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ERA-NET SUMFOREST: Unterstützung der Entscheidungsfindung in Ökosystemleistungen in Europa - Bewertung, Synergieeffekte und Trade-offs (POLYFORES)

POLYFORES verfolgt drei Hauptziele: 1. Erfassen der ökologischen Auswirkungen einschließlich der trade-offs und Synergien zwischen verschiedenen Waldökosystemdienstleistungen von variablen Waldbewirtschaftungsszenarien entlang verschiedener räumlicher und zeitlicher Skalen; 2. Entwicklung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Einschätzung der unterschiedlichen Wertvorstellungen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Bewertungen auf verschiedenen Entscheidungsfindungsebenen und sektoraler Perspektiven, die zur Bewertung von Kompromissen und Synergien zwischen verschiedenen Waldökosystemdienstleistungen beitragen; und 3. Unterstützung von Entscheidungsprozessen der Waldökosystemdienstleistungen auf verschiedenen (paneuropäischen, EU, nationalen und subnationalen) Ebenen durch einen transdisziplinären Ansatz, bei dem Entscheidungsträger in einem kontinuierlichen partizipativen Lernprozess über das gesamte Projekt hinweg beteiligt sind POLYFORES verfolgt daher 6 Zielsetzungen, die den Arbeitspaketen (AP) entsprechen: - Untersuchung der Methoden zur Bewertung von Waldökosystemdienstleistungen und die Abbildung der ökologischen Auswirkungen (inklusiver ihrer Trade-offs und Synergien zwischen verschiedenen Waldökosystemdienstleistungen) von verschiedenen Waldmanagement-Szenarien (AP2) - Bewertung der ökonomischen Werte der Waldökosystemdienstleistungen in ausgewählten Fallstudien und Durchführung eine quantitative Abbildung der gesellschaftlichen Werte (AP3) - Analyse dessen, wie Politiken und Strategien (von paneuropäischen zu nationalen) die Waldökosystemdienstleistungen ansprechen, um Synergien und Inkohärenz politischer Ziele und Ziele zu identifizieren, die zu trade-offs führen können (AP4) - Durchführung vergleichender Fallstudien, um zu verstehen, wie nationale Politiken von Akteuren auf der lokalen Waldmanagementebene umgesetzt werden und wie mögliche Synergien und Kompromisse behandelt werden können (AP5); - Zur Unterstützung der Entscheidungsfinder in Bezug auf Waldökosystemdienstleistungen wird ein interaktives Wissenschafts-Management-Konzept entwickelt und eine kontinuierliche Lernarchitektur geschaffen (AP 6); und - AP 1 beschäftigt sich mit dem Management und der Kommunikationen und Verbreitung von Projektergebnissen.

Einfluss von Landnutzung und Klimawandel auf gefährdete Vögel in Äthiopien und Schlussfolgerungen für deren Schutz: eine Fallstudie zu endemischen Frankolinen

Bodenbewohnende Hühnervogel-Arten wie Frankoline sind ideale Zielarten für die Untersuchung des Einflusses von Landnutzung und Habitatveränderungen auf die Biodiversität Äthiopiens. Diese methodisch breit angelegte Studie befasst sich daher mit zwei äthiopischen Frankolin-Arten (Harwood-Frankolin Pternistis harwoodi und Hochland-Frankolin Scleroptila psilolaema). Sie zielt auf umfassende Analysen von Schutzmaßnahmen und Landnutzungs-Management ab, die auch auf andere Regionen übertragbar sein sollen. Letztendlich soll das Projekt art- und gebietsspezifische Empfehlungen für einen effektiven Schutz generieren. Dieses Projekt ist Teil eines Forschungsvorhabens zur Vogelwelt Äthiopiens und ist vernetzt mit dem Projekt zu endemischen äthiopischen Frankolinen.

Umweltchemische Datenerhebung und Stoffbilanzierung zur Sanierung der Teschendorfer Seenkette

Mit der LTG Teschendorf wurde ein Projekt zur Sanierung der dortigen Seenkette beantragt. Seit der Bewilligung der Mittel an den LTG e.V. werden die Stoffeintraege in die Seenkette abgeschaetzt, verifiziert und als Grundlage fuer die weitere Sanierung in einer Studie zusammengestellt.

