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Nicht-hydrostatische Klimamodellierung, Teil II (NHCM-2)

Aufgrund des steigenden Bedarfs an Informationen über die Auswirkungen des Klimawandels auf lokaler Skala werden Regionale Klimamodelle (RCMs) in zunehmendem Maße mit höheren Auflösungen betrieben. Heutige RCMs sind in der Lage viele regionale Klimaprozesse zu erfassen und sie decken die meso-beta Skala (20 km bis 200 km) für Anwendungen in der Klimaforschung mit ausreichender Qualität ab. Basierend auf den Erfolg in der Numerischen Wettervorhersage (NWP) und gestützt vom generellen Fortschritt im Bereich der Computertechnologie, beginnen RCMs nun auch in die meso-beta Skala (2 km bis 20 km) vorzudringen. Dieser Skalensprung ist jedoch nicht trivial. Relevante Prozesse (z.B. hochreichende Konvektion) auf formals nicht aufgelösten Skalen werden nun aufgelöst, und es ist größten Teils unklar, wie heutige RCMs (ursprünglich für gröbere Skalen entwickelt) in der Lage sind, Klimaprozesse und deren skalenübergreifendes Wechselspiel zu erfassen. Im komplexen Gelände, wo Gebirge substanziellen Einfluss auf Wetter und Klima haben, gewinnt dies durch den Einfluss der Orographie zunehmend an Bedeutung. Darüber hinaus wird auch die Modellevaluierung zur Herausforderung: Beobachtungsdaten, welche die natürliche Variabilität in ausreichendem Maße abdecken, existieren nur in Ausnahmefällen (z.B. in speziellen Messkampagnen) und zeitliche und räumliche Versetzungen zwischen modellierten und beobachteten Größen ('double penalty problem') beschränken den Einsatz der traditionellen Fehlerstatistik. Im Vorläuferprojekt 'Nicht-hydrostatische Klimamodellierung (NHCM-1)', das vom Österreichischen Wissenschaftsfonds (FWF) gefördert wurde (Projektnummer P19619-N10), wurden erste Testsimulationen im Klimamodus auf Skalen, bei denen hochreichende Konvektion aufgelöst wird (=3 km Gitterpunktsabstand), im europäischen Alpenraum durchgeführt und analysiert. usw.

Untersuchung der Bedingungen zum Auftreten von Blitzen während vulkanischer Eruptionen

Vulkanische Eruptionen faszinieren die Menschen seit jeher, insbesondere wenn sie mit spektakulären Blitzen in Eruptionswolken einhergehen. Dieses Phänomen wurde erstmals durch Plinius den Jüngeren bei der 79 AD Eruption des Vesuvs beschrieben und heutzutage gibt es zahlreiche ausgezeichnete Fotos von Blitzen während vulkanischer Eruptionen. Das verstärkte wissenschaftliche Interesse beruht darauf, dass Blitze relativ einfach mittels Antennen zu registrieren sind und so u.U. als Mitigationswerkzeug und zur Abschätzung der Eruptionsgröße genutzt werden könnten. Zudem legen die Miller-Ureys Experimente nahe, dass Blitze in Vulkaneruptionen die Transformation der aus vulkanischen Gasen bestehenden primordialen Atmosphäre in komplexe organische Verbindungen begünstigt haben können.Bisher sind dedizierte Modelle zur Erklärung der Blitze in vulkanischen Eruptionen jedoch nach wie vor selten. Verschiedene elektrostatische Prozesse wie Triboelektrifikation und bruchinduzierte Ladungstrennung wurden zwar schon genauer untersucht, aber in vielen Modellen wird die Eruptionswolke hinsichtlich der Blitzentstehung immer noch mit einer dreckigen Gewitterwolke verglichen, obwohl die Gemeinsamkeiten beider Wolken eher klein sind. Mittels dieses Antrags soll die Entstehung von Blitzen in Eruptionswolken durch eine neuartige Kombination von Geländemessungen, Laborexperimenten und begleitenden numerischen Modellen untersucht werden. Bei den Geländemessungen kommen Doppler Radar, Hochgeschwindigkeitsvideos, Messungen des elektrischen Feldes sowie seismische und akustische Messungen zum Einsatz, um die auftretenden Blitze eindeutig physikalischen Bedingungen in der Eruptionswolke zuzuordnen. Diese Messungen sollen am Vulkan Sakurajima in Japan durchgeführt werden, der für seine häufigen vulkanischen Eruptionen sowie das Auftreten von Blitzen bekannt ist. Die Geländedaten dokumentieren die prä-eruptiven Bedingungen, die Eruptionsgeschwindigkeiten vor und während der Blitze, die Positionen der Blitze und dazugehörige elektrische Felder, sowie Korngrößenverteilungen der Asche. Diese Daten werden durch detaillierte Laborversuche in sog. Shock tubes ergänzt, in denen sowohl natürlich als auch synthetisch hergestellte Asche verwendet wird. Untersucht werden u.a. die elektrischen Eigenschaften der Asche und der Zusammenhang zwischen den Versuchsbedingungen und dem Auftreten von Blitzen. Letztlich werden wir ein bestehendes Eruptionssäulenmodell um die Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften der Aschepartikel erweitern. Hiermit sollen unsere Modellvorstellungen zur Entstehung von Blitzen untersucht werden, insbesondere warum einige Eruptionen keine Blitze aufweisen während sich andere durch heftige Blitztätigkeit auszeichnen. Unsere Gelände- und Labordaten zusammen mit den numerischen Modellen werden die Bedingungen zum Auftreten vulkanischer Blitze klar eingrenzen und somit wird sich auch abschätzen lassen, inwieweit Blitze als Warnsystem genutzt werden können.

