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Sonderforschungsbereich (SFB) 990: Ökologische und sozioökonomische Funktionen tropischer Tieflandregenwald-Transformationssysteme (Sumatra, Indonesien), Teilprojekt C07: Einflussfaktoren von Landnutzungswandel und sozioökonomische Auswirkungen für ländliche Haushalte

Ziel dieses Projekts ist es, die Einflussfaktoren und sozioökonomischen Auswirkungen aktueller Landnutzungsänderungen in Jambi besser zu verstehen. Aufbauend auf Befragungen auf der Haushalts- und Dorfebene in der ersten Phase werden Paneldatensätze entwickelt und mit ökonometrischen Methoden analysiert. Landnutzungsmuster werden erklärt und Effekte auf Einkommen, Ernährung und soziale Ungleichheit geschätzt. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk auf Heterogenität von Effekten und die Rolle lokaler Institutionen. Die in C07 gesammelten Dorf- und Haushaltsdaten werden auch von anderen Projekten für Analysen verwendet.

Schicksal und Auswirkungen von anthropogenen Verbindungen in der Umwelt

Mit den Projekten 'Ausbreitung und Abbau von xenobiotischen Verbindungen im Grundwasser' und 'Diffusionsraten von Schadstoffen durch Zellmembranen' werden die Wechselwirkungen zwischen organischen Verunreinigungssubstanzen und Mikroorganismen untersucht. Neben diesen chemisch-biologisch ausgerichteten Arbeiten sollen auch die Aktivitaeten auf dem Gebiet der Modellierung verstaerkt werden. Es ist vorgesehen, ein Paket von mathematischen Modellen zu entwickeln, um das Verhalten von xenobiotischen Verbindungen in der aquatischen Umwelt zu beschreiben. Im Gegensatz zu dem von der amerikanischen EPA entwickelten Model EXAMS sollen die 'EAWAG'-Modelle moeglichst einfach und transparent gestaltet und zuerst fuer einzelne Untersysteme (See, Fluss, Grundwasserleiter, ev. Klaeranlage) konstruiert werden. Als Ausgangspunkt dient das bereits funktionierende Modell CHEMSE fuer die Beschreibung reaktiver Spezies in Seen.

Systemanalyse und Visualisierung regionaler Auswirkungen

Ziel des Projektes ist die partizipative Entwicklung eines web-basierten Dashboards für die Wärmewende, mit dem die Auswirkungen verschiedener Transformationspfade für die Wärmewende flächenaufgelöst in nutzerfreundlicher Form dargestellt werden. Das Forschungsvorhaben unterstützt damit die Verbreitung von technischen, regulatorischen, organisatorischen und (sozio-)ökonomischen Entwicklungen im Bereich der Wärmewende, indem durch die Bereitstellung von Daten und Analysen die Auswirkungen der Entwicklungspfade für relevante Akteure der Wärmewende sichtbar gemacht werden. In engem Austausch mit Akteuren der Wärmewende wird ein Modellierungs- und Visualisierungsrahmen geschaffen, der die Auswirkungen auf die zentralen Infrastrukturen, die planerischen Notwendigkeiten sowie die sozio-ökonomischen Folgewirkungen regional und lokal differenziert betrachtet. In den Szenarien werden verschiedene Ausbaupfade der Technologien sowie verschiedene sozio-ökonomische und weitere Rahmenbedingungen betrachtet. Das Dashboard wird auf einer Webplattform mit interaktiven Karten und weiteren Grafiken zur Verfügung gestellt. Um eine breite Nutzung der Ergebnisse zu ermöglichen, werden die Szenarien sowie das Dashboard in enger Kooperation mit zentralen Akteuren der Wärmewende entwickelt. Die Zusammenarbeit erfolgt über einen Projektbeirat, in dem verschiedene Akteure vertreten sind. Die Hauptziele des Öko-Instituts sind: - Entwicklung einer interaktiven Webplattform, in der die Auswirkungen verschiedener Transformationspfade für die Wärmewende in Form von Grafiken und GIS-basierten Karten für ein breites Feld an Akteuren im Kontext der Wärmewende sichtbar gemacht werden. - Analyse und Aufbereitung von flächenaufgelösten Daten, die für die Wärmewende relevant sind. Die Daten werden als open data zur Verfügung gestellt. - Die quantitative und modellgestützte flächenaufgelöste Analyse der Entwicklung des Wärmesektors in Deutschland als Teil der Entwicklung des gesamten Energiesystems

Divergente Bedingungen bei der Modellierung des Hintergrund-Fehlers in der globalen atmosphärischen Datenassimilation

