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Zahlreiche Prozesse sind an der Entwicklung von Wolkensystemen unter leicht unterkühlten Bedingungen bis zu -10°C beteiligt. Das Zusammenspiel von Thermodynamik, Wasserdampf und Aerosolpartikeln steuert die Verteilung von Flüssigwasser und Eis, die Niederschlagsbildung und die Strahlungseigenschaften. Das Projekt PolarCAP zielt darauf ab, die komplexen Zusammenhänge aufzulösen, indem die Entwicklung der Eisphase unter leicht unterkühlten Bedingungen in einer thermodynamisch und aerosol-kontrollierten natürlichen Umgebung mittels Radarpolarimetrie und Spectral-Bin Modellierung untersucht wird. Zielobjekt der Studie sind flüssigwasserdominierte, unterkühlte stratiforme Wolken, die sich im Winter häufig im Temperaturbereich von -10 bis 0°C über dem Schweizer Plateau bilden. Im Rahmen des externen ERC-Forschungsprojekts CLOUDLAB werden Drohnen eingesetzt, um diese Wolken mit definierten Mengen verschiedener Arten von eisnukleierenden Partikeln, wie Silberjodid oder Snowmax, zu impfen. Die anschließend gebildete Eisphase und die Auflösung der Flüssigphase werden im Rahmen von CLOUDLAB mit Hilfe von In-situ-Messungen und einem Standardsatz von Fernerkundungsinstrumenten wie Lidar und LDR-Wolkenradar charakterisiert. Konkretes Ziel von CLOUDLAB ist, die 1- und 2-Momenten-Parametrisierungen der Eisphase des Wettervorhersagemodells ICON zu verbessern. PolarCAP wird mit dem CLOUDLAB-Projekt zusammenarbeiten, um diesen einzigartigen Datensatz durch die Anwendung modernster polarimetrischer Radar- und Lidar-basierter Fernerkundungstechniken zur Bestimmung der mikrophysikalischen Eigenschaften von Wolken sowie durch die Anwendung wolkenauflösender Spektral-Bin Modellierung zu verbessern und zu nutzen. Synergistische, mehrwellenlängen- und polarimetrische bodengebundene Fernerkundung mit scannendem Radar und Lidar wird eingesetzt, um den Übergang von unterkühlten flüssigen stratiformen Wolken in Mischphasenwolken zu beobachten. Begleitet von wolkenauflösenden Modellsimulationen und Radar-Forward-Operatoren wird PolarCAP die Entwicklung und die beteiligten mikrophysikalischen Prozesse zwischen -10 und 0°C erfassen. Die kombinierten Beobachtungen werden neue Erkenntnisse über das Zusammenspiel von Kontakt- und Immersionsgefrieren, sekundärer Eisbildung und Eisvervielfachung liefern, indem Wolken in verschiedenen Temperaturregimen untersucht werden, von denen angenommen wird, dass sie entweder von spezifischen Eisphasenprozessen beeinflusst bzw. unbeeinflusst sind. PolarCAP wird das derzeitige Verständnis wolkenmikrophysikalischer Prozesse und deren Darstellung in atmosphärischen Modellen herausfordern und die wolkenauflösende Modellierung und deren Kopplung an Radarvorwärtsoperatoren vorantreiben. Insgesamt wird PolarCAP Fortschritte in unseren Fähigkeiten erzielen, die Effizienz verschiedener eisbildender Substanzen besser einschätzen zu können und die Zeitskalen von mikrophysikalischen Prozessen und dem Lebenszyklus von Stratusbewölkung zu verknüpfen.
