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Ein Real-Labor für verbesserte Prognose- und Aktionsmöglichkeiten für multiple geomarine Extremereignisse, Leitantrag;' Vorhaben: Monitoring der Deformation im Hellenischen Bogen und des Kolumbo Vulkans'

Ein Real-Labor für verbesserte Prognose- und Aktionsmöglichkeiten für multiple geomarine Extremereignisse, Vorhaben: Monitoring und Evaluation geophysikalischer Extremereignisse in der Ägäis

Hydraulisch und ökologisch definierte Auengrenzen als Basis für die Entwicklung eines integrierten Ansatzes zur Quantifizierung von Ökosystemleistungen in Auen auf Landschaftsebene

Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Entwicklung eines integrierten mesoskaligen Ansatzes zur Quantifizierung von neun Ökosystemleistungen (ÖSL) in Auen. Unter Berücksichtigung von Hydraulik und Ökologie werden Wirkungsgrenzen definiert. Diese ermöglichen eine Abgrenzung der Aue nach ihrer Funktionsfähigkeit in Bezug auf die Bereitstellung von ÖSL, welche für den Erhalt natürlicher Lebensgrundlagen bedeutend sind. Trotz des Wissens um die ökologische Bedeutung und die hohe Gefährdung von Auen weltweit findet eine Verschlechterung des Auenzustands weiterhin statt. Dies reduziert auch die Bereitstellung von ÖSL von Auen in unbekanntem Maß. Grund hierfür ist ein fehlendes Verständnis der Interaktionen zwischen den natürlichen Prozessen und ÖSL, den anthropogenen Einflüssen sowie dem Auenzustand. Des Weiteren werden in Auen bereitgestellte ÖSL bei der Kostenberechnung von Maßnahmen vernachlässigt, da ein integrierter übertragbarer Ansatz zur Ermittlung der ÖSL auf der relevanten räumlichen Skala, der Landschaftsebene, fehlt. Die Herausforderungen in der Ökosystemleistungsforschung liegen hauptsächlich in der Vielfalt von nicht abgestimmten Definitionen, Begrifflichkeiten und Indikatoren. Die Skalenproblematik wird zudem bei der Betrachtung der Auengrenzen als räumliche Basis deutlich. Mit der Entwicklung einer übertragbaren Methode wird in diesem Projekt erstmalig ein umfangreiches Spektrum an ÖSL (klimatische, hydrologische Leistungen, Wasserqualität und Biodiversität, Produktion von Lebensmitteln, Baumaterialien und Energie, kulturelle Leistungen, Schutz vor Naturgefahren) unter Berücksichtigung des Auenzustands in Deutschland integriert. Als räumliche Basis der Auenabgrenzung dienen die Überschwemmungsflächen häufiger Hochwasser gemäß öffentlich zugänglicher Hochwassergefahrenkarten. Die Eignung dieser rein hydraulisch bestimmten Grenzen wird durch umfangreiche ökologische Daten anderer Forschungsinstitute (Bundesanstalt für Gewässerkunde (Vegetation) und Universität Duisburg-Essen (Laufkäfer)) erstmals untersucht. Neue Indikatoren werden für jede der neun ÖSL auf der Basis von Geoinformationen und Literaturrecherchen entwickelt. Mittels Metaanalysen wird die Übertragbarkeit von ökonomischen Faustzahlen für einen Wertetransfer überprüft. Ergebnis ist eine erstmalige Berechnung des ökonomischen Gesamtwertes der Auen auf Landschaftsebene, um die Leistungen von Auen, ihren Erhalt bzw. ihre Wiederherstellung umfassender als bisher zu bewerten. Anhand von zehn bereits durchgeführten Auenrenaturierungsprojekten wird dieser Ansatz mittels einer Kosten-Nutzen-Rechnung validiert. Dieser neue integrierte Ansatz ist interdisziplinär ausgerichtet, um der Komplexität von Auen und den von ihnen erbrachten ÖSL gerecht zu werden. Mit der Inwertsetzung bieten sich breite thematische Anknüpfungspunkte. So erhalten u.a. Biologen und Hydrologen, Geowissen- und Volkswirtschaftler eine vereinheitlichte Datenbasis bisher dezentral vorliegender Informationen.

