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Gruppenlayer: Klimaanalyse 2026 - Karte regional bedeutsamer Klimafunktionen

Klimatologische Prozesse und Zusammenhänge können in ihrer räumlichen und funktionalen Ausprägung eine regionale Bedeutsamkeit aufweisen. Die Berücksichtigung besonders bedeutsamer Klimafunktionen (bzw. -funktionsstörungen) kann über den Bereich der kommunalen Planung hinausgehen und eine regionalplanerische Steuerung erforderlich machen. Ein Beispiel hierfür sind Kaltluftleitbahnen, die eine große Bedeutung für die Belüftung von Siedlungsbereichen einer Gemeinde haben, deren Entstehungsgebiete oder Transportstrecken jedoch außerhalb der betroffenen Gemeinde liegen. Ziel der Karte regional bedeutsamer Klimafunktionen ist es, überörtliche Klimafunktionen zu identifizieren und sie gegenüber lokal wirksamen Strukturen abzugrenzen. Dabei ist die große Menge an Detailinformationen aus der Modellierung und den Karten der Klimaanalyse NRW 2026 zu komprimieren, um wesentliche Strukturen für die Ebene der regionalen Planung nutzbar zu machen. Die Karte regional bedeutsamer Klimafunktionen umfasst folgende Inhalte: Gemeinden mit regional bedeutsamer Wärmebelastung in der Nacht Gemeinden mit regional bedeutsamer Wärmebelastung am Tag Kaltluftversorgung von Gemeinden mit regional bedeutsamer Wärmebelastung in der Nacht Regionale Kaltluftsysteme mit den dazugehörigen Einzugsgebieten und Kaltluftentstehungsgebieten Regional bedeutsame Ausgleichsräume am Tag Für die Abgrenzung von Gemeinden mit einer regional bedeutsamen Wärmebelastung in der Nacht muss einerseits eine besonders hohe thermische Belastung im Gemeindegebiet vorliegen, zum anderen wird die Anzahl der hiervon betroffenen Personen der Bevölkerung in der jeweiligen Gemeinde als Kriterium berücksichtigt. Eine besonders hohe thermische Belastung liegt dann vor, wenn Siedlungsflächen einer Gemeinde in der Planungshinweiskarte dem „dringenden Handlungsbedarf“ zugeordnet sind. Eine hohe Betroffenheit der Bevölkerung besteht, wenn besonders viele Menschen in diesen Bereichen mit „dringendem Handlungsbedarf“ wohnen. Als Grenzwert wird hier eine Anzahl von mindestens 25 000 Personen in einer Gemeinde angesetzt. Wie bei der Nachtsituation erfolgt auch die Abgrenzung von Gemeinden mit einer regional bedeutsamen Wärmebelastung am Tag über eine besonders hohe thermische Belastung sowie eine hohe Betroffenheit der Bevölkerung in der jeweiligen Gemeinde. Grundlage für die Bewertung der thermischen Belastung ist die Klimaanalysekarte Tag. Betrachtet werden alle Siedlungsflächen einer Gemeinde, die am „typischen Sommertag“ mindestens eine „starke Wärmebelastung“ zeigen (PET > 35 °C) und zudem am „extremen Sommertag“ eine „extrem starke Wärmebelastung“ (PET > 41 °C) aufweisen. Eine hohe Betroffenheit der Bevölkerung liegt in einer Gemeinde dann vor, wenn mindestens 25 000 Menschen in diesen Bereichen wohnen. Für die Identifizierung regionaler Kaltluftsysteme wurden nächtliche Kaltluftprozesse mit Hilfe von Trajektorien modelliert. Eine Trajektorie ist hier definiert als Bahnkurve eines sich bewegenden „Luftpartikels“ oder „Luftpaketes“. Die Trajektorie verbindet alle von diesem Luftpaket in einem gewissen Zeitraum überströmten Orte. Durch die Berechnung sogenannter Vorwärtstrajektorien lässt sich – ausgehend von ihrem Ursprungsort – das Ziel einzelner Luftpakete bestimmen. Die analysierten Vorwärtstrajektorien geben an, wohin sich ein Luftpaket bewegt. Sie zeichnen den Weg der sich im Laufe der Nacht dynamisch verändernden Horizontalströmung in 20 m über Grund nach. Im Ergebnis wurden linienhafte Zugbahnen der Trajektorien mit einer spezifischen Länge identifiziert. Anschließend wurden die Trajektorien zu regionalen Kaltluftsystemen zusammengefasst. Die regionalen Kaltluftsysteme, die auf Gemeinden mit regional bedeutsamer Wärmebelastung in der Nacht ausgerichtet sind, werden in der Karte in Blautönen dargestellt. Alle anderen Kaltluftsysteme, die nicht mit einer regional bedeutsamen Wärmebelastung verknüpft sind, werden in grau dargestellt. Die Karte enthält des Weiteren Informationen über die Kaltluftversorgung der Bevölkerung in den Gemeinden mit einer regional bedeutsamen nächtlichen Wärmebelastung. Dies ermöglicht weitere Rückschlüsse auf das Ausmaß der thermischen Belastung in der Nacht. Dargestellt sind Gemeinden, bei denen weniger als 40 % der Bevölkerung mit Kaltluft versorgt werden. Zudem sind größere zusammenhängende Grünflächen im Freiraum dargestellt, die vergleichsweise günstige thermische Bedingungen am Tag aufweisen. Diese Bereiche können während besonders starker Hitzebelastungen für die Bevölkerung als Ausgleichsräume fungieren. Die regional bedeutsamen Ausgleichsräume am Tag sind mindestens 2 km2 groß, liegen maximal 10 km entfernt von Gemeinden mit regional bedeutsamer Wärmebelastung am Tag und weisen in der Klimaanalysekarte Tag sowohl für den „typischen Sommertag“ als auch den „extremen Sommertag“ höchstens eine „moderate Wärmebelastung“ (PET < 35 °C) auf.

