Die Wechselwirkung von Wolken und Aerosol und ihre Rolle im Strahlungshaushalt der Erde ist ein Feld offener Fragen. Der IPCC (2014) nennt große Unsicherheiten und den Bedarf an zusätzlichen wissenschaftlichen Bemühungen, um die Vielzahl der Prozesse und deren Rolle für ein sich wandelndes Klima besser zu verstehen. Dieser Antrag hat die Entwicklung neuartiger Fernerkundungskonzepte zur Beobachtung einiger dieser Prozesse zum Ziel. Aerosol hat direkten Einfluss auf den Strahlungshaushalt und löst eine Serie von indirekten Effekten aus, indem es die Wolken-Mikrophysik, die Wolken-Dynamik, -Lebensdauer, den Wasserkreislauf und sogar die großskalige Zirkulation beeinflusst. Eigenschaften und räumliche Verteilung des Aerosols selbst ändern sich durch die Prozesse während der Wolkenpartikelbildung und ihrer Auflösung. Die Konzentration aktivierter Wolkenkondensationskeime (CCNC) spielt dabei eine entscheidende Rolle. CCNC kann in-situ nur mit sehr begrenzter räumlicher Abdeckung vermessen werden. Gleichzeitig kann sie nicht quantitativ mit herkömmlichen Fernerkundungsmethoden bestimmt werden, da die typische CCN Größe mehr als eine Größenordnung unterhalb der Wellenlänge sichtbarer Strahlung liegt. Daher wurde ein alternativer Ansatz vorgeschlagen: Messungen der von Wolkenseiten reflektierten Solarstrahlung ermöglichen die Ableitung von Vertikalprofilen der Partikelphase sowie ihrer Größe. Es wurde hypothetisiert, dass der Einfluss des Aerosols auf die Entwicklung der Mikrophysik so beobachtbar wird ebenso wie die Ableitung der CCNC. Alternativ kann CCNC auch aus Messungen optischer Eigenschaften der Aerosole abgeleitet werden. Der Zusammenhang zwischen optischer Dicke des Aerosols und CCNC wurde identifiziert, allerdings verbunden mit Unsicherheiten. Der Vorschlag, diese beiden Ansätze zu verbinden und die damit verbundenen Hypothesen zu testen, ist Kern dieses Antrags. Hyper-spektrale Beobachtungen mittels eines schnellen Scanners sind entscheidend, da Wolken sich sehr schnell verändern. Dazu soll ein abbildendes Spektrometer mit Polarisationsfiltern erweitert werden. Mit demselben Messgerät können dann die Mikrophysik der Wolken und die Eigenschaften des Aerosols im umgebenden wolkenlosen Bereich abgeleitet werden. Das Projekt ist im Wesentlichen in zwei Doktorarbeiten aufgeteilt. Highlights: 1) Test zweier Hypothesen, die Kern kommender Flugzeug-Kampagnen und geplanter Satellitenmissionen sind: CCNC kann aus Fernerkundung der Aerosoleigenschaften und aus Profilen der Wolkenmikrophysik abgeleitet werden. 2) Schnelle hyper-spektrale Scanner-Messungen ermöglichen Mikrophysik-Messungen veränderlicher Wolken. Erlauben diese Daten Ableitungen der Veränderung der Mikrophysik abhängig von der Entfernung zur Wolkenseite? 3) Ableitung von Aerosol-Eigenschaften aus polarisierten spektralen Messungen auch in bewölkten Situationen.
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.
Ziel des Teilvorhabens ist es, die Nutzung von Windmessungen mit LiDAR für die Standortbewertung hinsichtlich des Windenergieertrags in der Windindustrie zu verbessern. Hierfür sollen Methoden zur Erarbeitung optimaler Messstrategien entwickelt werden. Im Fokus stehen sowohl die Quantifizierung bzw. Reduzierung der objektiv sich aus den Messungen ergebenden Unsicherheiten als auch eine verbesserte Nachvollziehbarkeit der nur subjektiv einschätzbaren Unsicherheiten bei Wind- und Ertragsermittlungen. Dabei wird insbesondere der Einfluss und die Repräsentativität des Messortes, die erforderliche Anzahl der Messpunkte (räumliche Repräsentativität), der Messzeitraum (saisonale Variation) und dessen erforderliche Länge untersucht. Die übergeordneten Teilziele von Ramboll lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Entwicklung von Verfahren zur Abschätzung des Einflusses von Messdauer-/Messzeitraum auf deren Unsicherheit - Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Abschätzung der räumlichen Repräsentativität - Validierung der LiDAR-Verfügbarkeitskarten auf Basis von Nebelberechnungen - Entwicklung und Erarbeitung eines Verfahrens zur Bestimmung der Gesamtunsicherheit und Optimierung von Messstrategien unter Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten Durch die Ausschreibungen mit dem neuen EEG 2017 sind noch genauere Ertragsprognosen wichtig, um im Wettbewerb die Risiken gering zu halten.