Erneuerbare Wärmenetze für die Dekarbonisierung der Wärmeversorgung ländlicher Siedlungen

Der ländliche Raum stellt eine besondere Herausforderung für die Wärmewende dar. Während in den Städten auf einen deutlichen Ausbau der Fernwärme gesetzt wird, findet regenerative Nahwärmenetze in ländlichen Siedlungen bisher zu wenig Berücksichtigung in den Studien für die Wärmewende. Hier setzt das Projekt ruralHeat an. Das Projektziel ist zum einen die wissenschaftliche Begleitung von Planung und Umsetzung der solaren Nahwärme in Bracht und Rüdigheim sowie zum anderen die Übertragbarkeit auf andere ländliche Siedlungen. Die Innovation in Bracht und Rüdigheim liegt darin, dass über 70% des Wärmebedarfs durch Solarwärme in Verbindung mit einem saisonalen Wärmespeicher gedeckt wird. Somit ist die Solarthermie nicht mehr ein 'fuel saver', sondern der Hauptwärmeerzeuger. Komplettiert wird das System mit einer Großwärmepumpe zur Speicherentladung und zwei Holzkesseln für die Spitzenlast. Das 100% regenerative Nahwärmekonzept ist zudem günstiger und wesentlich schneller umsetzbar als Maßnahmen an Einzelgebäuden (energetische Sanierung, Umstellung der Heizung). Die wissenschaftliche Begleitung unterstützt die beiden Bürgergenossenschaften bei Planung und Bau durch Simulationen zum Betrieb und Regelung der komplexen Anlage. Die Ergebnisse aus den beiden Demonstrationsanlagen sollen anhand von 10 Fallstudien auf die Übertragbarkeit auf andere ländliche Gebiete geprüft werden. Hierbei werden auch weitere technologische und energiewirtschaftliche Konzepte für 100% erneuerbare Nahwärmelösungen betrachtet und verglichen. Aus den Erkenntnissen wird ein webbasiertes Vorauslegungstool entwickelt, dass interessierten Kommunen oder Bürgerinitiativen bereits im frühen Stadium (d.h. mit wenig Inputdaten) eine Vorauswahl möglicher Nahwärmelösungen auf Basis erneuerbarer Wärme ermöglicht. Das Ziel des Vorauslegungstools ist somit eine Lenkungswirkung hin zur EE-Wärme und eine Hilfestellung für Kommunen, um den Aufwand für die Betrachtung möglicher Varianten zu reduzieren.

Optimierte Verfahren zur Prognose vertikaler Netzlast unter Nutzung von maschinellem Lernen, Teilvorhaben: Modellierung und Vorhersage von Engpässen in vorgelagerten Netzen

Zu Beginn des Projekts werden Referenz-Modelle entwickelt die die Grundlage für die vergleichende Gegenüberstellung der entwickelten Lösungsansätze für die Modellierung und Prognose der vertikalen Netzlast darstellen. Die Bewertung des Betriebs in den Netzebenen erfolgt durch das DLR. Die realen Ausgangsdaten werden unter Berücksichtigung der Unsicherheitsbewertung und -propagation in die Zustandsbewertung des Netzes einbezogen. Die Arbeiten liegen hauptsächlich in der Modellierung und Simulation zur Vorhersage von Engpässen in vorgelagerten Netzen (110 kV). Dabei wird untersucht, welche Auswirkungen die EE-Einspeisung im gesamten Netzgebiet auf die VNL-Prognose haben könnten. In einer Fallstudie, basierend auf einem Ausschnitt eines realen Netzgebiets soll die verbesserte Methodik zur Engpassprognose demonstriert werden. Weiterhin werden meteorologischen Daten aufgearbeitet, die Ergebnisse aus den Simulationen als auch Anpassungen der Methodik bearbeitet und für die Verwendung in der VNL Prognose analysiert. Es soll ein Monitoringsystem zur VNL-Prognose in sich ändernden Wetterlagen entwickelt werden. Dazu werden noch weiter zu entwickelnde, kamerabasierte Methoden mit dem Einsatz von Satellitenbild-gestützten Verfahren mit herkömmlichen Prognosen (basierend auf Wettermodellen) verglichen. Der Vergleich fokussiert dabei die anfänglich als für den Redispatch relevant identifizierten Wettersituationen. Für die Bewertung des technischen und ökonomischen Nutzens der neuen Prognosen werden geeignete Metriken definiert.

