des Vorhabens zur Weiterentwicklung des Analysewerkzeugs MCDET besteht darin, das Methodenspektrum zur Auswertung von MCDET-Ergebnissen zu erweitern. Zusätzlich soll der Einsatz von MCDET flexibel und effizient gestaltet sowie dessen Anwendung vereinfacht werden. Durch die Verbesserung des Methodenspektrums wird die Qualität und Aussagekraft von Ergebnissen aus dem Zusammenwirken probabilistischer und deterministischer Sicherheitsanalysen verbessert, wobei bereits durchgeführte MCDET-Analysen durch zusätzliche Analyseinhalte erweitert werden können. Die Benutzerfreundlichkeit soll sowohl durch gezielte Vereinfachungen in der Eingabestruktur als auch durch die programmtechnische Weiterentwicklung des MCDET-Kerns erhöht werden. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeiten liegt in der flexiblen Erweiterbarkeit des Methodenspektrums, was einen modularen Aufbau des MCDET-Kerns voraussetzt.
Das Projekt hat zum Ziel, die Wasserhaushaltsansprache in Standortskunde und Standortskartierung mit Hilfe von deterministischen Wasserhaushaltsmodellen möglichst wirklichkeitsnah, räumlich hochaufgelöst und dynamisch in Bezug auf Klimawandel abzubilden. Die Ableitung flächig darstellbarer Stressindikatoren der Wasser- und Lufthaushalts dient zur Bewertung der aktuellen und zukünftigen Anbaueignung wichtiger Baumarten unter veränderten Klimabedingungen und ist damit Grundlage für eine risikoarme Forstwirtschaft.
Lakes can be considered as sentinels and thus indicators and integrators of environmental pressures such as climate change. To maintain lakes in a healthy ecological state is nowadays a major task for water management authorities, and will be increasingly so under climate change which is believed to negatively affect lake ecosystem functioning. Phytoplankton plays a key role in lake dynamics as it is at the base of the food web, and changes in its community have potential to affect the entire lake ecosystem. In addition, Cyanobacteria, the only freshwater phytoplankton group that is able to produce cyanotoxins, are capable of inflicting considerable harm to lake ecosystems and to human health through contamination of drinking water supply and toxin accumulation in fishes. Phytoplankton is thus a common indicator to assess the ecological status of lakes. Without understanding the complex mechanisms and processes that underlay a lake ecosystem in a changing climate, planning for future lake management and adaptation will be compromised. Numerical deterministic modelling is today the most appropriate approach to address these global and complex mechanistic features of lake ecosystems. Modeling studies play a key role in exploring the processes responsible for changes since they can be used to test the sensitivity of lakes to both observed and projected changes in climate. The aim of this project is to apply an ecological model to Lake Geneva, which has not been undertaken yet. Lake Geneva, a deep sub-Alpine lake, is the largest lake in central Europe and an essential source of drinking water, having not only a high ecological value, but also economic and social values. Due to its considerable environmental importance, it is crucial to assess, through numerical modeling techniques applied, how the Lakes water quality may be impaired; especially in view of the fact the observed rate of warming since 1900 is more than double that of the observed global average. Moreover, the hydrodynamic characteristics of Lake Geneva, the watershed of its most important inflow river Rhône, as well as the regional climate, have already been modeled. In coupling these models together, we will close the essential gaps, through which we will be able to understand the links between climate, watersheds, and lakes and provide a whole, integrated ecosystem perspective. This integrative model will provide an accurate predictive management tool to help take decisions and response strategies in a timely manner. It is generally recognized that future climate change will have an important impact on Lake Geneva, with a likely deterioration of its water quality. This will be manifested by high phosphorus concentrations, by phytoplankton biomass increase, by a change in phytoplankton composition, by an asynchronous phenology and by an emergence of potentially toxic Cyanobacteria.(...)
1. Projektzusammenfassung PLAWES In PLAWES wird mit dem Modellsystem Weser-Nationalpark Wattenmeer weltweit erstmals und umfassend die Kunststoffbelastung eines großen Flusseinzugsgebietes mit europäischer Dimension untersucht. PLAWES wird als Pionierstudie eine disziplin- und ökosystemübergreifende Analyse der Kontamination mit Mikroplastik (MP) durchführen sowie exemplarisch verschiedene punktuelle (Kläranlagen, Trennsysteme) und diffuse (Dränage, Atmosphäre) Quellen und Eintragspfade analysieren. Die Erkenntnisse fließen in einen Modellierungsansatz zur Bilanzierung sowie zur Identifikation primärer Transportmechanismen und Akkumulationszonen ein. Ökosystemische Auswirkungen von MP im System Weser-Wattenmeer werden anhand der Interaktion von Mikroplastik mit Pathogenen in Biofilmen sowie aquatischen Invertebraten untersucht. Die Erkenntnisse dieser ökologisch besonders relevanten Aspekte werden verwendet, um das Umweltrisiko von MP für das Modellsystem abzuschätzen und in der Folge auf andere Systeme übertragbar zu machen. Zudem werden am konkreten Beispiel des Modellsystems neue Informations- und Lehrmaterialien erstellt, um relevantes Wissen für die Zivilgesellschaft sowie Entscheidungsträger verfügbar zu machen. 2. Rolle der NLWKN-Forschungsstelle Küste innerhalb des Verbundes Die Forschungsstelle Küste trägt im Wesentlichen zum Arbeitspaket 3 'Modellgestützte Bilanzierung der diffusen und punktförmigen MP-Einträge' bei, insbesondere durch die Umsetzung des AP 3.3 - Modellbildung für den Mündungsbereich/marines System. Das Ziel des AP 3 ist eine räumlich aufgelöste Quantifizierung der diffusen und punktförmigen MP-Einträge und die Ausweisung räumlicher Belastungsschwerpunkte und Akkumulationszonen innerhalb des Flusseinzugsgebietes und des Ästuars. Hierzu werden die MP-Einträge in die Oberflächengewässer bzw. den gezeitenbeeinflussten Bereich aus unterschiedlichen Arten von Punktquellen (kommunale Kläranlagen, Trennkanalisation) und über diffuse Eintragspfade (Dränung, und atmosphärische Deposition) modelliert (AP 3.1 und 3.2). Die Arbeiten bauen auf dem deterministischen hydrologischen Bilanzmodell mGROWA21, dem konzeptionellen Emissionsmodell MEPhos22, dem agrarökonomischen Modell RAUMIS23 sowie im gezeitenbeeinflussten Bereich auf einer deterministischen, gekoppelten numerischen Transportmodellierung unter Berücksichtigung der ästuarinen Hydro- und Sedimentdynamik auf. Die in den AP 3.1 und insbesondere 3.2 ermittelten Größen werden über definierte Randbedingungen entlang des Gezeitenbereichs an das AP 3.3 übergeben. Im Rahmen des Vorhabens wird die Modellkette zielgerichtet im Hinblick auf die MP-Eintragsmodellierung im Binnenland und die weitere Ausbreitung des MPs im Unterlauf, Ästuar und Küstenvorfeld weiterentwickelt. Hierbei ist eine enge Zusammenarbeit zwischen den drei Teilen des Arbeitspakets vorgesehen. (Text gekürzt)
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 82 |
| Europa | 3 |
| Land | 4 |
| Wirtschaft | 1 |
| Wissenschaft | 37 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 82 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 82 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 59 |
| Englisch | 34 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Keine | 34 |
| Webseite | 48 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 57 |
| Lebewesen und Lebensräume | 64 |
| Luft | 64 |
| Mensch und Umwelt | 82 |
| Wasser | 52 |
| Weitere | 82 |