Bei der Datenassimilation für die numerische Wettervorhersage (NWP) wird die Kurzfristvorhersage (genannt als Hintergrund) durch die neuesten Beobachtungen korrigiert, um erste Bedingungen (Analyse) für die nächste Vorhersage zu schaffen. In diesem Prozess müssen die räumlichen Eigenschaften der Vorhersagefehler modelliert werden, damit sich die Auswirkungen der Beobachtungen physikalisch optimal ausbreiten. Die Reduzierung von Vorhersagefehlern auf synoptischen Skalen in mittleren Breiten, wo die Divergenz eine Größenordnung kleiner ist als die relative Vorticity, wurde erfolgreich mit Hilfe der quasi-geostrophischen Theorie modelliert. Auf diese Weise können Temperaturbeobachtungen Hintergrundfehler im Windfeld korrigieren und umgekehrt. Die Analyseunsicherheiten und kurzfristigen Vorhersagefehler in globalen NWP-Systemen sind jedoch in den Tropen am größten, wo die Divergenz mit der Vorticity vergleichbar oder sogar größer ist. Tropische Analyseunsicherheiten können einen dominierenden Einfluss auf die Genauigkeit der mittel- und weiträumigen Vorhersage in den mittleren Breiten haben. Es wird hier argumentiert, dass die Verringerung der Analyseunsicherheiten in den Tropen ein entscheidender Schritt ist, der erforderlich ist, um das Spektrum nützlicher Vorhersagen in globalen NWP-Modellen zu erweitern. Ziel dieses Projekts ist es, eine neue Randbedingung für die Hintergrundfehlermodelle bei der Datenassimilation zu entwickeln, die Divergenz-dominierte Beziehungen zwischen den tropischen Temperatur- und Windvariablen über viele Skalen hinweg berücksichtigen. Die vorgeschlagene Randbedingung verwendet die Masse-Wind-Beziehungen, die tropische Schwerewellen beschreiben. Es hat sich gezeigt, dass diese Randbedingung viel versprechend für die Verbesserung tropischer Analysen ist. Dieses Projekt wird diese Ideen auf die globale Atmosphäre ausdehnen, indem es 1) einen neuen Datenassimilierungsrahmen entwickelt, der die tropischen und mittleren Breiten Aspekte der atmosphärischen Dynamik miteinander verbindet, 2) die strömungsabhängigen Hintergrundfehlerinformationen aus den Ensemble-Vorhersagen verwendet und 3) das Potential verbesserter tropischer Analysen auf Extratropen abschätzt.

Flächendeckende Erfassung von Diversitätskriterien zur ökologischen Bewertung von Waldgebieten unter Nutzung räumlicher Informationstechnologien und Fernerkundungsdaten

Ziel dieser Arbeit ist es, ein Verfahren zu entwickeln, welches eine quantitative Erfassung von Diversitätskriterien auf großer Fläche erlaubt. Die Erhaltung der Wälder und ihr Schutz vor Überbenutzung sind von globaler Bedeutung. Auf der Rio-Konferenz der Vereinten Nationen über Umwelt und Entwicklung 1992 war dies ein wichtiger Themenbereich (s. auch 1993 sog. Helsinki-Prozess ). 1994 wurden in Genf sechs Kriterien und 27 Indikatoren politisch verbindlich beschlossen. Erhaltung, Schutz und angemessene Verbesserung der biologischen Diversität in Forstökosystemen stellt eines dieser Kriterien dar. Eine Operationalisierung dieses Indikators ist in unterschiedlicher Form möglich. In vorliegender Arbeit sollen Informationen aus 2-D und 3-D Fernerkundungsdaten (inklusive flugzeuggetragener Daten, wie Luftbild oder Laserscannerdaten) abgeleitet werden. Die Informationen aus Fernerkundungsdaten sollen im Rahmen eines GIS um Karteninformationen und terrestrische Daten ergänzt werden. Aus der flächendeckend vorliegenden 2-D und 3-D Information werden Maßzahlen und Indizes berechnet, die Nachbarschaftsbeziehungen, räumliche Muster und Vielfalt innerhalb und zwischen den ökologischen Bezugseinheiten (alpha und beta-Diversität) sowie des Gesamtlandschaftsausschnittes (gamma-Diversität) quantitativ beschreiben. Die hergeleiteten Diversitätswerte und Diversitätindizes sollen dabei in Bezug zur terrestrischen Ansprache gesetzt werden. Die Nutzbarkeit des entwickelten Modells für die Bewertung von Lebensräumen soll schließlich anhand einer sehr gut untersuchten Zielart überprüft werden. Es ist zu erwarten, dass mit Nutzung der genannten Informationstechnologien eine mehr quantitative Erfassung der Diversitätskriterien, bei höherer Effizienz möglich sein wird. Die Bewertung von Lebensräumen kann damit transparenter und besser nachvollziehbar werden. Des weiteren erlaubt das methodische Vorgehen eine flächige Charakterisierung von Lebensräumen, wie sie für system-analytische Ansätze und die Modellierung von räumlichen und zeitlichen Prozessen notwendig.