Polarregionen im Wandel 1: SQUEEZE - Schutz der schwindenden Arktischen Tundra - Potential, Planung und Kommunikation, Leitantrag; Vorhaben: Ökologische Modellierung und Proxydaten-Analyse, Kommunikation mit Stakeholdern und indigenen Rechte-Inhabern

Zirkulation und Klimavariabilität im tropischen Indischen Ozean

Im Projekt 'Circulation and Climate of the Indian Ocean' (CICIO) wird beantragt, die Zirkulation des westlichen Südindischen Ozeans mit profilierenden Tiefendriftern (Typ APEX) zu untersuchen, die auf flachen Trajektorien (200 m und 400 m) mit den Wassermassen mittreiben und alle 10 Tage Profile von Temperatur und Salzgehalt bis 2000 m messen und über Satelliten (ARGOS) absetzen. ... Die Arbeiten haben folgende Zielsetzungen: - Verbesserte Kenntnis der mittleren Zirkulation; Verfolgung des durch die Indonesischen Passagen eindringenden Pazifik-Wassers sowie des in der Südhemisphäre im Winter bei Abkühlung in die Sprungschicht eingetragenen (subduzierten) Wassers mit dem Südäquatorialstrom nach Westen, anteilige Aufspaltung in Somalistrom bzw. Verlassen des subtropischen Indischen Ozeans nach Süden und damit auch ein Beitrag zur Bestimmung der Ankopplung des Indischen Ozeans an das Weltmeer. - Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Sprungschichtvariabilität im Auftrieb in der Auftriebszone bei 5-10 Grad S und deren Relevanz für die atmosphärische Variabilität. Diese Zone nimmt nach neuen Erkenntnissen eine Schlüsselrolle für die Niederschlagsvariabilität über Ostafrika ein. - Beitrag zu ARGO: Das Vorhaben soll auch ein deutscher Beitrag zum internationalen Programm ARGO ('Array for Real-time Geostrophic Oceanography') sein, mit dem in den kommenden drei Jahren derartige Floats alle Ozeane (mit einer geplanten Gesamtzahl von ca. 3000) abdecken sollen, um die Rolle des Ozeans für Klimaschwankungen besser verstehen zu können. Die Auswertung der Beobachtungen wird großteils in internationaler Absprache mit anderen ARGO-Gruppen des Indischen Ozeans (besonders USA und Frankreich) erfolgen.