Das Ziel des Arbeitspakets ist die Erkennung von Sichtbehinderungen durch Nebel und niedrige Stratusbewölkung, um wetterbedingte Verfügbarkeitsverluste von LiDAR-Windmessungen für jeden potentiellen Standort von Windkraftanlagen in der BRD abschätzen zu können. Wichtig zur Einschätzung der Genauigkeit, sowohl der Sichtbehinderung als auch der LiDAR Verfügbarkeit, sind Validierungsdaten, die dem Arbeitspaket von den Projektpartnern CUBE zur Verfügung gestellt werden. Im Detail sind insbesondere zwei Fragen zu klären. (1) Kann die räumlich nur moderat aufgelöste, aus Wettersatellitendaten abgeleitete Information zur Sichtbehinderung bereits gewinnbringend zur Entwicklung digitaler LiDAR- Verfügbarkeitskarten eingesetzt werden? (2) Kann die Verwendbarkeit durch eine deutliche Erhöhung der räumlichen Auflösung auf 30 m Gitterpunkte unter Einbezug von weiterer Zusatzinformation und Maschinen-Lernverfahren verbessert werden?
Hauptziel des 5G NetMobil-Projektes ist es, eine allumfassende Kommunikationsinfrastruktur für taktil vernetztes Fahren zu entwickeln und die Vorteile des taktil vernetzten Fahrens in Bezug auf Verkehrssicherheit, Verkehrseffizienz und Umweltbelastung gegenüber dem ausschließlich auf lokalen Sensordaten basierenden autonomen Fahren aufzuzeigen. Während autonomes Fahren bereits mehr Komfort und Sicherheit verspricht, ermöglicht das taktil vernetzte Fahren neue Fahrstrategien, welche die Sicherheit des Straßenverkehrs nochmals erhöhen, den CO2 Ausstoß signifikant verringern, und die Verkehrseffizienz auf der Straße durch bessere Auslastung und verringerte Stau- und Unfallgefahr erheblich verbessern. Zusätzliche Vernetzungsmöglichkeiten werden die grundlegende Begrenzung heutiger autonomer Systemansätze beseitigen, die für die Regelung des Fahrzeugs ausschließlich die durch lokal-verbaute Onboard-Sensoren gewonnenen Informationen nutzen. Dadurch ist der Entscheidungshorizont extrem eingeschränkt, da die 'Sichtweite des Fahrzeugs' durch die verwendeten Sensortechnologien, wie insbesondere Radar- und Kamerasensoren beschränkt wird. Die Sensoren aller Fahrzeuge wie auch der Umgebung bzw. der vorhandenen Infrastruktur können im Netz virtuell zusammengeführt werden, was zu einer besseren Entscheidungsfindung beiträgt und insbesondere Informationen über Regionen und Szenarien liefert, die noch weit vom Fahrzeug entfernt liegen, aber relevant für die Zielführung sind. Auch direkte Kommunikation zwischen Fahrzeugen erweitert deren Sichtfeld und ermöglicht neue Anwendungsfälle, die zu erhöhter Effizienz und erhöhtem Komfort führen. Die so gewonnenen Informationen können allen Fahrzeugen durch eine zentrale Entscheidungsinstanz zugeführt werden und so zur Steuerung und Regelung der lokalen Aktuatoren genutzt werden. Für die dabei entstehenden Regelkreisläufe sind Übertragungslatenzzeiten in Echtzeit, d.h. von wenigen Millisekunden, unbedingt erforderlich. Die Umsetzung dieser Visionen in die Realität setzt die sichere und robuste Kommunikation zum Steuern und Regeln in Echtzeit voraus. Deshalb werden in diesem Forschungsvorhaben neuartige 5G-Kommunikationsarchitekturen mit entsprechenden Informations- und Kommunikationstechnologien erarbeitet. Der Begriff 'Taktiles Internet' umfasst hierbei technische Lösungen für mobile Kommunikationsnetze der fünften Generation (5G), die den Echtzeit-Anforderungen des vernetzten Fahrens mit höchster Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit gerecht werden. In diesem Zusammenhang werden auch die Integrationsmöglichkeiten bestehender Technologien, wie z. B. Mobilfunk 4G oder IEEE 802.11p, betrachtet. Das Forschungsvorhaben 5G NetMobil verbindet sowohl Multi-OEM , Multi-Netzausrüster als auch Multi-Netzwerkbetreiber sowie hochinnovative KMUs miteinander. Demonstrationsfälle sind z.B. das vernetzte Fahren an Kreuzungen zur Erhöhung der Verkehrssicherheit und das Konvoi Fahren von LKWs zur Reduktion des Spritverbrauchs.