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Simulation von Kuehlturmschwaden in der atmosphaerichen Grenzschicht

Um eine eventuelle Aenderung des Klimas durch den Wasserdampf- und Waermeausstoss von Kuehltuermen grosser Kraftwerke abschaetzen zu koennen, ist es erforderlich, das Verhalten der Kuehlturmschwaden in der atmosphaerischen Grenzschicht zu untersuchen. Die Aufstiegshoehe, Laenge und Breite des (durch kondensierten Wasserdampf) sichtbaren Schwadens werden mit Hilfe eines numerischen meteorologischen Modelles berechnet und mit Beobachtungsdaten von Kuehltuermen verglichen. Mit diesem Modell koennen dann fuer gegebene Standorte mit den dortigen meteorologischen Daten Haeufigkeitsstatistiken der obigen Groessen berechnet und damit die Abschaetzung der Ermittlungen vorgenommen werden. Ferner kann der Unterschied der Ermittlungen bei verschiedenen Kuehlturmtypen (nass, hybrid, trocken) untersucht werden.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1788: Study of Earth system dynamics with a constellation of potential field missions, Auswirkungen des geomagnetischen Feldes auf die vertikale Kopplung durch Schwerewellen in der Thermosphäre/Ionosphäre

Schwerewellen (GW) stellen nicht nur den zentralen Kopplungsmechanismus zwischen der unteren Atmosphäre und dem Thermosphäre/Ionosphäre (TI) System dar, sondern haben auch einen wichtigen Einfluss auf das Erdklima. Ein Großteil der Schwerewellen hat ihren Ursprung in der Troposphäre. Durch ihre vertikale Ausbreitung übertragen sie Energie und Impuls zwischen den verschiedenen atmosphärischen Schichten. Ionenreibung und molekulare Viskosität sind die wichtigsten Dissipationsmechanismen der Schwerewellen in der TI. Magnetfeldschwankungen verändern die Brechungseigenschaften der Atmosphäre (großräumige Temperatur und Windfelder) und modulieren damit die Ionenreibung. Das Primärziel dieses Projektes ist die Erforschung und Quantifizierung der Einwirkungen der Magnetfeldvariationen auf die Ausbreitung und Wirkungsmechanismen der Schwerewellen, die aus der unteren Atmosphäre stammen, und die daraus resultierende dynamische Rückkopplung. Vor allem soll untersucht werden, ob Schwerewellen eine Verbindung zwischen dem Trend der Magnetfeldschwächung und der beobachteten starken Abkühlung der Thermosphäre herstellen können. Die Studie soll mit dem Coupled Middle Atmosphere Thermosphere-2 (CMAT2) genannten allgemeinen Zirkulationsmodell durchgeführt werden. Ein wichtiger Teil von CMAT2 ist die von uns entwickelte und implementierte state-of-the-art spektrale, nichtlineare GW Parametrisierung. Die Ergebnisse neuer numerischer Simulationen mit CMAT2 sollen mit schon vorhandenen und zukünftigen Beobachtungen, z.B. der SWARM Satelliten verglichen werden. Wir erwarten neben Fortschritten im fundamentalen Verständnis der Schwerewellenkopplung auch zu Verbesserungen von Weltraumwettervorhersagen beitragen zu können.

Zyklon APEX - Entstaubung von Gasströmen (FWF P14739-TEC)

Nachdem in der Vergangenheit der Oberteil des Zyklons rund um den Einlauf und das Tauchrohr eingehend untersucht wurden, ist derzeit die Gestalt des Feststoffaustrags (Apex) Gegenstand der Forschungen. Diese wird entlang zweier Linien betrieben. In der ersten Linie werden experimentelle Untersuchungen mit der am Institut befindlichen Versuchsanlage durchgeführt. Dabei wird dem Luftstrom (bis zu 1000m3/h) eine genau definierte Staubmenge zudosiert und so sehr niedrig bis sehr hoch beladene Zweiphasenströmungen erzeugt. Gemessen wird der - unter den gegebenen Randbedingungen - erzielte Gesamtabscheidegrad und der dazu nötige Druckverlust. Zudem stehen LDA- und PDA- Systeme zur Geschwindigkeits- und Partikelgrößenbestimmung an verschiedenen Orten innerhalb des Zyklons zur Verfügung. Die Messergebnisse mit den verschiedenen gestalteten Feststoffausträgen hilft uns die Abscheidung im unteren Teil des Zyklons besser zu verstehen. In der zweiten Linie werden numerische Simulationen der Strömung (CFD) und der Partikelbewegung im Zyklon durchgeführt. Die Simulationsergebnisse der Strömungsberechnungen stimmen mit den LDA- Messungen sehr gut überein. Zurzeit wird die 2-Phasenströmungen im Zyklon unter Berücksichtigung von Partikel-Lift-Forces, Partikel-Partikel-Kollisionen und Wandrauhigkeit simuliert. Einige Ergebnisse des Forschungsvorhabens (z.B. Fallrohr) werden bereits erfolgreich in der Industrie angewandt.

