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Zeitliche Variabilität von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der zeitlichen Variabilität in der Energie von internen Wellen und der Stärke von vertikaler Vermischung in Abhängigkeit des Nordatlantikstroms und dem damit verbundenen Wirbelfeld. Hierfür werden 5-6 Jahre von Strömungsmesserdaten und Temperatur/Leitfähigkeitsmessungen von drei Verankerungen entlang eines Schnittes westlich des Mittelatlantischen Rückens (MAR) sowie LADCP/CTD Daten von fünf Schifffahrten genutzt. Konkrete wissenschaftliche Ziele dabei sind:- Erstellung von Zeitserien der Energie in internen Wellen unter Benutzung der Verankerungszeitreihen von Strömung und Schichtung- Untersuchung der Zeitskalen auf denen Veränderungen in der Energie interner Wellen stattfinden. Mögliche Ursachen für Variabilität sind der Windeintrag, Position des Nordatlantikstroms und Wirbel- Identifizierung von Prozessen, welche die beobachteten internen Wellen generieren, wie z.B. Gezeiten, Stürme, Jahresgang, Wirbel, die Arme des Nordatlanikstroms (Verhältnis von lokalen zu großräumigen Erzeugungsmechanismen)- Bestimmung der Vermischungsraten (Temperaturinversionen, Thorpe Skalen, Feinstrukturparameterisierung) in Abhängigkeit der variablen Hintergrundbedingungen Hierfür werden zunächst Spektren potentieller und kinetischer Energy der internen Wellen auf ihre Abhängigkeit von veränderlichen Hintergrundbedingungen wie z.B. Wind, Gezeiten, Wirbel, Schichtung und Variabilität im Nordatlantikstrom sowieso des Einflusses der Topographie untersucht. Die instrumentelle Ausstattung der Verankerungen seit Sommer 2012 erlaubt zusätzlich die Approximation der internen Wellen durch vertikale Moden und damit verbunden die Berechnung von Energieflüssen, welche wichtige Informationen über die Menge und die Variabilität in der Energie, die in internen Wellen im Nordatlantik transportiert wird, liefern. Außerdem geben diese so gewonnenen Energieflüsse in Kombination mit der Berechnung von Ausbreitungspfaden von internen Wellen, welche am mittelatlantischen Rücken erzeugt wurden, Aufschluss über die relative Bedeutung der Topographie des MAR für die Erzeugung von internen Wellen. Beginnend vom Sommer 2015 werden die Analysen erweitert, indem Temperatur- und Druckdaten mit hoher Tiefenauflösung für die Berechnung von Thorpe Skalen und Dissipationsraten und deren zeitlichen Variabilität genutzt werden. Weitere Informationen über die zeitliche und räumliche Variabilität der Vermischungsraten im Nordatlantik werden durch die Analyse von Diffusionsraten, die anhand von LADCP/CTD Daten und einer Feinstrukturparameterisierung berechnet werden, erlangt. Dies liefert weitere Aufschlüsse über die dominanten Prozesse in der Erzeugung von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik, sowie deren zeitlicher und räumlicher Variabilität.

Trajectories of roach downstream of a vertical slot under low- and high-fluctuating flow

This dataset contains fish trajectory data recorded downstream of a single vertical slot in a true to scale hydraulic flume. The dataset was generated for a spatio-temporal analysis of jet approach, jet entry, exposure time, and swimming velocities of fish under two hydraulic conditions, a low-fluctuating flow (LFF) and a high-fluctuating flow (HFF) representative of vertical-slot fishway hydraulics. Fish positions were obtained from synchronized video recordings using a semi-automatic tracking workflow. The dataset is provided as two separate files, one for LFF and one for HFF. Each file contains two-dimensional fish trajectory data (x–y positions) of juvenile roach (Rutilus rutilus; mean length = 0.13 m) recorded with a framerate of 19 Hz in a restricted area downstream of the vertical slot.