Programm zur langfristigen Sicherung der Grundwasserqualitaet im Einzugsbereich des Wasserwerkes Vechta

Ziel: Ziel des Projektes ist es, (1) auf der Basis der Analyse der raeumlichen Verteilung von aktuellen Landnutzungsformen sowie den pedologischen und hydrogeologischen Verhaeltnissen den Untersuchungsraum in Zonen potentieller Grundwassergefaehrdung durch den vertikalen und horizontalen Wasser- und Stofftransporte in den Aquiferen des Wasserwerkes Vechta zu differenzieren, (2) auf der Basis von Gelaendeuntersuchungen sowie Laboranalysen von Bodenwasser- und Naehrstoffkonzentrationen die Gefaehrdung des Grundwassers und der Trinkwassergewinnung durch Boden- und Landnutzungsverhaeltnisse zu quantifizieren und zu bewerten sowie (3) Schutz- und Praeventionsstrategien zur langfristigen Sicherung der Trinkwassergewinnung im Wasserwerk Vechta abzuleiten. Methode: Erstellung einer digitalen Datengrundlage auf der Basis vorhandener ATKIS- und NIBIS-Daten zu den Landnutzungs-, Boden- und Hydrologieverhaeltnissen, Einsatz von Satellitenbildern zur Erfassung der aktuellen Landnutzung, Durchfuehrung von Bohrungen und Sickerwassermessungen sowie Beprobungen und Laboranalysen von Bodenwasser und Bodenwasserloesungen, statistische Analysen klimatologischer, hydrologischer und hydrogeologischen Datenmaterials sowie Ergebnissen der Naehrstoffanalysen regelmaessig gezogenen Boden-, Niederschlags- und Wasserproben. Integration von Daten und Modellierung von Teilprozessen sowie Praesentation von Ergebnissen mit Einsatz eines Geographischen Informationssystems.

