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GRK 2043: Naturgefahren und Risiken in einer Welt im Wandel

Angesichts sich wandelnder Randbedingungen in Umwelt und Gesellschaft werden sich die Häufigkeiten, Intensitäten und Auswirkungen von Naturgefahren ebenfalls ändern. Dies ist von besonderer Bedeutung für Regionen, in denen Risiken durch Naturgefahren bewältigt, gesteuert und gemindert werden müssen. Dafür möchte das Graduiertenkolleg 'Naturgefahren und Risiken in einer Welt im Wandel' (NatRiskChange) die Wissensgrundlage verbessern: Hauptziel ist es, Methoden zu entwickeln, die die Analyse, Quantifizierung und Vorhersage von transienten Gefahren und Risiken verbessern, indem Wissen und Methoden zwischen Systemanalyse, Geo- und Umweltwissenschaften sowie Risikoforschung aktiv ausgetauscht werden. Die mathematisch orientierten Wissenschaftler bringen statistische Methoden, insbesondere Bayessche Statistik, die Theorie der dynamischen Systeme mit einem Schwerpunkt auf nicht-linearen Prozessen und Chaos sowie Rekurrenzplots und andere innovative Methoden zur Analyse geophysikalischer Zeitreihen ein. Die Geo- und Umweltwissenschaften steuern hingegen für verschiedene Naturgefahren Wissen über zugrundeliegende Mechanismen und Prozesse des Wandels bei, inklusive regionaler Besonderheiten, Interaktionen zwischen Gefahren und Vulnerabilitäten. Diese interdisziplinäre Forschung von NatRiskChange begann im Oktober 2015 und wird durch ein Qualifizierungsprogramm in den Bereichen der Statistik, Daten- und Risikoanalyse begleitet. Lehrkonzept und Forschungsprogramm ergänzen sich gegenseitig und sind tief in der Expertise der teilnehmenden Institutionen aus Potsdam und Berlin verankert, um den Weg für neue Forschungsstränge zur Quantifizierung von Veränderungen in Geo-, Hydro- und sozio-ökologischen Systemen zu ebnen.

Mathematische Erfassung des Abflussvorganges bei der pneumatischen Spuelung von Leitungen

Die pneumatische Spuelung stellt eine Moeglichkeit der Wasserforschung mittels Druckluft in Rohrleitungen dar. Das Wasser wird bei einer Spuelung mit Hilfe der Druckluft mit relativ hoher Geschwindigkeit ganz oder teilweise aus der Leistung gedrueckt. Der Zusammenhang zwischen Luftdruck und Abflussgeschwindigkeit bei einer pneumatischen Spuelung soll allgemeingueltig theoretisch hergeleitet werden und durch Versuche und eventuell an bestehenden Anlagen ueberprueft werden.

Entwicklung der Fehlerschätzungsmethode für Datenassimilation für allgemeine Ozean-Zirkulationsmodelle

Die 4D-Var Datenassimilation (4D-var DA) ist eine spezielle Methode, die zur Initialisierung von Klima- und Wettervorsagen durch die Schätzung von Klimamodellparametern benutzt wird, in dem Modelle an beobachtende Daten angepasst werden. Aus verschiedenen Gründen führen DA unvermeidliche methodische Fehler ein, die sich auf die Genauigkeit der Modellvorhersagen auswirken. Aktuelle Methoden zur Fehlerkorrektur brauchen erhebliche Computerressourcen. Dies ist ein Grund, warum die Verwendung dieser Methoden in der Klimamodellierung begrenzt ist und sie nur in vereinfachten Versionen angewandt werden. Die Entwicklung einer konzeptuell neuartigen, robusten und effizienten, nichtlinear-variationellen Fehlerschätzungsmethode (NOVFEM) ist Ziel dieses Projekts. Diese Methode wird Fehler von DA Methoden schätzen und die notwendigen Korrekturen bestimmen. Im Besonderen ist es geplant, VOVFEM im Rahmen einer Anwendung in Klimavorhersagesystemen zu entwickeln. Der Vorteil der vorgeschlagenen Methode ist, dass der Algorithmus auf einer abstrakten mathematischen Formulierung basiert und deshalb in vielen geophysikalischen Bereichen angewandt werden kann. Eine weitere Innovation dieses Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur schnellen und einfachen Berechnung von inversen Kovarianzmatrizen, die z. B. Anwendung in DA finden. Die vorgeschlagenen Methode ist im Vergleich mit existieren Methoden effizienter. Es wird erwartet, dass die theoretischen Ergebnisse dieses Projekt national und international veröffentlicht werden und ein freier Zugang zur NOVFEM Software wird bereitgestellt werden.

