Das Forschungsvorhaben soll durch hochgenaue Messungen des turbulenten Windfeldes sowie mit meteorologisch turbulenzauflösenden Standortanalysen und hochauflösenden Strömungssimulationen von Windenergieanlagen die Standortcharakterisierung von industriell nutzbaren Prognosetools verbessern. Das übergeordnete Ziel des beantragten Teilvorhabens besteht darin, durch neue drohnen-basierte Turbulenzmessung und durch gekoppelte numerische Simulationswerkzeuge die Effekte der turbulenten atmosphärischen Grenzschicht zu analysieren. Daraus wird ein 'Best Practice' Verfahren für industrielle Standortanalysen mit Fokus auf komplexe Gelände entwickelt. Diese Untersuchung ist essenziell zur Bewertung und Verbesserung von industriell einsetzbaren Tools zur Ertragsprognose, denn komplexe Geländeformen im Zusammenwirken mit unterschiedlichen thermischen Bedingungen stellen große Herausforderungen dar.
Nebel als meteorologisches Phänomen kann große Auswirkungen für die Wirtschaft, aber auch auf die persönliche Sicherheit haben, indem er die Sichtweite in der atmosphärischen Grenzschicht reduziert. Wirtschaftliche Verluste für den Luft-, See-, und Landvekehr als Folge von Nebel sind dabei vergleichbar zu Verlusten durch Winterstürme. Trotz der Fülle an Literatur über Nebel bleibt unser Verständnis der physikalischen Prozesse die zu Nebelbildung und seiner Mikrophysik beitragen unvollständig. Dies ist dadurch begründet, dass mehrere komplexe Prozesse, wie z.B. Strahlungsabkühlung, turbulentes Durchmischen und die mikrophysikalischen Prozesse nichtlinear miteinander interagieren. Zusätzlich verkomplizieren Bodenheterogenitäten bezüglich Vegetation und Bodeneigenschaften die Vorhersagbarkeit von Nebel. Die Fähigkeit von numerischen Wettervorhersagemodellen Nebel vorherzusagen ist in Folge dessen noch dürftig. In diesem Projekt werden hochaufgelöste Grobstruktursimulationen (Large-Eddy Simulationen, LES) verwendet um den Effekt von Turbulenz auf nächtliche Strahlungsnebel zu untersuchen. Das LES Modell PALM wird dazu mit einer sehr hohen Auflösung von etwa 1 m verwendet. Dabei werden in den LES sowohl ein Euler'sches Bulk Wolkenphysikschema, als auch ein Lagrange'sches Partikelmodell, welches die explizite Behandlung von Aerosolen und Nebeltropfen erlaubt, verwendet. Dieser innovative Ansatz erlaubt die Nebeltropfen-Turbulenz-Interaktion zum ersten Mal mit LES zu untersuchen. Das Ziel dieser Studie ist es, einen umfassenden Überblick über die Schlüsselparameter zu erhalten, welche den Lebenszyklus sowie die dreidimensionale Makro- und Mikrostruktur von Strahlungsnebel bestimmen. Weiterhin wird der Effekt von nächtlichem Strahlungsnebel auf die morgendliche Übergangszeit und die Grenzschicht am Tag untersucht. Der Effekt von Bodenheterogenitäten auf nächtlichen Strahlungsnebel wird mit Hilfe von aufgeprägten regelmäßigen idealisierten und unregelmäßigen beobachteten Bodenheterogenitäten in den LES untersucht. Die LES Daten werden anhand von Messdaten der meteorologischen Messstandorte in Cabauw (Niederlande) und Lindenberg (Deutschland) validiert und mit Simulationsdaten des eindimensionalen Grenzschicht- und Nebelvorhersagemodells PAFOG (Universität Bonn) verglichen.