Gegenstand dieses Projekts 'Multi-Scale Dynamics of Gravity Waves (MS-GWaves)' ist die asymptotische Mehrskalendynamik der Ausbreitung von Schwerewellen (SW), aufbauend auf einer nichtlinearen WKB-Theorie der Antragsteller und deren methodologischer Weiterentwicklung hin zu einer praktischen Implementierung. Die Theorie soll erweitert werden durch die zusätzliche Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen großskaligen aufgelösten und kleinskaligen parametrisierten Schwerewellen und durch eine Neubetrachtung der Wechselwirkung von Schwerewellen und geostrophischen Moden untereinander und mit der synoptisch-skaligen Strömung. Dies wird ergänzt durch eine verbesserte Behandlung der nichtlinearen SW-Dissipation, und, in Wechselwirkung mit dem Teilprojekt GW-ICE, durch eine skalenabhängige Modellierung der Wechselwirkung von SW und Tropopause. Ergebnis wird eine allgemeine Theorie und numerische Methode für die Vorhersage der Ausbreitung von SW, ihrer Wechselwirkung mit der mittleren Strömung, und ihrer Dissipation sein. Die Ergebnisse werden mittels Large-Eddy-Simulationen (LES) validiert. Die Entwicklungen in diesem Teilprojekt werden direkt Eingang in ein prognostisches SW-Modell (MS-GWaM) finden, das in das SW-erlaubende globale Modell UA-ICON eingebaut wird, welches innerhalb des FOR-Teilprojekts GWING entwickelt wird. Dabei wird an Quellenbeschreibungen angekoppelt, die von den FOR-Projekten SV und SI bereitgestellt werden. In UA-ICON/MS-GWaM wirken die SW auf die großskalige Strömung, aber die Möglichkeit der Nutzung des SW-Modells als diagnostisches Werkzeug wird ebenfalls angestrebt.
Die Madden-Julian Oszillation (MJO) (Madden & Julian 1971, 1972) ist der dominante Teil der intrasessionalen Variabilität der tropischen Atmosphäre. Sie äußert sich vor allem in ostwärts wandernden Gebieten tiefer Konvektion und erhöhten Niederschlages. Weiterhin beeinflusst die MJO durch dynamische Kopplung das lokale Wetter des Indischen Ozeans und der Pazifischen Inseln. Außerdem spielt die durch vertikale Kopplung vermittelte Interaktion mit anderen wiederkehrenden dynamischen Phänomenen, wie zum Beispiel der Quasizweijahresschwingung der inneren Tropen (Quasi-biennial Oscillation, QBO), eine wichtige Rolle für das Verständnis tropischer Winde. Obwohl die Datenbasis über die MJO, der tiefen tropischen Konvektion und des Niederschlag in den Tropen im Verlauf der letzten Jahrzehnte eine deutliche Verbesserung erfuhr, verbleibt die Modellierung und Simulation der MJO als ein ernstes Problem heutiger atmosphärischer Modelle. Aus diesem Grunde beschäftigt sich das hier vorgeschlagene Projekt mit wichtigen Fragestellungen bezüglich dieser Modellierungsprobleme. Dabei wird auf Methoden, welche während der Anfertigung meiner Doktorarbeit zur Modellierung konvektiver Schwerewellen entstanden, zurückgegriffen. Das Projekt gliedert sich hierbei folgendermaßen in zwei wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen:Wie beeinflusst die MJO die Ausbreitung und Dissipation konvektiv angeregter Schwerewellen?Wie wirken diese konvektiven Schwerewellen zurück auf die MJO und deren Konvektion?Das zur Beantwortung dieser Fragen notwendige Werkzeug ist ein gekoppeltes Modell konvektiv angeregter Schwerewellen und ihrer Ausbreitung, welches ich bereits sehr erfolgreich für Studien meiner Dissertation nutzte. Zusätzlich wird die Anwendung des WRF (Weather Research and Forecasting) Modells die numerische Modellierung auf der Mesoskala unterstützen. Einen weiteren Fokus setzt das Projekt auf Impulsflussspektren der Schwerewellen und ihrer durch die MJO induzierten Variabilität. Es wird außerdem untersucht, ob diese MJO induzierte Variabilität von Satelliteninstrumenten aus beobachtet werden kann. Dies wird Einsichten in den durch flache und tiefe Konvektion emittierten Schwerewellenimpulsfluss eröffnen. Im Falle der Feedbackmechanismen wird der Schwerpunkt auf den Einfluss des Schwerewellendrag auf die sekundäre Zirkulation der MJO gelegt.