Der Einfluss von Strömung auf Methanproduktion und -oxidation in aquatischen Sedimenten.

Binnengewässer sind ein wichtiger Bestandteil des globalen Kohlenstoffkreislaufs und vor allem Emissionen des Treibhausgases Methan (CH4) aus Gewässern sind von zunehmendem globalen Interesse. Jüngste wissenschaftliche Untersuchungen zielen darauf ab, das prozessbasierte Verständnis der räumlichen und zeitlichen Dynamik der CH4-Emissionen aus Gewässern und ihrer treibenden Faktoren zu verbessern. Prognosen dazu, wie sich Methanemissionen aus Gewässern durch anthropogenen Einflüsse oder durch den Klimawandel bedingt verändern, sind auf Basis bisheriger Modelle nicht zuverlässig möglich. Viele der Faktoren, welche die Raten der Methanproduktion, -Oxidation und Emission in aquatischen Sedimenten beeinflussen, stehen in direkter oder indirekter Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit. Die Strömungsabhängigkeit der Methanproduktion und Methanemissionen von aquatischen Ökosystemen wurde jedoch bisher nicht explizit untersucht. In diesem Projekt werden wir neuartige experimentelle Mesokosmensysteme einsetzen, um die Strömungsabhängigkeit dieser Prozesse in einer Reihe von gezielten Laborexperimenten zu untersuchen. Der experimentelle Aufbau simuliert die Bedingungen, denen aquatische Sedimente in einem hydraulischen Gradienten von schnell fließenden (lotischen) hin zu schwach strömenden (lentischen) Systemen ausgesetzt sind. Solche Übergänge treten beispielsweise entlang von Längsgradienten in Flussstauhaltungen auf. Unsere Experimente zielen darauf ab, den Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit auf diejenigen Prozesse zu untersuchen, die zur Bilanz von Methan im Sediment und an der Sediment-Wasser-Grenzfläche beitragen. Die Ergebnisse werden wir in ein prozessbasiertes Modell implementieren, welches neben relevanten biogeochemischen Parametern auch die Strömungsgeschwindigkeit als explizite Randbedingung berücksichtigt. Mit dem validierten Modell werden wir die Relevanz der Strömungsgeschwindigkeit für die Emissionen von Methan aus unterschiedlichen Gewässern mit Hilfe eines systemanalytischen Ansatzes untersuchen.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes, Teilvorhaben: Qualitätsorientierte Steuerung von Brunnengalerien

In zahlreichen Forschungsprojekten wurden bereits Energieverbräuche und Energieeinsparpotentiale in den Bereichen Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung über separate Systemanalysen untersucht. Nur wenige Forschungsprojekte, wie z.B.das BMBF-geförderte ENERWA-Vorhaben, haben durch die gekoppelte Betrachtung der genannten Bereiche einen ganzheitlichen energetischen Betrachtungsansatz der wasserwirtschaftlichen Wertschöpfungskette erarbeitet. Aber auch diese Ansätze haben bei der energetischen Betrachtung die Wasserressource ausgegrenzt. Ein wichtiger Grund für das Fehlen solcher integrativer Betriebsstrategien ist, dass die Entwicklung innovativer Ansätze mit einem hohen Personalaufwand und finanziellen Risiko verbunden ist, welche im Betrieb durch die Wasserunternehmen nicht geleistet werden kann. Optimierungsmaßnahmen orientieren sich deshalb gemeinhin ausschließlich an den allgemein anerkannten Regeln der Technik und können nur selten darüber hinaus erprobt werden. Das vorliegende Vorhaben zielt daher darauf ab, diese Lücke bestehender Optimierungsansätze zu schließen, indem es intelligente, praxisorientierte Analysewerkzeuge zur integrierten qualitäts- und energieoptimierten Steuerung von Brunnengalerien für Anlagenbetreiber entwickelt. Hierbei kommen innovative Analysemethoden aus den Bereichen Big Data und KI zur Anwendung, um die bereits in der Praxis angewendete Methoden zur energetischen Optimierung von Pump- und Verteilungssystemen in der Wassergewinnung und die durch Grundwasserdargebot und -qualität vorgegebenen Limitierungen bzw. Optimierungspotentiale zu verbinden. Aufbauend auf den praktischen Erkenntnissen wird eine fachlich anerkannte Optimierungsmethodik, bestehend aus praxisorientierten Leitfäden und Tools, entwickelt, welche die wasserwirtschaftliche Nutzung von Einzelbrunnen und Brunnengalerien fokussiert und somit Wasserversorgungsunternehmen und Industriebetriebe mit eigener Wassergewinnung adressiert.