Sonderforschungsbereich Transregio 165 (SFB TRR): Wellen, Wolken, Wetter; Waves to Weather - A Transregional Collaborative Research Center, Teilprojekt A02: Strukturbildung bei Wolken und deren Einfluss auf größere Skalen

Die Strukturbildung auf der Wolkenskala wird mit zwei Methoden untersucht. Zum einen werden hochaufgelöste numerische Wolkensimulationen durchgeführt und die Resultate auf Strukturbildung hin analysiert. Zum anderen werden die grundlegenden Gleichungen mit mathematischen Methoden untersucht, um Strukturbildung zu identifizieren. In einem Syntheseschritt werden beiderlei Resultate verwendet, um Minimalmodelle zur Beschreibung von Wolkenstrukturen zu entwickeln. Diese Modelle werden schließlich zur Bestimmung der Wirkung von Wolkenstrukturen auf größerskalige Prozesse benutzt.

Modellierung der CH4 und N2O Spurengasemissionen aus Reisanbaugebieten in China

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll ein prozessorientiertes Modell zur Beschreibung von biogeochemischen Stoffumsetzungen in landwirtschaftlich genutzten Böden derart weiterentwickelt werden, daß es zur Prognose von CH4- und N2O-Spurengasemissionen aus dem Reisanbau eingesetzt werden kann. Insbesondere soll die numerische Beschreibung der in der CH4- und N2O-Produktion und Konsumption involvierten mikrobiologischen Prozesse Methanogenese, Methan-Oxidation, Nitrifikation und Denitrifikation und deren Abhängigkeit von Änderungen des Redoxpotentials im Boden implementiert bzw. verbessert werden. Zudem sollen die verschiedenen Mechanismen, die zur Emission von Spurengasen aus dem Reisanbau beitragen (Diffusion, Gasblasenbildung bei Überstauung, Pflanzentransport) sowie die Auswirkung von radialen Sauerstoffverlusten der Reiswurzeln auf die mikrobiologischen Prozesse in einer durch Anaerobiosis dominierten Umgebung in das Modell implementiert werden.

Neuberechnung der Anlage IV der Strahlenschutzverordnung

Berechnung der 50-Jahre-Folgeaequivalentdosis fuer Organe und Gewebe, der effektiven Aequivalentdosis und der daraus resultierenden Grenzwerte der Jahresaktivitaetszufuhr fuer beruflich strahlenexponierte Personen. Ueberpruefung der metabolischen Daten, die in der Publikation ICRP 30 vorgeschlagen werden und eventuelle Unterbreitung eines Vorschlages. Vergleichsrechnungen mit alternativen metabolischen Daten. Sensitivitaetsanalyse fuer ausgewaehlte Verbindungen. Untersuchung der Relevanz kritischer Einwaende gegen die Anwendung des ICRP 30 Konzepts. Modellberechnungen der normierten Dosisleistung bei externer Bestrahlung.

Mathematische Behandlungsverfahren fuer Datensaetze von Umweltchemikalien

Es wird gezeigt, welche mathematischen Bearbeitungsverfahren fuer die Ermittlung der Umweltgefaehrlichkeit von Chemikalien geeignet sind. Schlussfolgerungen betreffen auch die Praxis.

Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens, Entwicklung eines Simulationstools zur Prognose der Ausbreitung und des Abbaus von Schadstoffen in der gesättigten und der vadosen Zone