Ereignisse und Geländeformen durch Subrosion

Erdfallereignisse und bestimmte Geländeformen sind die an der Erdoberfläche sichtbaren Auswirkungen von Subrosionsprozessen im Untergrund. Sie geben unmittelbar Hinweis auf das Vorhandensein auslaugungsfähiger Gesteine. Die im Karstkataster des LAGB punkt- und flächenhaft dokumentierten Subrosionsereignisse (Erdfälle, Senkungen, Zerrspalteneinbrüche, Geländeformen) werden zusammenfassend maßstabsabhängig in einem fünfstufigen Raster mit 250 bis 5000 m Weite dargestellt. Hier sind sowohl rezente als auch fossile Ereignisse ohne Unterscheidung enthalten. Eine Klassifizierung der Flächenraster erfolgt entsprechend der Anzahl dokumentierter Ereignisse für jede Fläche.

Geländeformen/Objekte

Dieser Datensatz umfasst die flächenhaften Geländeformen des Subrosions- und Karstkatasters des LAGB. Er stellt die räumliche Ausdehnung von morphologischen Strukturen dar, die durch Subrosionsprozesse im Untergrund oder Verkarstung an der Erdoberfläche entstanden sind. Die Polygongeometrien beziehen sich direkt auf die punktförmig erfassten Standortereignisse (wie Erdfälle oder Senkungen) und bilden deren reale oder vermutete Flächenausdehnung ab. Der Datensatz dient als geogene Grundlage zur Identifikation, Einstufung und räumlichen Bewertung von Naturgefahren.

Eine neuartige Beschreibung des Wärmetransports zwischen Flüssigkeiten und rauen Rissflächen in porösen Gesteinen

Wärmetransfer in geklüfteten porösen Medien ist ein essentieller Prozess im Erdinnern. Er ist Triebkraft für zahlreiche Naturphänomene, wie Geysire, hydrothermische und vulkanische Systeme, als auch für Naturgefahren wie Gesteinsbrüche und Erdbeben. Er bildet die Grundlage für industrielle Anwendungen, etwa im Bereich Geothermie. Die Fließbewegung in Risssystemen kann recht gut beschrieben werden. Es existiert eine breite Auswahl an Ansätzen, u. a. aus der Kontinuumsmechanik, multiple Medien und die explizite Beschreibung von Klüften. Allerdings haben existierende Modelle für den Wärmetransfer zwei große Schwachpunkte: Oft wird ein thermisches Gleichgewicht zwischen Gestein und Fluid vorausgesetzt und die Rolle der Risse vernachlässigt. Beides ist eng miteinander verbunden, da Risse mit hohen Fließgeschwindigkeiten eine Ursache für ein thermisches Ungleichgewicht sind und eine passende Beschreibung des Wärmetransfers in Rissen fehlt. In diesem Projekt wird ein neuartiges Modell entwickelt, um Wärmetransfer in Klüften unter Berücksichtigung mikroskopischer Rissoberflächenmorphologie zu beschreiben. Aktuelle Laborexperimente erlauben eine Analyse dieser Prozesse in bisher unbekannter Genauigkeit und ermöglichen einen tief gehenden Vergleich mit theoretischen Modellen. Oberflächenrauhigkeit, Öffnungsweite und Kontaktfläche beeinflussen Fließfeld wie Wärmetransfer. Gleichzeitig verändert Temperatur die Fluideigenschaften, und Risscharakteristiken hängen vom Spannungsfeld ab, welches wiederum von Temperatur und Fluiddruck abhängt. Ein passendes Wärmemodell muss daher auch hydraulische und mechanische Prozesse berücksichtigen, was in einem vollständig gekoppelten thermisch-hydraulisch-mechanischen Modell resultiert. Die theoretische Modellentwicklung beginnt mit einfachen Geometrien, um gute Vergleichbarkeit mit Laborergebnissen von externen Projektpartnern im Centimeterbereich zu ermöglichen. Daran schließt sich die Erweiterung auf komplexe Kluftnetzwerke an. Um auch für Anwendungen mit hunderten Metern Ausdehnung geeignet zu sein, wird das Modell mit statistischen Methoden skaliert und durch andere Parameter beschrieben, wie der Rissdichte. Anwendung auf Feldskala und Vergleich mit Messungen dienen zur Evaluation. Eine Einbindung des entwickelten Modells in eine Auswahl an wissenschaftlichen Softwareprogrammen ist geplant. Dieser innovative Ansatz kann in unterschiedlichen Modellen unabhängig von der gewählten Rissrepräsentation verwendet werden. Das vorgeschlagene Projekt schließt die lang existierende Lücke einer über die Skalen konsistenten Beschreibung des Wärmetransfers in geklüfteten porösen Medien unter Berücksichtigung statischer wie dynamischer Größen. Erstmals wird es möglich sein den Einfluss und die Interaktion einzelner Bedingungen und Gegebenheiten auf den Wärmetransfer und -transport im Detail zu untersuchen. Die Bestimmung der transferierten Wärme in natürlichen und industriellen Anwendungen wird sich dadurch signifikant verbessern.