Interne Schwerewellen (SW) verbinden verschiedene Schichten der Atmosphäre von der Troposphäre bis zur Thermosphäre und treiben die großskalige Zirkulation der mittleren Atmosphäre an. Viele der für SW relevanten Prozesse, von ihrer Entstehung über die Ausbreitung bis zur Dissipation sind jedoch unvollständig verstanden und, wegen der geringen typischen Wellenlänge, meist schlecht in numerischen Wettervorhersage- und Klimamodellen repräsentiert. GWING ist eines der Projekte der Forschergruppe MS-GWaves, die darauf abzielt, unser Verständnis der oben angesprochenen multi-skalaren dynamischen Schwerewellenprozesse zu verbessern, um letztendlich eine einheitliche Parametrisierung der in Atmosphärenmodellen nicht auflösbaren Schwerewellen (und ihrer Effekte) von der Entstehung bis zur Dissipation zu entwickeln. Um hierzu beizutragen, ist das zentrale Ziel von GWING die Entwicklung und Anwendung des atmosphärischen Zirkulationsmodells UA-ICON. Mit diesem Modell integriert GWING das in der Forschergruppe MS-GWaves entwickelte Wissen. In der zweiten Phase von GWING stehen zwei übergeordnete wissenschaftliche Fragen im Fokus: a) Welche Bedeutung haben Eigenschaften von Schwerewellen, die in klassischen Parametrisierungen nicht berücksichtigt werden, also insbesondere horizontale und nicht-inständige Propagation sowie die Wechselwirkung transienter Wellen mit dem Grundstrom? b) Welche Rolle spielen Schwerewellen für die globale Zirkulation und ihre Variabilität? Um diese Fragen zu beantworten, werden wir UA-ICON global sowohl mit einer Maschenweite von etwa 20 km (d.h. mit Auflösung von SW bis etwa 100 km Wellenlänge) als auch mit grober Auflösung, dafür aber mit der State-of-the-art Parametrisierung MS-GWaM nutzen. Weiterhin werden spezielle Beobachtungsepisoden mit sehr hoch (ca. 1,5 km) aufgelösten Nestern simuliert. Zur Evaluation und Analyse werden diese Modellsimulationen mit Beobachtungen der Partnerprojekte zusammengeführt. Die wesentlichen Entwicklungsziele für UA-ICON in Phase 2 des Projekts sind dementsprechend die Implementierung von MS-GWaM (entwickelt im Partnerprojekt 3DMSD), die Einführung physik-basierter Schwerewellenquellen (zusammen mit 3DMSD und SV) und eine verbesserte Behandlung von SW bei sehr hoher Modellauflösung. Die Nutzung der verschiedenen UA-ICON-Konfigurationen wird schließlich erlauben, die Bedeutung bisher vernachlässigter Eigenschaften von SW zu untersuchen, d.h. die erste der oben genannten Fragestellungen zu beantworten. Ein spezielles Ziel im Rahmen von GWING ist diese Untersuchung für Episoden plötzlicher Stratosphärenerwärmungen, die durch sich schnell ändernde und zonal nicht symmetrische Bedingungen des Grundstroms gekennzeichnet sind. Im Hinblick auf die zweite übergeordnete Fragestellung, wird sich GWING auf a) die Rolle der SW und einer hohen Modellausdehnung für die Simulation von Zirkulationsänderungen bei globaler Erwärmung und b) die Rolle für die Güte von Wettervorhersagen konzentrieren.