Das hier vorgeschlagene Projekt basiert auf und ergänzt Untersuchungen die im Rahmen des DFG-Transregios 172 'Arktische Klimaveränderungen', und hier speziell dem Projekt B04 'Ship-based physical and chemical characteristics and sources of Arctic ice nucleating particles and cloud condensation nuclei', durchgeführt werden. Im Rahmen von TR 172, B04, ist es u.a. das Ziel, über schiffbasierte Messungen detaillierte Informationen hinsichtlich arktischer eisnukleierender Partikel (Anzahlkonzentration; chemische Natur, mineralisch und/oder organisch; Herkunft, lokal oder Ferntransport) zu erlangen. Diese schiffsbasierten Messungen können allerdings nur ein erster Schritt auf dem Weg zu einem besseren Verständnis von Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen in der Arktis im allgemeinen, und der Vereisung Arktischer Wolken im Besonderen, sein. Hierzu sind u.a. Informationen aus unterschiedlichen Höhen (innerhalb der planetaren Grenzschicht und in der freien Troposphäre) erforderlich. Daher sollen die in TR 172, B04, geplanten Aktivitäten u.a. durch INP-bezogene Messungen an Bord des Forschungsflugzeuges HALO ergänzt werden. Spezifisch zielen wir auf die Bestimmung von INP-Anzahlkonzentrationen, und über Analyse der chemischen Partikelzusammensetzung auf Hinweise bzgl. der INP Herkunft / Quellen. Im Rahmen des vorliegenden Antrages werden wir uns daher auf die Entwicklung, den Test und die Zulassung eines Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für das Forschungsflugzeug HALO konzentrieren. Das Sammlersystem wird im Wesentlichen aus einer adaptierten Version des schon existierenden (aber noch zuzulassenden) 'Micrometre Aerosol Inlet' (MAI) und einem noch zu entwickelnden Hochvolumenstrom-Filtersammler, bestehen. Die Berücksichtigung hoher Volumenströmen (Größenordnung 100 l/min) ist aufgrund der zu erwartenden niedrigen Aerosolpartikel- und INP-Konzentrationen, und dem daraus resultierenden Bedarf nach der Sammlung großer Luftvolumina erforderlich. Der erste wissenschaftliche Einsatz des entwickelten Systems soll im Rahmen der ARCTIC-HALO-Kampagne erfolgen, welche für die zweite Phase des TR 172 (2020-2023) geplant ist. Nach seiner Entwicklung, steht das Sammlersystem (Einlass und/oder Filtersammler) für sub- und supermikrone Aerosolpartikel für weitere HALO-Missionen zur Verfügung. Zur Durchführung der notwendigen Arbeiten beantragen wir Mittel für eine 75 % und eine 50% PostDoc-Stelle für jeweils 3 Jahre. Ferner beantragen wir Mittel für die Adaptierung und die Zulassung des Hochvolumenstrom-Aerosolpartikelsammlers. Alle anderen direkten Kosten werden aus dem Haushalt des TROPOS übernommen.
Insbesondere der Einfluss der Eigenschaften von Vegetationskronen und ihrer räumlich-zeitlichen Dynamik auf Rückkopplungen zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre (d. h. Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchtigkeit, Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht) sind nicht abschließend geklärt. Ein Hauptgrund dafür ist, dass hochauflösende Beobachtungsdatenprodukte (z. B. zur Vegetationskronenfeuchte) noch nicht mit hoher räumlicher Auflösung (Dekameter-Skala) und für mehrjährige Zeitserien verfügbar sind: weder aus der Fernerkundung noch von Modellen. Darüber hinaus können Heterogenitäten der Landoberfläche (z. B. Vielfalt in der Vegetationsbedeckung) erhebliche Auswirkungen auf Rückkopplungsprozesse zwischen Baumkronen und benachbarter Atmosphäre haben, ihre Darstellung in Modellen reicht jedoch bei hohen räumlichen Auflösungen nicht aus. Um diese Lücken zu schließen, werden auf der Fernerkundung basierende Produkte entwickelt, um einige der vielfältigen unterschiedlichen Vegetationsbedingungen zu berücksichtigen. In diesem Sinne besteht die Idee von Projekt 2 darin, eine Reihe von Eigenschaften der Vegetationskrone zu überwachen, einschließlich Wassergehalt (z. B. Boden- und Vegetationsfeuchtigkeit) und Flüsse (z. B. Evapotranspiration) sowohl vor Ort (In-situ-Daten) als auch auf regionalen (Erdsystemmodelle) Skalen. Der Ansatz nutzt die potenziellen Synergien zwischen optischen, passiven und aktiven Mikrowellensensoren, die ergänzende Informationen bieten, um Fernerkundungssignale (z. B. Mikrowellendämpfung) in biophysikalische Variablen (z. B. gravimetrische Vegetationsfeuchtigkeit, Evapotranspiration oder Vegetationsstruktur und -dichte) umzuwandeln. Diese einzigartigen und beispiellosen Datensätze der satellitengestützten Multisensor-Fernerkundung werden in Land-Atmosphäre (L-A) Modelle eingespeist, um Grenzschichteigenschaften und L-A-Rückkopplungen zu bestimmen und zu analysieren. Alle diese Landoberflächenvariablen können synergetisch dazu beitragen, den Zusammenhang zwischen Boden, Vegetation und den Prozessen der atmosphärischen Grenzschicht zu verstehen und L-A-Modelle zu initialisieren. P2 konzentriert sich direkt auf die hochauflösende (Dekameter-Skala) Bestimmung von Zuständen und räumlich-zeitlichen Dynamiken der Feuchtigkeit, Temperatur und Topographie der Vegetationskrone, um Feuchtigkeits- und Temperaturverteilungen zur Beurteilung der Transpiration und der Form sowie der 3D-Dynamik der atmosphärischen Rauheitsunterschicht nach zu verfolgen. Dies wird durch die Kombination von Multisensor-Fernerkundungsbeobachtungen (z. B. Copernicus Sentinel-Satelliten und weltraumgestützte LiDARs) erreicht. Räumlich-zeitlich dynamische Informationen dieser Vegetationsvariablen werden für die Integration in die Reihe an Land-Atmosphäre-Modellen von LAFI vorbereitet, um Grenzschichteigenschaften zu bewerten und L-A-Rückkopplungen zu verstehen.