Steuergrößen von Wasserqualität und ihrer Dynamik in Einzugsgebieten: Eine Deutschland-weite Analyse mit daten-getriebenen Modellen

Eine sichere Wasserversorgung ist eines der Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen in der Agenda 2030. In Mitteleuropa und Deutschland sind hohe Nährstoffeinträge in Grund- und Oberflächenwässer und schließlich auch in die marinen Systeme nach wie vor einem Problem für aquatische Ökosysteme und die Sicherung der Wasserversorgung. Auf der räumlichen Skala von Flusseinzugsgebieten interagieren dabei eine Vielzahl von Eintragspfaden und Prozessen, die ein mechanistisches Verständnis und klare Ursache-Wirkungs-Beziehungen erschweren. In den letzten Dekaden wurden große Anstrengungen unternommen, Kläranlage zu ertüchtigen und damit Einträge von Phosphor und Stickstoff deutlich zu reduzieren. Andererseits sind diffuse Einträge aus der Landwirtschaft immer noch bedeutend und aufgrund der langen Transportzeiten von der Quelle zur Vorflut schwer zu managen. Es ist momentan schwer abzuschätzen, wie schnell sich Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffüberschüssen in der Landwirtschaft auf die Wasserqualität und ihre zeitlich-räumliche Variabilität in der Vorflut auswirken. In diesem Antrag wird ein einzigartiger Datensatz von Wasserqualität und -quantität über ganz Deutschland hinweg verwendet und einer systematischen Daten-getriebenen Analyse unterzogen. Der Datensatz basiert auf dem langjährigen Monitoring von Wasserqualität der einzelnen Bundesländer und wurde vom UFZ zusammengestellt. In der Analyse dieser Daten werden Muster in der Konzentrationsvariabilität aber auch den Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss verwendet, um Rückschlüsse auf dominante Prozesse und Eintragspfade im Einzugsgebiet zu schließen. Die Arbeit ist dabei auf drei Ziele fokussiert: (a) Die Klassifikation der Einzugsgebiete hinsichtlich ihres Nährstoff-Exportregimes für Daten ab dem Jahr 2010. (b) Die zeitliche Entwicklung der Stickstoff:Phosphor-Stöchiometrie für längere Zeitreihen im Wechselspiel von Punkt- und diffusen Quellen. (c) Die Langzeit-Trajektorien des Nährstoffexports aus Einzugsgebieten und einer möglichen Entwicklung zu chemostatischen Verhältnissen mit geringer Konzentrationsvariabilität aufgrund flächiger landwirtschaftlicher Einträge. Dabei ermöglichen innovative daten-getriebene Methoden und der einzigartige Datensatz einen neuen Blick auf die Steuergrößen von Nährstoffexporten im mitteleuropäischen anthropogen überprägten Landschaftsbild. Die Ergebnisse ebnen zum einen den Weg für komplexitätsreduzierte Wasserqualitäts-Modelle auf der Skala von Einzugsgebieten. Zum anderen haben die Ergebnisse Relevanz für weitere Fachgebiete, wie der aquatischen Ökologie und des Umweltmanagements.