Großräumige Analyse von Verbuschungsflächen mit NOAA-AVHRR-Daten in Namibia

Seit 1979 erfassen Satelliten der NOAA-Serie die Erde und liefern damit eine der längsten kontinuierlichen Bild-Datenreihen von Satelliten überhaupt. Durch ihre großflächige Abdeckung, ihre hohe zeitliche Auflösung und ihren kostengünstigen Empfang eignen sich diese Daten hervorragend zum Monitoring. Bislang werden diese langen Zeitreihen noch kaum herangezogen, um langfristige Veränderungen von Oberflächenphänomenen zu beschreiben, denn der Großteil der Fernerkundungsarbeiten beschäftigt sich mit neueren Sensoren und deren Anwendungen. Gerade vor dem Hintergrund der Landdegradierung durch unangepaßte Landnutzung in den Trockenräumen der Erde sollten die vorhandenen archivierten Datenreihen zur Langzeitanalyse aber genutzt werden und die Ergebnisse in Konzepte des Landmanagements einfließen. In Namibia vollzieht sich in den Nationalparks und dem Weideland die Landdegradierung durch eine massive Verbuschung, v.a. mit Acacia mellifera. Die Verbuschungsdynamik der letzten 20 Jahre soll in Etosha mit NOA-AVHRR-Daten erfasst werden. Die Ergebnisse aus dem Etosha-Nationalpark können dann zum Monitoring der Verbuschung in Namibia von örtlichen Institutionen eingesetzt werden. So ist die Inwertsetzung der Daten gewährleistet und durch die Weiterentwicklung der NOAA-Serie durch das MODIS-System auch für die Zukunft gewährleistet.

Allergiegefahr durch die Beifuß-Ambrosie

Ziel: Eintragswege der Ambrosia-Pflanze erkennen. Methode: intensive Untersuchungen zu Verbreitung und Einschleppungswegen der Beifuß-Ambrosie durch - Literaturrecherche (floristisch orientierte Zeitschriften, Verbreitungsatlanten, Internet) - Expertenbefragung - Auswertung von Basisdaten der Zentralstelle für Floristische Kartierung - Auswertung von Pollenmessdaten von 30 Pollenmessstationen - Gezielte Nachsuche von gemeldeten Vorkommen und potenziellen Einschleppungslokalitäten (Ölmühlen, Binnenhäfen, Bahnhöfe) - Geländekartierungen und vegetationskundliche Untersuchungen in Süd- und Ostdeutschland - Untersuchung von Vogelfutterproben auf Ambrosia-Früchte - Bestimmung von Keimungsraten - Populationsbiologische Untersuchungen auf dem Versuchsbeet im Botanischen Garten der Universität Frankfurt am Main - Bekämpfungsversuche.

Ochlerotatus japonicus

Ziel ist die Verbreitung von 'Ochlerotatus japonicus' weiter zu beobachten, Bekämpfungsstrategien zu erarbeiten und weiteres Grundwissen über diese Art zu erlangen. Priorität hat dabei das 2009 begonnene Monitoring in Süddeutschland mit Fokus auf Baden-Württemberg und der Oberrheinebene.

Anfertigung einer Machbarkeitsstudie zum Langeooger Umweltforum

Entwicklung von Konzepten zur langfristigen naturnahen agroforstlichen Bewirtschaftung von Araucarienwaelder und Erschliessung kurzfristiger Nutzungsmoeglichkeiten in Wiederaufforstungszonen 'pro-mata/pro-araucaria'

Entwicklung eines nachhaltigen Nutzungskonzeptes - im Sinne des Begriffs 'sustainable use', Wiederherstellung und Bewahrung naturnaher Waldbestaende und ihrer Oekosysteme, Verbesserung der Lebensbedingungen in der Region durch Schaffung nachhaltiger Existenzgrundlagen fuer die oertliche Bevoelkerung. Zur Erreichung der gesteckten Oberziele sieht das Projekt der Fachhochschule Rottenburg in der ersten Phase folgende Massnahmen vor: Inventur des aktuellen Zustandes der Wald- und Freiflaechen durch: Luftbildbefliegung und -kartierung des Gebietes, zweite terrestrische Inventurstufe (Stichproben): Boden- bzw. Standortskartierung, Anlage von Versuchs- und Kontrollflaechen zur Ermittlung der Standortseignung, der Wuchsdynamik, der Verjuengungsdynamik und der natuerlichen Sukzession, geeigneter Pflanzverfahren, Mitwirkung an der Nutzungsplanung fuer das gesamte Projektgebiet.