Forschergruppe (FOR) 1525: INUIT - Ice Nuclei research UnIT, Umfassende Prozessuntersuchungen zur heterogenen Eisnukleation: von einzelnen Wolkentropfen zu Wolkensimulationen

Verlässliche Vorhersagen von Wetter und Klimawandel erfordern ein gutes Verständnis der Eisbildung in troposphärischen Wolken. Von besonderer Bedeutung ist dabei die sogenannte heterogene Eisnukleation durch atmosphärische Aerosolpartikel. Das hier beantragte Projekt beinhaltet eine umfassende Untersuchung der heterogenen Eisnukleation in Zirruswolken und Mischphasenwolken, gemeinsam mit 8 weiteren Projekten der Forschergruppe INUIT. Eisbildung durch Kontaktgefrieren wird für einzelne Tröpfchen in einem elektrodynamischen Levitator (Paulfalle) untersucht. Experimente zum Einfluss von Aerosolen auf Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und Depositionsnukleation werden in der AIDA-Wolkenkammer und einer neuen dynamischen Wolkenkammer durchgeführt, falls diese wie geplant bis Anfang 2016 zur Verfügung stehen wird. Hauptziele und Arbeitspakete des Projekts sind (a) Untersuchungen zum Immersionsgefrieren, Kontaktgefrieren und zur Depositionsnukleation von INUIT-2 Referenzaerosolen in enger Zusammenarbeit mit allen anderen lNUlT-2-Partnern, (b) AIDA-Wolkensimulationsexperimente mit redispergierten atmosphärischen Aerosolen die auf Filtern gesammelt wurden (in Zusammenarbeit mit RP8), (c) AIDA-Experimente mit porösen Partikeln zur Untersuchung des Einflusses von Kapillarkondensation und Prä-aktivierung auf Eisnukleationsprozesse, (d) EDB-Experimente zur Kontaktnukleation mit atmosphärisch relevanten und komplexen Aerosolen, (e) Untersuchungen zu den grundlegenden Mechanismen des Kontaktgefrierens, (f) die Entwicklung einer umfassenden und einheitlichen Parametrisierung heterogener Eisnukleation in enger Zusammenarbeit mit RP3 und RP5, (g) erste Experimente zur Kontaktnukleation in einer neuen Wolkenkammer unter Nutzung der Expertise aus langjährigen Experimenten zum Kontaktgefrieren und mit der Wolkensimulationskammer, (h) die Durchführung von zwei AIDA-Messkampagnen, eine nur für die INUIT-2- Partner und eine mit internationaler Beteiligung, bei denen Labormethoden und Feld Instrumente für die Messung von Aerosolen und eisbildenden Partikeln getestet und miteinander verglichen werden um hohe internationale Standards in der Eisnukleationsforschung zu entwickeln und zu erhalten. Die Aktivitäten an der AIDA-Wolkenkammer bieten auch eine gute Verknüpfung der Labor-, Feld und Modellieraktivitäten innerhalb der Forschergruppe INUIT und mit externen Partnern. In Ergänzung der laufenden INUIT-Arbeiten möchten wir in weiteren drei Jahren der Forschergruppe folgende neue Schwerpunkte setzen: die Eisnukleationseigenschaften von porösen Partikeln, Immersionsgefrieren und Depositionsnukleation von größenselektierten Partikeln mit Durchmessern bis zu einigen Mikrometern, die Quantifizierung von Kontaktgefrierraten von atmosphärisch relevanten komplexen Aerosolpartikeln, und erste Wolkenkammerexperimente zum Kontaktgefrieren. Außerdem werden wir die Erstellung und Pflege einer neuen Datenbank für Laborergebnisse zur heterogenen Eisnukleation unterstützen.

Projektionen der Grundwasserneubildung in Deutschland bis zum Jahr 2100 (Datensatz)

Im Rahmen des Projektes WADKlim wurden mit mGROWA Projektionen auf Basis der Ergebnisse der Klimaprojektionen R26-E12-RCA, R85-CA2-CLM und R85-MI5-CLM für die Zeit von 1971 bis 2100 durchgeführt. Neben vielen anderen Größen liefern diese Projektionen auch Zeitreihen der Grundwasserneubildung (GWNB) in hoher räumlicher Auflösung. Im WADKlim Bericht werden diese Zeitreihen kurz andiskutiert und im Hinblick auf die Ausprägung zukünftiger Minimumdekaden der GWNB untersucht (siehe Kap. 2.3.10). Das Ziel der Auswertung im Projekt war es, flächendeckend für ganz Deutschland die Dekaden zu identifizieren, in denen die mittlere jährliche GWNB in den Projektionen ein Minimum erreicht. Die in den Minimumdekaden erreichte GWNB kann dann in Bezug zur jeweiligen historischen Referenzperiode 1971-2000 gesetzt werden. Es liegen teilweise verkürzte Zeitreihen bis 2095 für das Globalmodell MOHC-HadGEM2-ES vor. Das liegt daran, dass diese Modellrechnung bis zum hydrologischen Jahr 2099 lief und einige Zeitreihen innerhalb der Bias-Korrektur des Niederschlags im Rahmen von ReKliEs-De nochmals auf 2095 gekürzt wurden. Die Daten wurden durch das Forschungszentrum Jülich erstellt und bereitgestellt. Weitere Details werden im Begleitdokument beschrieben.