Nutzung städtischer digitaler Zwillinge zur gemeinsamen Schaffung flexibler positiver Energiesysteme für Stadtteile, Teilvorhaben: Projektkoordination und Fallstudie Stuttgart

Bislang gibt es kaum Beispiele, die die von der Bevölkerung betriebene urbane Energiewende hin zu Positive Energy Districts (PEDs) untersuchen. Obwohl verschiedene urbane Energiesimulationstools zur Verfügung stehen, die bei der Planung und Verwaltung von PEDs helfen, ist für Kommunen die Anpassungsfähigkeit hin zu PEDs immer noch ein großes Problem. Dies behindert letztlich den Fortschritt bei der Realisierung von PEDs und erweist sich als großer Engpass bei der Erreichung des ehrgeizigen EU-Ziels, bis 2025 100 PEDs zu errichten. Um diese Lücke zu schließen, wird das Projekt DigiTwins4PEDs innovative Forschungsmethoden und Umsetzungsstrategien anwenden. Diese werden durch einen partizipativen Prozess unterstützt, der die wichtigsten Interessengruppen und Bürger:innen in den Phasen des Co-Designs, der Co-Creation und des Co-Learnings einbezieht, welche innerhalb des Projekts entwickelt, bewertet und iterativ angepasst werden. Im Rahmen von Reallaboren mit verschiedenen Fallstudien werden die Bürger:innen während des gesamten Projekts kontinuierlich einbezogen. So können bürgergetriebene Maßnahmen in Zukunft leichter berücksichtigt und umgesetzt werden, um eine aktive Beteiligung der Verbraucher:innen für ein flexibles Energiemanagement und eine Interaktion zwischen PEDs und dem regionalen Energiesystem zu ermöglichen. Um diesen Prozess der Bürgerbeteiligung zu unterstützen, werden neue Werkzeuge und Methoden unter Verwendung von Urban Digital Twins entwickelt und angepasst, die es den Bürger:innen ermöglichen, die Energie-wende in ihren Gemeinden voranzutreiben und besser informiert Entscheidungen zu treffen. Die HFT mit ihrer langjährigen Erfahrung mit digitalen Zwillingen in Städten, der Entwicklung von städtischen Datenmodellen und städtischen Energiesimulationen ist der Projektkoordinator. Die HFT arbeitet auch eng mit der Stabsstelle Klimaschutz der Landeshauptstadt Stuttgart für die Betreuung der deutschen Fallstudie in Stuttgart zusammen.

Untersuchung mikrophysikalischer Prozesse bei der Schneefallformation in mittleren Breiten

Niederschlag ist eine wichtige, aber schlecht verstandene Komponente unseres Klimasystems. Die genauen Prozesse, durch die Eiskristalle, flüssiges Wasser, Wolkendynamik und Aerosolpartikel bei der Niederschlagsbildung zusammenwirken, sind nicht ausreichend verstanden. Da überall außer über den subtropischen Ozeanen der meiste Niederschlag in Wolken über die Eisphase gebildet wird, sind die Prozesse der Schneefallbildung nicht nur in den polaren, sondern auch in den mittleren Breiten von großer Bedeutung: Wachstum in übersättigter Luft führt zu unzähligen Kristallformen, die von Temperatur, Feuchtigkeit und deren turbulenten Schwankungen abhängen. Durch Aggregation verbinden sich einzelne Kristalle zu komplexen Schneeflocken. Bereifung beschreibt das Anfrieren kleiner Tröpfchen an den Eiskristallen, so dass diese schnell an Masse gewinnen. Dadurch ist die Form der Schneeteilchen - wenn sie beobachtet wird, bevor das Teilchen zu einem Regentropfen schmilzt - ein Fingerabdruck der vorherrschenden Prozesse während der Schneefallbildung. In EMPOS schlagen wir vor, diese Fingerabdrücke zu nutzen, um zu quantifizieren, wie die verschiedenen Prozesse der Schneefallbildung zu Masse oder Häufigkeit des Gesamtniederschlag beitragen. Zu diesem Zweck werden wir die Datenprodukte des innovativen Video In Situ Snowfall Sensors (VISSS) weiterentwickeln, um Riming und Aggregation während einer speziellen Messkampagne in Hyytiälä, Finnland, zu quantifizieren. Die Beobachtungen werden mit dem ICON-Modell verglichen, in welches das fortschrittliche P3 Mikrophysikschema (Predicted Particle Properties) mit einem neuartigen Ansatz zur Behandlung von bereiften Partikeln implementiert ist. Durch dieses kombinierte Beobachtungs- und Modellierungsprojekt wird es möglich zu quantifizieren, wie die einzelnen Wolkenprozesse an der Schneefallbildung beteiligt sind, und zwar in Bezug auf die Häufigkeit des Auftretens und die Gesamtschneemasse. Darüber hinaus werden wir diese Wolkenprozesse in Abhängigkeit von makrophysikalischen Wolkeneigenschaften wie Wolkentiefe und synoptischen Einflüssen analysieren. Auf der Grundlage von Vergleichen zwischen Modell und Beobachtungen, die sowohl mittels Fallstudien als auch für einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, werden wir die Schneefallsimulation in ICON im Standard-Zweimomentenschema und im P3-Mikrophysikschema bewerten und verbessern.