Untersuchung klimabestimmender Prozesse und der turbulenten Ausbreitung von Luftverunreinigungen im mesoskaligen Bereich mit Hilfe von langfristigen Beobachtungen und kuerzeren Messkampagnen. Die Messergebnisse dienen der Parametrisierung und Verifikation von Modellrechnungen. Dabei werden u.a. mit Fernmessverfahren meteorologische Vorgaenge untersucht, die fuer das mesoskalige Klima von Bedeutung sind; Landoberflaechenprozesse werden mit Energie- und Feuchtebilanzstationen erfasst. Es werden ferner Transport und turbulente Ausbreitung von Luftverunreinigungen verfolgt, Turbulenzstrukturen erfasst und analysiert und der Einfluss der Gelaendeoberflaeche beobachtet. Dazu dienen Messungen mit bodengebundenen Turbulenz-Messsystemen, der Einsatz von Tretoons, eines Doppler-Sodars, sowie die Wetterdaten einer Reihe von Bodenstationen.
In Inner Mongolia the heterogeneity of rainfall patterns, differences in grazing intensity and topography lead to strong temporal and spatial variability of soil moisture which has great effects on vegetation growth and influences CO2 and water fluxes. The spatial and temporal distribution and variability of near surface soil moisture will be modelled with a new approach using the atmospheric boundary layer model HIRVAC and thermal imagery obtained during the 2009 field campaign within the MAGIM research group. Thermal imagery was collected using a microlite aircraft which emerged as an adequate platform particularly for remote areas. The resulting soil moisture grids will allow for the analysis of spatial soil moisture variability at field and local scale. The high geometrical resolution (1 m) closes the gap between point surface and satellite measurements.
Der menschliche Einfluss auf großräumige Änderungen des Klimas hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen, sowohl in Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre. Die genauen Eigenschaften physikalischer Prozesse und Mechanismen, die den menschlichen Einfluss von großräumigen auf lokale Skalen übertragen, sind allerdings kaum bekannt. Dies bedeutet eine erhebliche Unsicherheit für die Folgen des Klimawandels in der Zukunft. Das Problem der Übertragung betrifft auch den Gletscherrückgang im Hochgebirge, der überdies ein seltener Indikator für den Klimawandel in der mittleren Troposphäre ist. --- Das vorliegende Projekt hat das Ziel, unser Verständnis des Klimawandels in großer Höhe entscheidend zu verbessern. Das Fundament dafür legt eine neuartige und interdisziplinäre Methodik, mit der wir den menschlichen Anteil am Klimawandel in der großräumigen Klimadynamik, der regionalen Zirkulation über den ausgewählten Gebirgen sowie in der atmosphärischen Grenzschicht der dortigen Gletscher quantifizieren können. Die Verknüpfung prozessauflösender, physikalischer Modelle von globaler bis lokaler Skala sowie außergewöhnliche Messungen auf Gletschern in großer Höhe spannen diese Methodik auf. Sie wird letztlich ermöglichen, den menschlichen Anteil präzise zu erklären und die dafür verantwortlichen Mechanismen ausweisen zu können, inklusive der empfindlichsten Zusammenhänge im multiskaligen System ('Achillesfersen'). --- Der Einfluss des Projekts wird sich deutlich über die Glaziologie hinaus erstrecken. Unser Wissen über das globale Klimasystem wird durch den besser verstandenen Aspekt der Verknüpfung zwischen bodennahen Luftschichten und der mittleren Troposphäre profitieren. Auf regionalen und lokalen Skalen helfen die Ergebnisse für die Abschätzung von Klimafolgen, da Gletscheränderungen Wasserreserven und Naturgefahren beeinflussen. Und schließlich werden die Ergebnisse neue Wege für die Klimafolgenforschung allgemein aufzeigen, indem sie eine prozessauflösende und skalenübergreifende Methodik demonstrieren.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 139 |
| Europa | 12 |
| Land | 2 |
| Wissenschaft | 99 |
| Zivilgesellschaft | 4 |
| Type | Count |
|---|---|
| Daten und Messstellen | 7 |
| Förderprogramm | 134 |
| unbekannt | 5 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 4 |
| Offen | 142 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 100 |
| Englisch | 77 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Archiv | 5 |
| Datei | 2 |
| Keine | 105 |
| Webseite | 34 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 107 |
| Lebewesen und Lebensräume | 127 |
| Luft | 146 |
| Mensch und Umwelt | 146 |
| Wasser | 101 |
| Weitere | 140 |