Zum Verständnis der Entstehung und Trajektorien von großem Hagel (LIFT)

Derzeitige radar-basierte Nowcastingverfahren basieren auf der Annahme, dass die zeitliche Entwicklung von Hagelereignissen in erster Linie durch Advektionsvorgänge gesteuert ist; die relevanten physikalischen Prozesse, die für die Entstehung und das Größenwachstum von Hagel entscheidend sind, bleiben dabei unberücksichtigt. In Verbindung mit der komplexen internen Struktur und Dynamik von Hagelstürmen ergeben sich daraus große Unsicherheiten bei der Vorhersage der Hagelgrößenverteilung und der von Hagel betroffenen Fläche am Boden. Das Ziel des Projekts LIFT (Large Hail Formation and Trajectories) ist es, die Hagelentstehung und Hageltrajektorien besser zu verstehen, um daraus als wichtige Komponenten eines physikalisch-basierten Nowcastings erstmals ein radar-basiertes Verfahren für das Hagelwachstums zu entwickeln. Zu diesem Zweck wird im Rahmen von LIFT eine Messkampagne Süddeutschland durchgeführt, wo die größte Hagelwahrscheinlichkeit in Deutschland auf vielfältige Beobachtungssysteme trifft, die im Rahmen der Messkampagne Swabian MOSES mit einem dichten Netzwerk betrieben werden. Zum ersten Mal werden im Rahmen von LIFT moderne Radargeräte, In-situ Messgeräte, Fotogrammetrie und numerische Modellierung synergistisch kombiniert und ein umfassender Datensatz zur Rekonstruktion der zeitlichen Entwicklung des Hagelwachstums erstellt. Betroffene Bürger werden aktiv in die Messaktivitäten mit einbezogen und aufgerufen, Hagelkörnern einschließlich ihrer Haupteigenschaften in die WarnWetter App des DWD zu melden. Die Messkampagne mit ihrem mobilen und flexiblen Konzept beinhaltet die Anwendung neuer, innovativer Messtechniken, darunter Lagrangesche Trajektorien mittels kleiner Messsysteme, die in die Wolken eingebracht werden, und dronengesteuerte Luftbildaufnahmen zur Bestimmung der Hagelspektren. Aus Fernerkundungsdaten gewonnene Signaturen von Hagelereignissen liefern Informationen über die Charakteristika der Hagelereignisse und werden mittels numerischer Simulationen sorgfältig auf Messungenauigkeiten und Sensitivitäten bzgl. atmosphärischer Umgebungsvariablen evaluiert. Indikatoren für die Hagelentstehung und das Hagelwachstum werden aus Beobachtungsdaten und Simulationen identifiziert, und liefern die Grundlage für ein beobachtungs-basiertes Hagelwachstumsmodell. Schließlich wird dieses Multi-Parameter Hagelwachstumsmodell mit den bestimmten Hageltrajektorien und Schmelzprozessen kombiniert, um zu bestimmen, welche Prozesse am wichtigsten sind für das Nowcasting von Hagel. Das Projekt LIFT liefert damit einen wichtigen Betrag für zukünftige radar-basierte Hagelwarnsysteme mit einer verbesserten Vorhersagezeit und Vorhersagequalität.