Integration von Qualitätsparametern bei der Energieoptimierung von Wassergewinnungen - Entwicklung eines ganzheitlichen Optimierungsansatzes, Teilvorhaben: Praktische Anwendung der erarbeiteten Optimierungsansätze

In zahlreichen Forschungsprojekten wurden bereits Energieverbräuche und Energieeinsparpotentiale in den Bereichen Wassergewinnung, -aufbereitung und -verteilung über separate Systemanalysen untersucht. Nur wenige Forschungsprojekte, wie z.B.das BMBF-geförderte ENERWA-Vorhaben, haben durch die gekoppelte Betrachtung der genannten Bereiche einen ganzheitlichen energetischen Betrachtungsansatz der wasserwirtschaftlichen Wertschöpfungskette erarbeitet. Aber auch diese Ansätze haben bei der energetischen Betrachtung die Wasserressource ausgegrenzt. Ein wichtiger Grund für das Fehlen solcher integrativer Betriebsstrategien ist, dass die Entwicklung innovativer Ansätze mit einem hohen Personalaufwand und finanziellen Risiko verbunden ist, welche im Betrieb durch die Wasserunternehmen nicht geleistet werden kann. Optimierungsmaßnahmen orientieren sich deshalb gemeinhin ausschließlich an den allgemein anerkannten Regeln der Technik und können nur selten darüber hinaus erprobt werden. Das vorliegende Vorhaben zielt daher darauf ab, diese Lücke bestehender Optimierungsansätze zu schließen, indem es intelligente, praxisorientierte Analysewerkzeuge zur integrierten qualitäts- und energieoptimierten Steuerung von Brunnengalerien für Anlagenbetreiber entwickelt. Hierbei kommen innovative Analysemethoden aus den Bereichen Big Data und KI zur Anwendung, um die bereits in der Praxis angewendete Methoden zur energetischen Optimierung von Pump- und Verteilungssystemen in der Wassergewinnung und die durch Grundwasserdargebot und -qualität vorgegebenen Limitierungen bzw. Optimierungspotentiale zu verbinden. Aufbauend auf den praktischen Erkenntnissen wird eine fachlich anerkannte Optimierungsmethodik, bestehend aus praxisorientierten Leitfäden und Tools, entwickelt, welche die wasserwirtschaftliche Nutzung von Einzelbrunnen und Brunnengalerien fokussiert und somit Wasserversorgungsunternehmen und Industriebetriebe mit eigener Wassergewinnung adressiert.

Regionales Energiemodell Muenchen

Entwicklung alternativer Strategien im Energieverbrauchssektor durch alternative technologische Ausstattungen der Abnehmergruppen (z.B. Haushalte, Verkehr). Entwicklung alternativer Strategien im Energieerzeugungssektor durch alternative technologische Ausstattungen der Erzeuger (z.B. Ausstattung des Kraftwerkparks zur Elektrizitaets- und Fernwaermeerzeugung). Auswertung jeder Alternativstrategie durch modellmaessige Ermittlung der folgenden Konsequenzen: a) gesamte Verbrauchskosten der Deckung des Energiebedarfs, b) gesamte Emissionsbelastung der Stadtregion Muenchen durch Energieerzeugung und -verbrauch, getrennt nach Schadstoffe, Abwaerme u.a.

Oekonomische Theorie der Nutzung natuerlicher Ressourcen

Die Forschung entwickelt die Grundlagen fuer die oekonomische Theorie der Nutzungsstrategien fuer natuerliche Ressourcen weiter. Hier stehen vor allem zwei Schwerpunkte an: Uebergang von nicht-erneuerbaren auf quasi-unerschoepfliche Ressourcen (Bsp fossile Energietraeger auf Solarsysteme) und Nutzung von regenerierbaren natuerlichen Ressourcen mit komplexen oekologischen Interpendenzen in 2-Species-Systemen. Innerhalb dieses inhaltlichen Schwerpunktes werden mathematische Methoden und Modellierungen weiter entwickelt: Beispielsweise finden Seminare und eigene Entwicklungen zu Modellierung mit GAMS (Meta-Sprache fuer komplexe Systemanalysen) am Lehrstuhl statt. Als drittes ergibt sich ein Schwerpunkt bezueglich der Anwendungen auf umweltoekonomische Probleme, da Umweltqualitaet zumindest teilweise als regenerierbare natuerliche Ressource modelliert werden kann.

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