Hochauflösende Schwerefelder für verbesserte Hochwasservorhersagen

Hochwasser ist eine der größten Naturgefahren. Beobachtung, Vorhersage und Frühwarnung von Hochwasserereignissen ist daher essentiell für die Schadensminderung. Neben Niederschlagseigenschaften sind die Vorfeuchtebedingungen ein wichtiger Faktor für die Abflussbildung und somit für die Ausprägung von Hochwasserereignissen. Seit 2002 wurde es mit der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und deren Nachfolger GRACE Follow-On (GRACE-FO, ab 2018) möglich, Anomalien der terrestrischen Wasserspeicherung (Terrestrial Water Storage, TWS) aus den zeitlichen Veränderungen des Erdschwerefeldes zu beobachten. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Feuchtebedingungen vor und während Hochwasserereignissen zu erfassen. Die Nutzung dieser Daten war bisher jedoch wegen ihrer geringen Auflösung (monatlich, 250 - 300 km) stark eingeschränkt. Daher ist es das Ziel dieses Projektes, die Vorhersage und Beobachtung von Hochwasserereignissen mit täglicher zeitlicher Auflösung und auf 50 km räumlicher Auflösung herunterskalierten globalen TWS-Datensätzen von GRACE/GRACE-FO zu verbessern. Im ersten Schritt werden tägliche Schwerefelder mit einem Kalman-Filter Ansatz erzeugt. Diese Verbesserung gegenüber den Standard-Schwerefeldprodukten geht jedoch mit einer schlechteren räumlichen Auflösung einher. Mit neuen Methoden des Maschinellen Lernens (ML), die TWS-Daten von GRACE/GRACE-FO mit simulierten TWS-Daten hydrologischer Modelle kombinieren, werden hochauflösende TWS-Daten erzeugt. Für die Hochwasserwarnung und -beobachtung werden zudem ML-Methoden zur Erzeugung von TWS-Daten in Echtzeit und zu ihrer Vorhersage entwickelt. Auf Basis der hochauflösenden TWS-Anomalien wird ein Vorfeuchteindex als ein Indikator zur Frühwarnung bei hochwasserträchtigen Bedingungen der Wasserspeicherung in Einzugsgebieten abgeleitet. Der Nutzen des Indizes wird im Vergleich mit anderen Hochwasserfaktoren für verschiedene Umweltbedingungen in Einzugsgebieten mit einer Größe von wenigen 10.000 km² bis einigen Millionen km² weltweit analysiert. Ein ML-Ansatz zur Hochwasservorhersage wird unter Nutzung von Vorfeuchteindex, Niederschlagsvorhersagen und andere Hilfsdaten entwickelt. Die schwerebasierten TWS-Anomalien werden zudem in ein bestehendes Hochwasservorhersagemodell für ausgewählte Einzugsgebiete in Niedersachen integriert. Die Vorhersagegüte des ML-Ansatzes und des Hochwassermodells werden auf der regionalen Skala über die Analyse von Hochwasserereignissen der Vergangenheit und einen Vergleich mit dem bestehenden Hochwasservorhersagesystem evaluiert. Der neue Ansatz hat ein großes Potenzial zur Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Hochwasservorhersagen. Weiterhin können auch andere Anwendungen von den hochauflösenden TWS-Daten profitieren, wie zum Beispiel bei der Beobachtung von Grundwasser- oder Bodenfeuchtedynamiken.