Teilchenbasierte Simulation der Staubemission

Ziel dieses Projektes ist es, ein teilchenbasiertes numerisches Modell für die Simulation der Staubemission im Rahmen des äolischen Sandtransports zu entwickeln. Die Quantifizierung dieser Emission ist für die zuverlässige Repräsentation des Staubzykluses in Klimamodellen wesentlich, da die Aufnahme von Staubpartikeln in die Atmosphäre hauptsächlich durch den Beschuss des Sedimentbettes mit Sandpartikeln verursacht wird. Um den vertikalen Fluss emittierter Staubteilchen als Funktion der Boden- und Windbedingungen vorherzusagen, wurden verschiedene empirische Staubparametrisierungsschemata erarbeitet. Die Physik interpartikulärer Wechselwirkungen ist jedoch durch weitgehend unverstandene stochastische Kräfte gekennzeichnet, was die Entwicklung eines zuverlässigen theoretischen Staubemissionsmodells erschwert. Deshalb soll im vorliegenden Projekt ein numerisches Simulationswerkzeug, welches numerische Strömungsmechanik mit einem auf der Diskrete-Elemente-Methode basierenden Modell für granulare Dynamik koppelt, entwickelt werden, um die Trajektorien äolischer Sand- sowie emittierter Staubpartikel zu berechnen. Dabei werden die Trajektorien aller Teilchen in Luft und im Sedimentbett aus der Wirkung der Schwerkraft sowie interpartikulärer bzw. Teilchen-Wind-Wechselwirkungen berechnet, sodass auf die Annahme einer Splash-Funktion verzichtet wird. Zunächst soll ein physikalisches Modell für die interpartikulären Wechselwirkungen --- welche sowohl Kontakt- als auch van-der-Waals-Kräfte einbeziehen --- unter Berücksichtigung deren stochastischer Natur entwickelt werden. Um die Parameter dieses Modells zu bestimmen, werden Windkanalmessungen von Staubemissionsraten aus einem Sedimentbett unter gegebenen Partikelgrößenverteilungen und Windgeschwindigkeiten mit Vorhersagen der Simulationen verglichen. Daraufhin soll die Staubemission unter verschiedenen Verfügbarkeitsbedingungen mobilisierbarer Sedimente untersucht werden. Dies ist wichtig, um ein Parametrisierungsschema für die Staubemission aus schwer erodierbaren Böden (z.B. Böden mit biogener Kruste) aufstellen zu können.

Weiterentwicklung des Vorfelderkundungssystems für die TRIPLE-Schmelzsonde zur Navigation und zur Detektion des Eis-Wasser-Übergangs zu subglazialen Flüssigkeitsreservoirs, Teilvorhaben: Weiterentwicklung der sonarbasierten Vorfelderkundung für die TRIPLE-Schmelzsonde

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Mischungsprozesse in der Stratosphäre von kleinen zu globalen Skalen mit einem schnellen hochpräzisen QCL Spektrometer für N2O und CO auf HALO

Im Rahmen dieses Antrags werden neuartige hochaufgelöste Spurengasmessungen genutzt, um Mischungsprozesse auf verschiedenen Skalen zu untersuchen um:1)den Effekt der Tropopauseninversionsschicht auf Mischung und Austausch zu untersuchen 2) um den Zerfall von Filamenten zu untersuchen, die aus dem Monsumsystem stammen 3) um den Anteil von Luftmassen aus verschiedenen Quellregion zu quantifizieren, die die extratropische obere Troposphäre/ untere Stratosphäre (ExUTLS) beeinflussen. Zu diesem Zweck schlagen wir vor, der HALO Nutzlast ein neues Messinstrument hinzuzufügen. Dabei handelt es sich um ein Quantenkaskadenlaserabsorptionsspektrometer, das in der Lage ist, simultan CO und N2O mit einer Genauigkeit von 0.1 ppbv/Hz zu messen bei einer Messfrequenz von 3 Hz. Die hohe Präzision der Messungen erlaubt es, Mischungsprozesse mit beispielloser Genauigkeit zu vermessen und Mischung zwischen Luftmassen innerhalb der Stratosphäre zu identifizieren. Damit sollen die Mischungsprozesse, die beim Zerfall von monsunbeeinflussten Filamenten zu einem Spurenstoffaustauch innerhalb der Stratosphäre führen, untersucht werden. Neben den kleinskaligen Prozessen werden auch die großräumigen Verteilungen der Spurenstoffe untersucht. Hierzu sollen CLaMS Trajektorien und ein CO-basierter Budgetansatz kombiniert werden, um Luftmassenanteile aus verschiedenen Ursprungsregionen, die die Zusammensetzung der ExUTLS zur Monsunzeit bestimmen, zu quantifizieren. Dieser Ansatz soll auf die HALO Messungen bei POLSTRCC angewendet werden, um ein komplementäres Bild zur Winterjahreszeit zu erhalten und die Daten in einen jahreszeitlichen Kontext zu setzen.