Menschliches Bioklima in der Arktis im Zeitalter des Klimawandels

Der Klimawandel hat in der Arktis weitreichende direkte und indirekte Auswirkungen auf die Gesundheit der indigene und nicht-indigene Bevölkerung. Die Klima- und Wetterbedingungen der nördlichen Breiten und die jüngsten dramatischen Klimaveränderungen führen zu Temperaturextremen, die sich auf die soziale und wirtschaftliche Struktur der städtischen und ländlichen Gebiete auswirken werden. Eine eingehende Analyse dieser Veränderungen sollte sich sowohl mit den spezifischen natürlichen und sozialen Merkmalen befassen als auch mit den Anliegen der indigenen Bevölkerung. Das menschliche Wohlbefinden im Kontext von Klima- und Wetterextremen lässt sich mit dem Universal Thermal Climate Index (UTCI) erfassen. Während die Lufttemperatur allein ein guter Indikator für die aktuellen und zukünftigen Wetter- und Klimabedingungen ist, kann das Wohlbefinden durch starke Winde und hohe Luftfeuchtigkeit beeinflusst werden. Gerade in Küstengebieten verschärfen sich die klimatischen Situationen im Winter durch das Zusammenspiel von Wind und Kälte. Das Projekt zielt darauf ab, die aktuellen bioklimatischen Bedingungen zu identifizieren und mittels dem UTCI zu bewerten. Der Schwerpunkt liegt auf der thermischen Belastung für den menschlichen Körper und der Bewertung der sozialen Anfälligkeit, die sich aus den rezenten extremen klimatischen Schwankungen in der Arktis ergeben. Es werden auch die positiven Folgen der globalen Klimaerwärmung und der gesellschaftliche Nutzen aus diesen Veränderungen der nördlichen Breitengrade diskutiert. Zur Bestimmung der sozialen Verwundbarkeit und der sozialen Sensibilität und Anpassungsfähigkeit in den nördlichen Breiten berechnen wir den Social Vulnerability Index (SVI). Die SVI konkretisiert die sozialen Probleme, die sich aus dem fortschreitenden Klimawandel ergeben und liefert Erkenntnisse für die Entwicklung von Anpassungsstrategien in dieser Region. Um sich in die regionalen Details des SVI zu vertiefen, wird das sozioökonomische Umfeld der Gemeinden im Norden Norwegens als Fallstudie betrachtet. Die Ergebnisse des Projekts können als nützliches Instrument zur Minimierung von Bevölkerungsverlusten und zur Gewährleistung der sozialen Sicherheit in der Arktis dienen und politischen Entscheidungsträgern eine solide wissenschaftliche Grundlage für die Prävention und Eindämmung von Klimakatastrophen bieten, was für die Menschen in den nördlichen Gebieten äußerst wichtig ist in Zeiten des Klimawandels.

Aktionsprogramm Natürlicher Klimaschutz (ANK), Stärkung des Kohlenstoffspeicherpotenzials von Nord- und Ostsee - Fokus Guter Umweltzustand Eutrophierung