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.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1889: Regional Sea Level Change and Society (SeaLevel), Teilprojekt: Aufbau von adaptiven Kapazitäten durch translokales Sozialkapital: Meeresspiegelanstieg und Resilienz von küstennahen Gemeinschaften und Haushalten in ausgewählten Regionalmetropolen Indonesiens (SeaLevel_TRANSOCAP II)

Das beantragte Projekt (TRANSOCAP II) betrachtet küstennahe Gemeinschaften in indonesischen Regionalmetropolen, die aufgrund ihrer Exposition und ihren sozialen Bedingungen besonders verwundbar gegenüber dem Meeresspiegelanstieg und küstenbezogenen Naturgefahren sind. Sozialkapital spielt vor allem im Globalen Süden eine wichtige Rolle für erfolgreiche Anpassungsstrategien von lokalen Gemeinschaften und Haushalten, weil der Staat oft nicht die organisatorischen und finanziellen Ressourcen hat, um Umweltveränderungen und Naturgefahren adäquat zu begegnen. Durch Vertrauensnetzwerke sind Individuen in der Lage, den Zugang zu Krediten, Rücküberweisungen, gegenseitiger Hilfe, Informationen oder Wissen zu organisieren. Diese sind wertvolle Ressourcen für Bewältigungsstrategien, Anpassungsprozesse, Innovationsfähigkeit und Resilienz. Die Hauptfragestellung des Projekts lautet deshalb: Wie generieren lokale und translokale soziale Netzwerke soziales Kapital und wie beeinflusst dies Anpassungsprozesse von Haushalten und Gemeinschaften in indonesischen Städten mit unterschiedlichen sozialen und kulturellen Kontexten. Das Forschungsvorhaben zielt darauf ab, soziales Kapital als (auch) translokales Phänomen zur konzeptualisieren und damit die oft noch zu lokalbezogene Sicht auf Sozialkapital in der Naturgefahren- und Klimaforschung zu überwinden. Untersucht werden sollen die Struktur und die Qualität von lokalem und translokalem Sozialkapital in den indonesischen Regionalmetropolen Surabaya (Java), Denpasar (Bali) und Padang (Westsumatra). Diese Städte erweitern das Spektrum der Untersuchungsräume der ersten Förderphase (Jakarta, Semarang und Umland). Dies soll dazu beitragen, adaptionsrelevante soziale Netzwerke und soziales Kapital in unterschiedlichen administrativen und soziokulturellen Kontexten zu analysieren. Die TRANSOCAP II zugrunde liegende Annahme ist, dass in Surabaya, insbesondere aber in den kulturell deutlich andersartig geprägten Städten Denpasar und Padang, translokale Verbindungen eine noch größere Rolle spielen als in Jakarta und vor allem Semarang. Eine weitere wesentliche Erweiterung gegenüber der ersten Projektphase ist, dass die Struktur der sozialen Vernetzung detaillierter untersucht werden soll. Bei dem Projekt soll ein Methodenmix angewendet werden, der vor allem Haushaltsbefragungen mit standardisierten Fragebögen (inkl. Netzwerkanalyse), Fokusgruppendiskussionen und Expertenworkshops umfasst.