Modellierung der Sorption von Radionukliden an organophilen Tonmineralen

Als Füllmaterial oder als Bestandteil technischer Barrieren in Endlagern von chemisch-toxischen oder radioaktiven Abfällen werden bestimmte Tonminerale verwendet bzw. in den Designstudien vorgeschlagen. Dabei sind vor allem drei Eigenschaften dieser Tone ausschlaggebend: Die geringe Wasserleitfähigkeit, das Quellvermögen bei Wasserzutritt und das Rückhaltevermögen für Kationen. Das wünschenswerte Rückhaltevermögen auch für Anionen fehlt bei naturbelassenen Tonen, kann aber durch Behandlung erzeugt werden, bei der die Zwischenschicht-Kationen der Tone durch bestimmte organische Kationen ersetzt werden. Dadurch entstehen sogenannte organophile Tone, die so eingestellt werden können, daß sie beide Ionenarten sorbieren können. Die entscheidenden Mechanismen dieser Sorptionsprozesse an organophilen Tonmineralen und die sich dabei ergebenden Strukturen des Tonminerals sind noch nicht vollständig bekannt. Ihre umfassende Kenntnis ist jedoch wichtig für die gezielte Optimierung ihrer Sorptionseigenschaften und ihrer Eignung zum Einsatz unter Endlagerungsbedingungen. Das Optimierungspotential liegt in der chemischen Struktur, Größe und Ladungsverteilung des organischen Kations sowie in der Wahl des Tonminerals. Zur Erlangung bisher fehlender Detailkenntnisse und zur Unterstützung der Optimierung soll daher in diesem Forschungsvorhaben eine Computersimulation des Organo-Ton-Systems auf der Basis der bisher gesammelten experimentellen Informationen entwickelt werden. Mit diesem Modell soll die Konsistenz des bisherigen Verständnisses der beteiligten Phänomene überprüft, geeignete Fragestellungen an das Experiment entwickelt und Optimierungsschritte durch Simulation ausgewählt werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Variation der antarktischen Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Konzentrationen und Eigenschaften an NEumayer III im Vergleich zu deren Werten in der Arktis an der Forschungsstation Villum (VACCINE+)

Das aktuelle Klima der Erde verändert sich schneller, als von den meisten wissenschaftlichen Prognosen vorhergesagt wurde. Dabei erwärmen sich die Polargebiete schnellsten von allen Regionen der Erde. Die Polargebiete haben auch starke globale Auswirkungen auf das Erdklima und beeinflussen daher das Leben und die Lebensgrundlagen auf der ganzen Welt. Trotz der großen Fortschritte der Polarforschung der letzten Jahre gibt es nach wie vor schlecht verstandene Prozesse; einer davon ist die Aerosol-Wolke-Klima-Wechselwirkung, die daher auch nicht zufriedenstellend modelliert werden können. Wolken und deren Wechselwirkungen im Klimasystem sind eine der schwierigsten Komponenten bei der Modellierung, insbesondere in den Polarregionen, da es dort besonders schwierig ist, qualitativ hochwertige Messungen zu erhalten. Die Verfügbarkeit hochwertiger Messungen ist daher von entscheidender Bedeutung, um die zugrunde liegenden Prozesse zu verstehen und in Modelle integrieren zu können. Im ersten Teil des hier vorgeschlagenen Projekts schlagen wir, d.h. TROPOS, vor, die bestehenden Aerosolmessungen an der Neumayer III-Station um in-situ Wolkenkondensationskern- (CCN) und Eiskeim- (INP) Messungen zu erweitern für einen Zeitraum von fast zwei Jahren. Die erfassten Daten wie Anzahl der Konzentrationen, Hygroskopizität, INP-Gefrierspektren usw. werden mit meteorologischen Informationen (z.B. Rückwärtstrajektorien) und Informationen über die chemische Zusammensetzung der vorherrschenden Aerosolpartikel verknüpft, um Quellen für INP und CCN über den gesamten Jahreszyklus zu identifizieren. In einem optionalen dritten Jahr wollen wir die Ergebnisse der südlichen Hemisphäre mit den TROPOS-Langzeitmessungen des CCN und INP aus der Arktis (Villum Research Station) vergleichen, welche uns im Rahmen dieses Projekts von DFG-finanzierten TR 172, AC3, Projekt B04 zur Verfügung stehen werden. Ein Ergebnis des beantragten Projekts wird ein tieferes Verständnis dafür sein, welche Prozesse die CCN- und INP-Population in hohen Breiten dominieren. Die im Rahmen des vorliegenden Projekts gesammelten quantitativen Informationen über CCN und INP in hohen Breiten werden öffentlich zugänglich veröffentlicht, z.B. für die Evaluierung globaler Modelle und Satellitenretrievals.

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