Die Nutzung von Abwasser zur Bewässerung in der Landwirtschaft ist eine entscheidende Möglichkeit, die Effizienz der Wassernutzung zu erhöhen, Wasserknappheit zu mindern und die Nahrungsmittelproduktion zu steigern. Eine Behandlung von Abwasser vor der Nutzung in der Landwirtschaft wird generell empfohlen, um Umwelt- und Gesundheitsrisiken zu reduzieren. Die Umstellung von einer Bewässerung mit unbehandeltem auf eine Bewässerung mit behandeltem Abwasser führt zu einer Reduktion des Eintrages von organischem Kohlenstoff, Nährstoffen und vielen Schadstoffen. Jedoch können durch die Umstellung auf eine Bewässerung mit behandeltem Abwasser auch Schadstoffe mobilisiert werden, die sich in der Vergangenheit im Boden während der Bewässerung mit unbehandeltem Abwasser akkumuliert haben. Wir postulieren daher, dass die Implementierung einer konventionellen Abwasserbehandlung in etablierten Bewässerungssystemen, die unbehandeltes Abwasser genutzt haben, mit bislang unvorhergesehenen Risiken verbunden ist. Diese Risiken ergeben sich i) aus der Remobilisierung der in der Vergangenheit im Boden akkumulierten Schadstoffe, die zu Schadstoffkonzentrationen in Böden und Pflanzen führt, die eine (Ko-)Selektion von Antibiotikaresistenzen bewirken und ii) durch eine in der Folge gesteigerte Selektion und Ausbreitung von resistenten Bakterien und Resistenzgenen. Zur Beurteilung des Ausmaßes und der Relevanz dieser Risiken fehlt jedoch ein grundlegendes Verständnis der (Ko)-Selektionsprozesse resistenter Bakterien und des Transfers von Resistenzgenen unter dem Einfluss subinhibitorischer Konzentrationen von Antibiotikawirkstoffen und Desinfektionsmitteln und ihrer Kombinationen in Böden und Pflanzen. Außerdem sind räumliche und sorptive Kontrollfaktoren dieser Interaktionen wenig erforscht. Kaum untersucht ist auch die Kopplung des Verhaltens und der Effekte von Antibiotika und Desinfektionsmitteln unter subtropischen Bedingungen, unter denen erhöhte Temperaturen sowohl die Selektion von resistenten Bakterien, aber auch die Dissipation von organischen Schadstoffen in einem bislang unbekannten Ausmaß steigern können. Die Implementierung einer Abwasserbehandlung im weltweit größten Abwasserbewässerungssystem Mexico City-Valle Mezquital bietet die Chance, das erforderliche Prozessverständnis für die Beurteilung der oben genannten Risiken zu gewinnen. Die vorgeschlagene Forschungsgruppe wird die kontrollierenden Mechanismen der Dynamiken von Schadstoffen und multiresistenter Bakterien während des Überganges von einer Bewässerung mit unbehandeltem Abwasser hin zu einer Bewässerung mit behandeltem Abwasser aufklären. Eine solche Forschungsgruppe wird darüber hinaus ein grundlegendes Prozessverständnis der Interaktionen zwischen dem Verhalten unterschiedlicher Schadstoffe und Bakterien sowie der Selektion und Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen in Agrarökosystemen liefern.
Stoff- und Energieumwandlungen im Boden hängen vom Aktivitätszustand der Mikroorganismen und ihrem Stoffwechsel ab. Der mikrobielle Abbau von Phosphor (P) kann nicht nur durch P, sondern auch durch Kohlenstoff- (C) und Energiemangel angetrieben werden, da energiereiche Phosphoesterbindung zu den wichtigsten Energiespeichern und -überträgern in Zellen gehört. In diesem Projekt werden wir den von „EcoEnergeticS“ entwickelten thermodynamisch-metabolischen Ansatz zur Bioenergetik des P-Abbaus aus organischen Quellen vertiefen. Unser Ziel ist es, die Energiekosten der Enzymproduktion für den P-Abbau zu ermitteln, mittels derer C, Energie und Nährstoffe aus Substraten unterschiedlicher Komplexität gewonnen werden können. Wir werden erstmals die Parameter der mikrobiellen P-Immobilisierung (Pmic-Bildung), des ATP-Spiegels, der Dynamik der Speichesubstanzen (PHBs), des PLFA- und DNA-Gehalts und deren Verhältnisse sowie die Enzymaktivität mit Wärmefreisetzung und CO2-Emission als Stellvertreter der Stoffwechselaktivität zu kombinieren. Wir nehmen an, dass die Energiekosten zur Produktion P-hydrolysierender Enzyme durch Mikroorganismen mit zunehmender Substratkomplexität steigen. Eine weitere Hypothese lautet, dass Mikroorganismen entweder bei C- oder P-Mangel Verbindungen mit hochenergetischen Phosphoesterbindungen (z. B. ATP) eher als Quelle für entweder C oder P verwenden. Ohne P-Mangel kann C aus ATP in zur Energiespeicherung in Speicherstoffe (z. B. PHB) eingebaut werden, während hydrolysiertes P freigesetzt wird. In WP1 werden wir die Investition von Mikroorganismen in die Enzymproduktion zur Gewinnung von Energie und Nährstoffen aus organischen P-Substanzen unterschiedlicher Komplexität ermitteln, was die Hydrolyse durch entweder eine oder mehrere Phosphatasen (Phosphomono- und Phosphodiesterasen, Phytasen) erfordert. Weiterhin werden wir in WP2 die Energiekosten von i) anorganischer P-Aufnahme und anaboler Verwendung, ii) Mineralisierung von organischen P-Verbindungen mit zunehmender Komplexität entschlüsseln. Das Verwendung von hochenergetischen, C- und P-haltigen Organo-Phosphoestern durch Mikroorganismen bei Nährstoff- und/oder Energielimitierung wird in WP3 untersucht. Insbesondere zielen wir darauf ab, den Einbau von ATP in Zellkomponenten als Indikator für den metabolischen Zustand von Zellen zu definieren, die in der Lage sind, i) energielimitierte, ii) C-limitierte oder iii) P-limitierte mikrobielle Gemeinschaften in Böden zu differenzieren. Insgesamt wird dieses Projekt untersuchen, wie Nährstoffmangel und die Notwendigkeit der Phosphatasebildung die Energie- und C-Speicherung beeinträchtigen und welche dieser P- und C-Wege abhängig von der mikrobiellen Aktivität angetrieben werden. Das Verständnis dieser Mechanismen kann dazu beitragen, die mikrobielle Effizienz bei der P-Umwandlung aus organischer Substanz zu erhöhen, was besonders angesichts des zukünftigen Mangels an Phophordüngemitteln von besonderer Bedeutung ist.
Das Vorhaben umfasst Untersuchungen der inhibierenden Wirkung von Sonnenstrahlung auf die Photosynthese in tropischen Pflanzen und deren Akklimatisation an ambiente Lichtbedingungen. Die Reaktion des Photosyntheseapparats auf natürlichen 'Lichtstress' in Schatten- und Sonnenblättern wird mittels verschiedener Messparameter analysiert. Insbesondere werden spezifische Filter für ultraviolettes Licht (UV-B und UV-A) angewandt, um die Reaktion der Blätter auf die solare UV-Strahlung zu untersuchen. Im Vordergrund der Messungen steht der CO2-Gaswechsel, da Studien mit artifizellem UV-Licht eine bevorzugte Inhibition der CO2-Assimilation durch UV-B gezeigt haben. Daneben werden Änderungen der Aktivitäten der Photosysteme II und I durch Chlorophyllfluoreszenz- bzw. Absorptionsmessungen erfasst. Die Akklimatisation von Schattenblättern an tägliche Sonnenexposition wird mehrere Wochen lang anhand der Zusammensetzung der Photosynthesepigmente und Anreicherung von UV-absorbierenden Substanzen verfolgt. Modellversuche mit Mutanten von Arabidopsis thaliana sollen klären, ob das im Xanthophyllzyklus gebildete Zeaxanthin und die assoziierte thermische Dissipation von Anregungsenergie zum Schutz des Photosystems I beiträgt. Die Sonnenexpositions-Experimente und physikalischen Messungen werden weitgehend am Smithsonian Tropical Research Institute in Panama in Kooperation mit Dr. K. Winter durchgeführt. Pigmentanalysen und Datenverarbeitung sowie die Untersuchung einer C4-Pflanzenart und der Arabidopsis-Mutanten erfolgen am Institut für Biochemie der Pflanzen in Düsseldorf.
Bamboos (Poaceae) are widespread in tropical and subtropical forests. Particularly in Asia, bamboos are cultivated by smallholders and increasingly in large plantations. In contrast to trees, reliable assessments of water use characteristics for bamboo are very scarce. Recently we tested a set of methods for assessing bamboo water use and obtained first results. Objectives of the proposed project are (1) to further test and develop the methods, (2) to compare the water use of different bamboo species, (3) to analyze the water use to bamboo size relationship across species, and (4) to assess effects of bamboo culm density on the stand-level transpiration. The study shall be conducted in South China where bamboos are very abundant. It is planned to work in a common garden (method testing), a botanical garden (species comparison, water use to size relationship), and on-farm (effects of culm density). Method testing will include a variety of approaches (thermal dissipation probes, stem heat balance, deuterium tracing and gravimetry), whereas subsequent steps will be based on thermal methods. The results may contribute to an improved understanding of bamboo water use characteristics and a more appropriate management of bamboo with respect to water resources.