Analyse und Nowcasting von konvektiven Systemen mit VERA

Die genaue Vorhersage von Gewittern ist sowohl für die Wissenschaft als auch für die Öffentlichkeit ein wichtiges Anliegen, da konvektive Ereignisse im Sommer zu den größten Naturgefahren in unseren Breiten gehören. Um die Entstehungsprozesse von Gewittern genauer zu verstehen, ist eine Untersuchung von Konvektion auf einer hoch auflösenden Skala nötig. Nur damit kann man den heutigen Anforderungen an die Vorhersage (in Bezug auf Zeit, Raum und Intensität) gerecht werden. Zu diesem Zweck wird im nächsten Jahr im Rahmen von zwei internationalen Projekten (COPS und MAP D-PHASE) im Süden von Deutschland eine groß angelegte Messkampagne durchgeführt. Das Hauptziel dieser Kampagne ist die Erstellung eines hochwertigen Datensatzes für die Untersuchung konvektiver Prozesse, von der Auslösung von Konvektion über die Wolken- und Niederschlagsbildung bis hin zur Untersuchung von Wolkenchemie und Hydrometeoren. Damit sollen meteorologische (und hydrologische) Vorhersagen für konvektive Ereignisse verbessert werden. Sowohl bei COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study; Teil des Priority Program SSP 1167 der Deutschen Forschungsgemeinschaft) als auch bei MAP D-PHASE (Mesoscale Alpine Program Demonstration of Probabilistic Hydrological and Atmospheric Simulation of flood Events in the Alpine region, ein von der Welt-Meteorologischen Organisation gefördertes Projekt) ist das Institut für Meteorologie und Geophysik in der Planungsphase vertreten. Im Rahmen des vorgeschlagenen Projektes soll die Messkampagne durch den Einsatz eines eigenen Meso-Messnetzes und Personal unterstützt werden, womit ein wichtiger Beitrag zu dem einmaligen Datensatz, der durch den Einsatz verschiedenster Messsysteme (Bodenstationen, Dopplerradar, Lidar, Satelliten, Flugzeuge, Radiosonden, ...) zu Stande kommt, geleistet wird. Mit Hilfe der Daten aus der Feldkampagne soll im Zuge des Projektes das Analyseverfahren VERA, das im Rahmen von FWF-Projekten am Institut entwickelt worden ist, einerseits für das Nowcasting von Gewittern, andererseits zur genaueren Niederschlagsanalyse, weiterentwickelt werden. Für beide Entwicklungsschritte wird dem Fingerprint-Ansatz, mit dem Zusatzinformation für das Downscaling meteorologischer Felder in die VERA-Analyse implementiert werden kann, eine wichtige Rolle zukommen. Dieser Ansatz wird für 3 Dimensionen, mehrere Fingerprints und höhere Auflösungen (bis 1km Gitterdistanz) erweitert. Mittels des Datensatzes werden neue Fingerprints entwickelt, die dazu beitragen werden, die Analysegenauigkeit für den Niederschlag und die Vorhersagbarkeit von Gewittern in Echtzeit mit Routinedaten zu verbessern. Das fertig entwickelte Analyseverfahren soll dann in einem weiteren Schritt zur Echtzeit-Validierung von hoch auflösenden Wettermodellen verwendet werden, wobei ein neuer Ansatz des Vergleiches zum Tragen kommt. Auch dadurch wird ein Beitrag zur besseren Vorhersagbarkeit von Gewittern geleistet.

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