Ziel ist dabei unter anderem, eine Datenbasis für die Modellierung des Schadstoffabbaus und der Schadstoffausbreitung zu schaffen, die in ein sechstes Teilprojekt einfließt. Dieses wird von Mitarbeitern der Professoren Knabner und Rüde bearbeitet und befasst sich standortübergreifend mit der mathematischen Modellierung von Transport-, Rückhalte- und Abbauprozessen mittels moderner und effizienter Verfahren. Für die numerische Simulation wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das belastbare Risikoeinschätzungen liefern soll. Aufgrund der anspruchsvollen Struktur der Probleme - Systeme von gekoppelten, nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen - werden auch Techniken der Höchstleistungssimulation eingebracht. An jedem untersuchten Standort soll das Verständnis der im Untergrund ablaufenden Prozesse so vertieft werden, dass nicht nur der momentane Zustand beschrieben werden kann, sondern auch langfristige Prognosen möglich sind. Angesichts von rund 13300 altlastverdächtigen Flächen in Bayern ist es von großer volkswirtschaftlicher Bedeutung, neben der Entwicklung von kostengünstigen und praxisorientierten Technologien zur Altlastensanierung die natürlichen Selbstreinigungskräfte der Umwelt zu nutzen. Um angemessen handeln zu können, brauchen Behörden und andere Entscheidungsträger eine zuverlässige Antwort auf die Frage: Wie groß ist das natürliche Potenzial eines Altlastenstandortes, sich selbst zu reinigen?

Oekonomische Theorie der Nutzung natuerlicher Ressourcen

Die Forschung entwickelt die Grundlagen fuer die oekonomische Theorie der Nutzungsstrategien fuer natuerliche Ressourcen weiter. Hier stehen vor allem zwei Schwerpunkte an: Uebergang von nicht-erneuerbaren auf quasi-unerschoepfliche Ressourcen (Bsp fossile Energietraeger auf Solarsysteme) und Nutzung von regenerierbaren natuerlichen Ressourcen mit komplexen oekologischen Interpendenzen in 2-Species-Systemen. Innerhalb dieses inhaltlichen Schwerpunktes werden mathematische Methoden und Modellierungen weiter entwickelt: Beispielsweise finden Seminare und eigene Entwicklungen zu Modellierung mit GAMS (Meta-Sprache fuer komplexe Systemanalysen) am Lehrstuhl statt. Als drittes ergibt sich ein Schwerpunkt bezueglich der Anwendungen auf umweltoekonomische Probleme, da Umweltqualitaet zumindest teilweise als regenerierbare natuerliche Ressource modelliert werden kann.

Innovative Ansätze zur Optimierung von Topologiemaßnahmen im Engpassmanagement des Netzbetriebs, Teilvorhaben: Konzipierung innovativer Lösungsansätze sowie der Implementierung innovativer mathematischer Methoden zur Topologieoptimierung

Die Planung und der Betrieb des Übertragungsnetzes sind durch Unsicherheiten geprägt, die unter anderem auf den steigenden Anteil an Einspeisung aus dargebotsabhängigen Anlagen zurückzuführen sind. Zur Beherrschung dieser Unsicherheiten haben die Übertragungsnetzbetreiber zeitlich gestaffelte Prozesse implementiert, in denen zur Gewährleistung der Systemsicherheit geeignete Maßnahmen aktiviert werden. Rechnergestützte Optimierungsverfahren sind in diesen Prozessen unerlässlich. Durch die Anpassung der Netztopologie ist es möglich, Leistungsflüsse im Übertragungsnetzbetrieb zu steuern und gegebenenfalls Netzengpässe zu reduzieren. Hierdurch können kostenintensive Redispatchmaßnahmen reduziert werden. Aufgrund der hohen Problemkomplexität werden topologische Maßnahmen heute nicht gemeinsam mit weiteren Maßnahmen optimiert. Die RWTH Aachen entwickelt im Rahmen dieses Forschungsvorhaben innovative mathematische Ansätze und Zerlegungsverfahren sowie KI-basierte Ansätze, die eine integrierte Bewertung und Optimierung von Schaltzustandsänderungen und Redispatchmaßnahmen ermöglichen. Bei der Entwicklung diese Ansätze arbeiten die Lehrstühle für Operations Research und für Übertragungsnetze und Energiewirtschaft eng zusammen. Die entwickelten innovativen Ansätze werden von der RWTH in einer Netzbetriebsoptimierung zum Lösen des geschlossenen Problems zur gemeinsamen Optimierung topologischer sowie weiterer markt- und netzbezogener Maßnahmen umgesetzt. Dabei liegt ein Fokus der RWTH unter anderem auf der Abbildung betrieblicher Restriktionen im Rahmen der Topologieoptimierung.

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