Schwerpunktprogramm (SPP) 1158: Antarctic Research with Comparable Investigations in Arctic Sea Ice Areas; Bereich Infrastruktur - Antarktisforschung mit vergleichenden Untersuchungen in arktischen Eisgebieten, Untersuchung zu Wolkenkondensationskeimen und eisnukleierenden Aerosolpartikeln während der Antarktis-Umrundungsexpedition (ACE)

Über dem Antarktischen Ozean findet man das am wenigsten vom Menschen beeinflusste Aerosol der Erde, aber es gibt so gut wie keine Aerosol bezogenen Messdaten aus dieser interessanten Region. Als Partner des Projekts -Study of Preindustrial-like-Aerosol Climate Effects- (SPACE) beteiligen wir uns an der beispiellosen Antarctic Circumnavigation Expedition (ACE), die uns die einmalige Gelegenheit bietet, hochwertige Aerosolmessungen in dieser abgelegenen Region durchzuführen. ACE-SPACE zielt auf eine detaillierte Charakterisierung des vorhandenen Aerosols, welches von anthropogener Verschmutzung unbeeinflusst ist und somit ein Aerosol darstellt, welches mit dem in einer vorindustriellen Atmosphäre vergleichbar ist. Im Rahmen von ACE-SPACE liegt der Schwerpunkt von TROPOS auf Aerosolpartikeln, welche an klimarelevanten Aerosol-Wolken-Wechselwirkungen beteiligt sind. Insbesondere Partikel, die als Wolkenkondensation (CCN) fungieren können, sowie Partikel, die in der Lage sind, zur Vereisung von Wolken zu führen, sind Untersuchungsgegenstand. Während der Antarktischen Umrundung werden wir 3 Monate lang kontinuierliche INP- und CCN-bezogene in-situ-Messungen an Bord des russischen Eisbrechers Akademik Tryoshnikov durchführen, ergänzt durch Aerosol Filterproben. Im Rahmen des ACE-SPACE Projekts wird TROPOS nur für die Durchführung der Messungen und die chemische Charakterisierung der Filterproben finanziert. Deshalb beantragen wir hiermit Mittel für die wissenschaftliche Auswertung, physikalische Analyse und Interpretation (hauptsächlich 1 Doktorand, 67% für drei Jahre) der gesammelten Proben und Daten.Wir werden einen einzigartigen Datensatz zu den physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wolkenkondensationskernen (CCN) und Eis nukleierenden Partikeln (INP), sowie deren Quellen, über dem Antarktischen Ozean liefern. Der Datensatz beinhaltet sowohl CCN und INP-Anzahlkonzentrationen entlang der Route der Antarktischen Umrundung (ACE), als auch quantitative Informationen bzgl. des Aktivierungsverhaltens (Hygroskopizität) und Eisnuklerationsverhaltens (z.B. Gefriertemperaturen), der gesammelten CCN und INP. Der erhobene Datensatz ist repräsentativ für ein natürliches, von menschlichen Einflüssen quasi freies, vorindustrielles Aerosol und damit ein sehr wertvoller Beitrag zur Verbesserung der Vorhersage der Klimaveränderungen in der Antarktischen Region im Besonderen, und der globalen Atmosphäre im Allgemeinen. Die gewonnenen Daten werden innerhalb des SPP offen zur Verfügung gestellt aber auch von unseren Partnern im ACE-SPACE-Projekt zur Klimamodellierung und Validierung von Satellitenretrievals genutzt.

Weiterentwicklung des Vorfelderkundungssystems für die TRIPLE-Schmelzsonde zur Navigation und zur Detektion des Eis-Wasser-Übergangs zu subglazialen Flüssigkeitsreservoirs

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