Die EU-Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) und die EU-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) erfordern die Erreichung bzw. Erhaltung des guten Umweltzustands von Nord- und Ostsee. Grundsätzlich wird davon ausgegangen, dass ein effektiver Meeresschutz einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz leistet. Dahinter steckt die Annahme, dass gesunde Küsten- und Meeresökosysteme mehr Kohlendioxid und Nährstoffe speichern können als anthropogen beeinträchtige Systeme. So führt z.B. die Eutrophierung zu vermehrtem Algenwachstum und einer Trübung des Wassers, die die Ausbreitung von Seegraswiesen beeinträchtigt, die größere Mengen an Kohlenstoff speichern. Andere Zusammenhänge sind weniger gut erforscht. So könnte es z.B. durch die Reduktion der Nährstoffeinträge und des in Folge abnehmenden Algenwachstums zu einer Reduktion des Transports von Kohlenstoff in die Meeressedimente kommen. Der gute Umweltzustand gemäß MSRL und der gute ökologische/ chemische Zustand gemäß WRRL sind anhand ausgewählter Indikatoren und ihrer Schwellenwerte klar definiert. Ziel des Vorhabens ist es, das Kohlenstoffs- und Nährstoffspeicherpotential im gegenwärtigen Zustand und im guten Umweltzustand auf der Basis von Monitoringdaten und Literaturstudien zu quantifizieren und zu vergleichen. Dies soll an ausgewählten, gut untersuchten Modellgebieten jeweils in den Küsten- und Meeresgewässern und in Nord- und Ostsee erfolgen. Der Fokus liegt zunächst auf der Eutrophierung, es sollen aber soweit auf der Basis der Datenlage möglich auch andere relevante Belastungen wie Schadstoffe und Baggergutentnahme untersucht werden. Auf der Basis der Untersuchungen der Modellgebiete soll eine Prognose des Kohlenstoffs- und des Nährstoffspeicherpotenzials für die gesamte Nord- und Ostsee im aktuellen und im guten Umweltzustand erarbeitet werden. Das Vorhaben soll darüber hinaus Empfehlungen erarbeiten, durch welche Maßnahmen sich das Kohlenstoffspeicherpotential von Nord- und Ostsee weiter stärken lässt.

Kartierung von Klimagasen mittels spektroskopischer Messung von reflektiertem Sonnenlicht

Urbane Emissionen von Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) machen einen Großteil der Treibhausgasemissionen weltweit aus. Deshalb sind Städte auch Vorreiter bei der Entwicklung von Emissionsreduktionsmaßnahmen zur Mitigation des Klimawandels. Solche Maßnahmen müssen durch räumlich und zeitlich hochaufgelöste, vollständige, verlässliche und verifizierte Informationen begleitet und in Bezug auf ihre Effizienz überprüft werden. Unter den Beobachtungsmethoden für Treibhausgase gibt es allerdings eine Lücke im Bereich der horizontalen, flächendeckenden Kartierung auf der Skala einiger Kilometer. Dort braucht es eine Technik, die die Empfindlichkeitslücke zwischen lokalen in-situ Messungen und regional-integrierenden Säulenmessungen durch Fernerkundungsmessungen füllt.Hier schlage ich vor, urbane Treibhausgasquellen mit einer innovativen und portablen Technik zu studieren, die die CO2 und CH4 Konzentrationsfelder flächendeckend kartieren kann und so die Beobachtungslücke erfasst. Die erste Studienregion ist der Großraum Los Angeles, wo sich die CO2 und CH4 Emissionen auf mehr als 100 MtCO2/a und 300 ktCH4/a belaufen, was die Region zu einer der größten, lokalisierten Quellen weltweit macht. Los Angeles wurde in der Vergangenheit vielfältig in Bezug auf seine Treibhausgasquellen untersucht, indem beispielsweise Inventarisierungen durchgeführt und durch atmosphärische Messungen bewertet wurden. Ein herausragendes Experiment läuft gerade im Rahmen des CLARS-FTS (California Laboratory for Atmospheric Remote Sensing - Fourier Transform Spectrometer) – ein Spektrometer, das auf Mt. Wilson stationiert ist und reflektiertes Sonnenlicht aus dem Los Angeles Stadtgebiet einfängt. Wir haben eine portable Variante dieses Instruments entwickelt und schlagen nun vor beide Instrumente gemeinsam mit kalifornischen Partnern bei einer Feldkampagne zu betreiben.Dabei ist es unser Ziel das neue portable Observatorium zu validieren und für zukünftige Langfristvorhaben zu empfehlen. Dazu wollen wir innovative Beobachtungsmuster wie die Definition von Zoom-Regionen oder die Verwendung von gekreuzten Lichtwegen ausprobieren, um die räumliche und zeitliche Auflösung zu optimieren. Zudem werden wir die Genauigkeiten verbessern, indem wir einen neuen Ansatz der Strahlungstransportmodellierung implementieren, der simultan mit der Gasbestimmung auch die Streuung an atmosphärischen Partikeln berücksichtigt. Für die Fallstudie Los Angeles werden wir die Variabilität und die Gradienten der CO2 und CH4 Konzentrationen auf ihre Konsistenz mit den Emissionsinventaren überprüfen und untersuchen, bis zu welchem Grad sich die Einflüsse des meteorologischen Transports, der regionalen Advektion, episodischer Ereignisse und der urbanen Biosphäre unterscheiden lassen.

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