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Sonderforschungsbereich Transregio 165 (SFB TRR): Wellen, Wolken, Wetter; Waves to Weather - A Transregional Collaborative Research Center, Teilprojekt A07: Visualisierung von Kohärenz und Variation in meteorologischer Dynamik

Neue Visualisierungstechniken werden mit speziellem Blick auf die Kohärenz und die Schwankungen in meteorologischen Daten entwickelt. Indikatorfelder für Kohärenz werden hergeleitet und als Grundlage für eine flexible und physikalische Definition von Merkmalen in einzelnen Feldvariablen verwendet sowie deren Extraktion aus umfänglichen Simulationen. Variation in Raum und Zeit sowie die Wechselbeziehung und Auftrittswahrscheinlichkeit von Merkmalen in Ensembles werden gleichermaßen erforscht. Die Entwicklung von Visualisierungstechniken zur Analyse von Fehlerwachstum, Parametersensitivität und Variabilität von Merkmalen in Ensembles runden unser Forschungsvorhaben ab.

Numerische Simulationen von Nebelereignissen in der Namib Region (NaFoLiCa-M)

In der Trockenwüste Namib an der Westküste Afrikas sind Nebelereignisse von großer Bedeutung nicht nur für die Pflanzen- und Tierwelt, sondern insbesondere auch für die Gewinnung von Trinkwasser mit Hilfe von Nebelwasserkollektoren. Um eine ökonomische Nutzung der Trinkwassergewinnung zu ermöglichen, sind genaue Kenntnisse der raumzeitlichen Entwicklung von Nebelereignissen unerlässlich. Aufgrund der komplexen topographischen Strukturen in der Namib Region lassen sich diese Kenntnisse flächendeckend nur mit Hilfe numerischer Simulationen gewinnen. Im vorliegenden Projekt soll, basierend auf dem mesoskaligen Wettervorhersagemodell COSMO des Deutschen Wetterdienstes, das dreidimensionale Nebelmodell COSMO-FOG entwickelt werden, mit dem Nebelereignisse in der Namib Region simuliert werden können. In COSMO-FOG sollen insbesondere die speziellen topographischen Gegebenheiten im Untersuchungsgebiet (Atlantischer Ozean, Küstenwüste, Große Randstufe) berücksichtigt werden, um das Auftreten der dort vorkommenden unterschiedlichen Nebelereignisse (Advektionsnebel, Strahlungsnebel, Hochnebel, etc.) realistisch simulieren zu können. Das beantragte Projekt ist Teil eines Paketantrags bestehend aus drei Einzelprojekten, zu denen neben NaFoLiCa-M auch bodengebundene Messungen (NaFoLiCa-F) sowie auf Fernerkundung basierende Nebelbeobachtungen (NaFoLiCa-S) gehören. Verknüpfungen zwischen den Teilprojekten bestehen in der gemeinsamen Prozessanalyse durch Verbindung der bodengebundenen und satellitengestützten Messungen sowie im Einsatz von COSMO-FOG zur Ermittlung der raumzeitlichen Nebelstrukturen.

Wie prägen kohärente Luftströmungen den Einfluss des Golfstroms auf die großskalige atmosphärische Zirkulation der mittleren Breiten?