Das Klima ist ein angetriebenes, dissipatives Nichtgleichgewichtssystem, wobei unsere Fähigkeiten die beteiligten Prozesse zu verstehen und simulieren begrenzt sind. Meteorologie und Klimaforschung verfügen noch nicht über eine Theorie zur Beschreibung von Instabilitäten, Gleichgewichtsrelaxation, Vorhersagbarkeit, Variabilität, und der Antwort auf Störungen. Trotz großer Fortschritte stoßen Klima- und Wettervorhersagemodelle nach wie vor auf Barrieren aufgrund der komplexen Randbedingungen und der Multiskaleneffekte. Diese Effekte erfordern die Parametrisierung der nicht aufgelösten Prozesse mit der Folge großer systematischer Fehler. Wir nutzen drei erfolgreiche Ansätze aus der statistischen Mechanik und der Theorie dynamischer Systeme: Covariante Lyapunov Vektoren (CLV), instabile periodische Orbits (UPO) und die Response-Theorie (RT). Dies wird uns erlauben, relevante Probleme der geophysikalischen Strömungsdynamik (GFD) im turbulenten Bereich anzugehen. Wir werden diese Ideen auf komplexere numerische Modelle als frühere Studien ausdehnen.1) Instabilitäten: Wir werden Instabilitäten in turbulenten geophysikalischen Strömungen durch CLVs beschreiben. Im Gegensatz zu klassischen Lyapunov-Vektoren bieten CLVs eine kovariante Aufspaltung der Strömung und physikalisch interpretierbare Muster und erlauben damit eine neue Interpretation von Instabilitäten. Dies wird es uns ermöglichen, eine Verbindung zwischen der Energetik und der dynamischen Eigenschaften herzustellen und damit die mesoskopischen mit den makroskopischen Eigenschaften der Strömung zu verknüpfen.2) Vorhersagbarkeit: Wir werden CLVs und UPOs nutzen, um die Vorhersagbarkeit zu analysieren und Zustände hoher und niedriger Vorhersagbarkeit besser zu verstehen. Wir werden untersuchen auf welche Weise Schwankungen der Lyapunov Exponenten (LE) mit bestimmten Eigenschaften der entsprechenden CLVs zusammenhängen. Wir werden den sogenannten Return-of-Skill in Vorhersagen von Strömungen in einen Zusammenhang mit vorübergehenden Abweichungen in der Summe der positive LEs der Strömung bringen und damit die in der Wettervorhersage beobachteten Schwankungen der Vorhersagbarkeit erklären. Wir werden die Hypothese prüfen inwieweit UPOs die niederfrequente atmosphärische Variabilität erklären können.3) Antworttheorie: Auf der Basis der RT werden wir berechnen wie eine Strömung auf Störungen reagiert, indem nur die Gleichgewichtseigenschaften verwendet werden. Wir werden aus kleinen Ensembles von gestörten Simulationen den Responseoperator empirisch für Klimamodelle ableiten. Dies wird uns eine neue Methode zur Projektion auf verschiedene räumliche und zeitliche Skalen liefern. Wir werden die Antwort von baroklinen Strömungen auf Störungen (z.B. Erwärmung und CO2-Konzentration) analysieren. Wir werden die CLVs nutzen, um die Responseoperatoren in die stabilen, instabilen und neutralen Richtungen zu zerlegen und die Hypothese prüfen inwieweit UPOs mit Resonanzen verbunden sind.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 71 |
| Land | 3 |
| Wissenschaft | 41 |
| Zivilgesellschaft | 1 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 67 |
| Text | 4 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 4 |
| Offen | 67 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 61 |
| Englisch | 34 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 3 |
| Keine | 44 |
| Webseite | 25 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 71 |
| Lebewesen und Lebensräume | 52 |
| Luft | 44 |
| Mensch und Umwelt | 70 |
| Wasser | 36 |
| Weitere | 70 |