Starkregen T=100a Dinslaken

Die Daten zur Starkregensimulation der Stadt Dinslaken beschreiben mögliche überflutete Bereiche im Stadtgebiet durch Starkregenereignisse zu unterschiedlichen Wiederkehrzeiten unterteilt nach Wassertiefen. Bei der Starkregenkarte T=100a im Bereich von Dinslaken, handelt es sich um Simulationsergebnisse, in denen ein außergewöhnliches Starkregenereignis mit einer Niederschlagshöhe von 46mm innerhalb von 60 Minuten nach Euler Typ II aufzeigt wird, welches statistisch gesehen nur alle 100 Jahre auftritt. Von Starkregen spricht man wenn, innerhalb kürzester Zeit, große Niederschlagsmengen fallen. Zudem kann langanhaltender Dauerregen, ebenfalls als Starkregen definiert werden.

Hochaufgelöste numerische Untersuchungen des Turbulenzeffektes auf die Struktur von nächtlichen Strahlungsnebeln

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.

Untersuchungen zum Mechanismus der pflanzlichen Stickstoffversorgung in der Ektomykorrhizasymbiose

Der Stoffaustausch zwischen Pilz und Pflanze stellt eine Hauptfunktion der Ektomykorrhizasymbiose dar. Wie er ermöglicht und kontrolliert wird soll im Rahmen dieses Projekts am Beispiel des Stickstoffs untersucht werden. Für den Pilz ergibt sich in der Symbiose die Notwendigkeit, die jeweilige Umgebung zu unterscheiden, da beispielsweise Aminosäuren von den Bodenhyphen aufgenommen und dann von den Hyphen des Hartigschen Netzes an die Pflanze abgegeben werden. Beide Hyhentypen unterscheiden sich in ihrem Stickstoffversorgungsstatus. Während dieser für Bodenhyphen niedrig ist, ist er in den Hyphen des symbiontischen Organs hoch, wie von uns anhand der Expression eines stickstoffabhängig regulierten Aminosäuretransportergens gezeigt wurde. In dem vorgeschlagenen Projekt soll daher unsere Hypothese, dass der durch Glutamin regulierte Stickstoffstatus der Hyphen ein wichtiges Element zur Steuerung der Aminosäureaufnahme bzw. -Abgabe in Ektomykorrhizapilzen ist, überprüft werden. Dazu soll die Glutaminsynthetase von Amanita muscaria mittels Antisense-RNA Technik inaktiviert werden, um so in den Hyphen des Pilz/Pflanze-Interfaces einen Stickstoffmangel zu simulieren. Anschließend soll die Auswirkung dieser Mutation auf die Stickstoffversorgung mykorrhizierter Pflanzen untersucht werden.

Messung und Modellierung der aeroakustischen Schallmechanismen bei Ventilatoren

Der von den Ventilatoren abgestrahlte Schall setzt sich im allgemeinen aus diskreten und breitbandigen Anteilen zusammen. Gegenwaertig erfolgt meist eine Abschaetzung des Breitbandschalls auf der Grundlage empirischer oder halbempirischer Beziehungen aus typischen Kenngroessen des Ventilators (u.a. geometrischen, kinematischen, aerodynamischen) und einer maschinenspezifischen Konstante. Die maschinenspezifische Konstante muss experimentell ermittelt werden. Eine durchgaengige Berechnung des Laerms von Ventilatoren, d.h. eine Berechnung der tatsaechlichen Quellen aus den Stromfeldgroessen, ist bislang nicht moeglich. Sie waere deshalb von Vorteil, weil die Kenntnis empirischer Maschinenkonstanten entfiele und eine Optimierung der zu erwartenden Schallabstrahlung bereits in der aerodynamischen Entwurfsphase eines Ventilators moeglich wuerde. Ziel des Projekts ist, die akustischen Quellen mit elementaren Groessen der Stroemung im Laufrad eines Ventilators zu korrelieren. Hierzu werden experimentelle und numerische Methoden wie instationaere Druck- und Geschwindigkeitsmessungen, numerische Stroemungssimulation, Korrelationstechnik usw. eingesetzt.

Simulationsexperimente zur Ermittlung der oekonomischen Wirkungen umweltpolitischer Massnahmen

Das im Forschungsprojekt 'Verbesserung der Moeglichkeiten zur empirischen Ermittlung der gesamtwirtschaftlichen Auswirkungen von Umweltschutzaufwendungen' erstellte Modell wird fuer alternative Simulationsexperimente benutzt (Experimente im Zusammenhang mit Erhoehung von Umweltschutzinvestitionen im privaten und im staatlichen Bereich, Veraenderungen der technischen Bedingungen durch Umweltschutzmassnahmen, im Rahmen der Europaeischen Union diskutierte wirtschaftspolitische Massnahmen im Zusammenhang mit Umweltschutz, etc.).

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