Über dem Nordatlantik und Europa wird die Variabilität der großräumigen Wetterbedingungen von quasistationären, langandauernden und immer wiederkehrenden Strömungsmustern â€Ì sogenannten Wetterregimen â€Ì geprägt. Diese zeichnen sich durch das Auftreten von Hoch- und Tiefdruckgebieten in bestimmten Regionen aus. Verlässliche Wettervorhersagen auf Zeitskalen von einigen Tagen bis zu einigen Monaten im Voraus hängen von einer korrekten Darstellung der Lebenszyklen dieser Strömungsregime in Computermodellen ab. Um das zu erreichen müssen insbesondere Prozesse, die günstige Bedingungen zur Intensivierung von Tiefdruckgebieten aufrecht erhalten, und Prozesse, die den Aufbau von stationären Hochdruckgebieten (blockierende Hochs) begünstigen, richtig wiedergegeben werden. Aktuelle Forschung deutet stark darauf hin, dass Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen, insbesondere entlang des Golfstroms, latente Wärmefreisetzung in Tiefs, und Kaltluftausbrüche aus der Arktis dabei eine entscheidende Rolle spielen. Dennoch mangelt es an grundlegendem Verständnis wie solche Luftmassentransformationen über dem Ozean die großskalige Höhenströmung beeinflussen. Darüber hinaus ist die Relevanz solcher Prozesse für Lebenszyklen von Wetterregimen unerforscht. In dieser anspruchsvollen drei-jährigen Kollaboration zwischen KIT und ETH Zürich streben wir an ein ganzheitliches Verständnis zu entwickeln, wie Wärmeaustausch zwischen Ozean und Atmosphäre und diabatische Prozesse in der Golfstromregion die Variabilität der großräumigen Strömung über dem Nordatlantik und Europa prägen. Zu diesem Zweck werden wir ausgefeilte Diagnostiken zur Charakterisierung von Luftmassen mit neuartigen Diagnostiken zur Bestimmung des atmosphärischen Energiehaushaltes verbinden und damit den Ablauf von Wetterregimen und Regimewechseln in aktuellen hochaufgelösten numerischen Modelldatensätzen und mit Hilfe von eigenen Sensitivitätsstudien untersuchen. Dazu werden wir unsere Expertise in größräumiger Dynamik und Wettersystemen, sowie Atmosphäre-Ozean Wechselwirkungen â€Ì insbesondere während arktischen Kaltluftausbrüchen â€Ì und der Lagrangeâ€Ìschen Untersuchung atmosphärischer Prozesse nutzen. Im Detail werden wir (i) ein dynamisches Verständnis entwickeln, wie Luftmassentransformationen entlang des Golfstroms die Höhenströmung über Europa beeinflussen, mit Fokus auf blockierenden Hochdruckgebieten, (ii) die Bedeutung von Luftmassentransformationen und diabatischer Prozesse für den Erhalt von Bedingungen, die die Intensivierung von Tiefdruckgebieten während bestimmter Wetterregimelebenszyklen bestimmen, untersuchen, (iii) diese Erkenntnisse in ein einheitliches und quantitatives Bild vereinen, welches die Prozesse, die den Einfluss des Golfstroms auf die großräumige Wettervariabilität prägen, zusammenfasst und (iv) die Güte dieser Prozesse in aktuellen numerischen Vorhersagesystemen bewerten. Diese Grundlagenforschung wird wichtige Erkenntnisse zur Verbesserung von Wettervorhersagemodellen liefern.

Energieeffiziente Bürogebäude

Die kombinatorische Vielfalt der Einflussgrößen auf den Energieverbrauch von Gebäuden verursacht meistens Unsicherheit in der Planung. Ziel dieses Projektes ist es, für Architekten und Fachplaner eine umfassende Matrix zu erstellen, die es erlaubt, die Auswirkungen von Planungsschritten auf den Energiehaushalt und die Behaglichkeit von Gebäuden hinreichend genau zu bewerten und Alternativen gegeneinander abzuwägen. Anhand eines standardisierten Bürogebäudes werden unter Berücksichtigung der äußeren und inneren Lasten und für definierte zu erreichende Raumzustände alle wichtigen Faktoren wie z.B. der Anteil an thermisch aktiver Masse oder der Grad an Verglasung variiert. Die zur Anwendung kommende Methode der thermischen Gebäudesimulation und Strömungssimulation erlaubt eine sehr differenzierte Betrachtungsweise.

Einfluß von Kolloiden und Partikeln auf den medienübergreifenden Transport von Schadstoffen im Untergrund

Partikel in den Größen von wenigen Mikrometern bis in den makromolekularen Bereich kommen in allen natürlichen (Grund-)Wässern vor. Durch ihre Beweglichkeit können sie die Mobilität solcher partikelgebundener Substanzen entscheidend erhöhen, die in wässrigen Lösungen sonst schwer- oder unlöslich sind (v.a. Schwermetalle und PAK). Da Partikel und Kolloide sensibel auf Milieuveränderungen reagieren, untersucht diese Arbeit die Auswirkungen, die die Entnahme von Wasserproben aus dem Aquifer und der anschließende Umgang mit den Proben auf den Partikelinhalt hat. Ziel ist die Entwicklung eines praxistaun aber noch relativ schonenden Verfahrens, das anschließend an Grundwässern aus verschiedensten Lithologien erprobt werden soll. Vor allem im Hinblick auf Schadstoffmobilitäten ist es nötig, zukünftige Partikelbewegungen unter geänderten Rahmenbedingungen einschätzen glichezu können. Dafür sollen Faktoren, die Partikelvorkommen und -bewegung im Untergrund steuern, identifiziert werden. Dies soll zukünftig eine Simulation der Partikelbewegung im Untergrund ermöglichen.

Verkehrsmodellierung, -simulation und -optimierung auf mikroskopischer Systemebene

Der Straßenverkehr kann auf unterschiedlichen Ebenen untersucht werden. Die im folgenden beschriebenen Forschungsvorhaben betrachten das System Straßenverkehr aus einer mikroskopischen Sicht, also die der einzelnen Verkehrsteilnehmer und ihrer Fahrzeuge. Ein Schwerpunkt liegt in der Unterstützung der Koordination von Mobilität im individuellen Personenverkehr, da sich hier häufig eine geringe Effizienz der eingesetzten Ressourcen. Dies ist bspw. am durchschnittlichen Besetzungsgrad von Pkw im Berufsverkehr zu beobachten. Hier liegt also ein erhebliches Potenzial für den Einsatz von rechnerbasierten Vermittlungs- und Optimierungsverfahren vor. Dazu wird ein Modell der Mobilität im individuellen Personenverkehr als ganzzahliges lineares Programm erstellt, das sich als Grundlage für die Anwendung von Optimierungsverfahren eignet. Ziele der Optimierung sind global betrachtet die Steigerung der Effizienz, ausgedrückt etwa durch die Reduzierung der gefahrenen Kilometer, und individuell gesehen die Erfüllung des eigenen Mobilitätswunsches. Als Verfahren werden zum einen exakte Optimierungsmethoden, hier speziell Branch-und-Cut-Verfahren mit Spalten-Erzeugung, zum anderen praktisch einsetzbare, heuristische Online-Algorithmen verwendet. Dieser duale Ansatz erlaubt die Bewertung der entwickelten Heuristiken. Um das Vermittlungssystem auch praktisch einsetzen zu können, entsteht derzeit eine Internet-basierte Benutzungsoberfläche. Ein anderer Schwerpunkt liegt auf der simulativen Untersuchung von Straßenverkehr mittels individuenorientierter Modelle. Zur Erstellung derartiger Simulationsmodelle entsteht derzeit ein Framework, das die elementaren Modellbestandteile abstrakt enthält und für spezielle Fragestellungen weiterentwickelt und mit einer graphischen Benutzungsoberfläche versehen wird.

Simulation von Agraroekosystemen

Prognosen ueber die Ausbreitung, den Verbleib und das Verhalten von Stoffen (Duenger, Pflanzenbehandlungsmittel, Schwermetalle), die in Agraroekosysteme eingetragen werden

Optimierte Produktionssequenzierung in der Automobilindustrie

Ziel des Vorhabens ist die Reduktion der Anzahl von Farbwechseln in Lackierstraßen von Automobilwerken. Dadurch sollen einerseits die Produktionskosten gesenkt, andererseits die bei jedem Farbwechsel durch die notwendige Reinigung der Lackierroboter anfallenden Abwasserbelastungen vermindert werden. Die Realisierung dieses Vorhabens erfordert die Festlegung einer geeigneten Produktionssequenz. Dazu muss zunächst das Layout des jeweiligen Automobilwerkes modelliert werden können, so dass der Produktionsfluss simuliert werden kann. Durch ein vom Benutzer kontrollierbares Regelwerk können anschließend Anforderungen an die Produktionssequenz formuliert werden. Neben den Anforderungen für die Lackierstraße sind hierbei insbesondere auch Anforderungen aus allen anderen Produktionsabschnitten zu beachten. Als Lösungsverfahren kommen aufgrund der Komplexität des Problems lediglich heuristische Verfahren in Betracht, mit deren Hilfe sequentiell eine Produktionssequenz bestimmt wird. Das Verfahren wird vom Kooperationspartner seit Dezember 2003 europaweit eingesetzt.

Aerosolbiophysik der menschlichen Lunge

Die Auswirkung des Kraftwerkes Freudenau auf die Amphibienfauna im Bereich der Klosterneuburger Au soll dokumentiert werden.

Anwendung räumlich expliziter landschaftsökologischer Simulationsmodelle zur Bestimmung optimaler anthropogener Nutzung von Ökosystemen

Regionalisierte Agrarökosystemmodelle sind in der Lage die Konsequenzen menschlichen Wirtschaftens auf den Flächen in Bezug auf Stoffhaushalt und Stoffdynamik der Region zu beschreiben, zu analysieren und zu bewerten. Systematische Vergleiche zwischen Nutzungsarten werden i.d.R. mittels des Konzeptes der Szenariensimulationen untersucht. In diesem Projekt soll die Technik der Szenariensimulation für agrarökologische Standortmodell ersetzt werden durch die Integration der Simulationsmodell in Methoden der numerischen Kontrolltheorie. Die Anwendung der Kontrolltheorie liefert neben Aussagen über Stoffhaushalt und -dynamik auch Aussagen über die standortspezifisch optimale Managementstrategie und erlaubt so unterschiedliche Managementziele zu vergleichen und zu bewerten. Diese Methode soll systematisch für ein regionales Modell weiterentwickelt und angewendet werden. Konkreter Untersuchungsgegenstand ist das regionale Patuxent Watershed Landscape Modell der University of Maryland, USA. Die nötigen Methoden zur optimalen Kontrolle ökologischer Modelle sind in der Arbeitsgruppe des Antragstellers im Rahmen des SFB 179 'Wasser- und Stoffdynamik in Agrarökosystemen' entwickelt und validiert worden.

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