Vorwärtstrajektorie (Klimaanalyse)

Vorwärtstrajektorien der regionalen Kaltluftströmungssysteme. Die Daten sind Teil der landesweiten Planungshinweiskarte und zeigen gemeinsam mit den regionalen Kaltluftströmungssystemen die Bedeutung der überregionalen Betrachtung von Kaltluft. Die Trajektorien beschreiben den Pfad bestimmter kühler Luftpakete im Laufe der modellierten Nacht vom Entstehungsort bis hin zum Siedlungsraum.

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.

INSEL - Inland Navigation Service Library

Der Webservice INSEL ist eine webbasierte Anwendung zur Bereitstellung hochwertiger Fachdaten sowie spezialisierter Algorithmen für die Binnenschifffahrt. Die Plattform wird seit 2021 im Rahmen mehrerer Forschungsprojekte entwickelt. Ziel von INSEL ist es, Infrastruktur-, Gewässer- und Verkehrsdaten zentral verfügbar zu machen und ergänzend fachliche Dienste zur Datenverarbeitung bereitzustellen. Damit soll die Digitalisierung und Automatisierung in der Binnenschifffahrt gezielt unterstützt werden. Der Dienst richtet sich an Forschungspartner, Entwickler datengetriebener Anwendungen und an die interessierte Öffentlichkeit. INSEL stellt seine Daten und Dienste über eine standardisierte REST-API zur Verfügung. Anwendungen können dabei automatisiert auf aufbereitete Fachdaten und Dienste zugreifen. Derzeit stehen die folgenden Dienste zur Verfügung: Stationierung, Rückstationierung, RIVER-ETA (Regression based Intelligent Vessel ETA Refinement), Routenplanung und Strömungsinterpolation. Über eine integrierte Swagger-UI lassen sich die API-Endpunkte direkt auf der Webseite interaktiv erkunden und ausprobieren. Ergänzend dazu bietet die Webseite eine Dokumentation und weiterführende Hilfestellungen. Mit diesem Ansatz schafft INSEL die Grundlage für innovative Anwendungen, etwa im Bereich der intelligenten Routenplanung, der adaptiven Fahrverhaltenssteuerung oder der Integration (teil-)autonomer Technologien in der Binnenschifffahrt. Der Webservice ist modular, erweiterbar und serviceorientiert konzipiert. Bei der Entwicklung stehen Wartbarkeit, Betriebssicherheit sowie ein stabiler und leistungsfähiger Einsatz im Vordergrund. Der Zugang zu INSEL ist grundsätzlich öffentlich. Aktuell erfolgt die Freischaltung noch per E-Mail-Anfrage, perspektivisch soll der Dienst jedoch ohne Registrierung nutzbar sein. Derzeit werden weitere Modelle, insbesondere für Prognosen, entwickelt. Zudem sollen in Zukunft zusätzliche Infrastrukturdaten wie Verkehrszeichen, Verbotszonen und Brückendurchfahrtshöhen über den Webservice abrufbar sein.

WarmWorld - Modul 1 Better, Teilprojekt 2: Wissenschaftliche Koordination und Modelltests und -tuning

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.

Integriertes und an Raum-Zeit-Messungsskalen angepasstes Global Random Walk - Modell für reaktiven Transport im Grundwasser

Zur Lösung von Fluss- und reaktiven Transportgleichungen in heterogenen Grundwassersystemen werden neue Global Random Walk (GRW) Algorithmen entwickelt und implementiert, die stabil und frei von numerischer Diffusion sind. Um das Auftreten von Interpolationsfehlern zu vermeiden, wird ein integriertes GRW-Lösungsverfahren entwickelt, das Geschwindigkeiten und Konzentrationen auf dem selben regulären Gitter berechnet. Wir nutzen grobkörnige (engl. Coarse grained) (CG) Mittelwerte in Raum und Zeit über die Trajektorien der berechneten Partikel, die die Konzentrationen der reaktiven chemischen Spezies in den GRWSimulationen beschreiben. Diese werden genutzt, um eine kontinuierliche Beschreibung der Transportprozesse zu erhalten. Nachdem die Mittelungsprozedur die Variation der simulierten Konzentrationen reduziert, genügt eine relativ kleine Anzahl von Monte Carlo - Simulationen, um die statistischen Kennzahlen zu gewinnen, und gleichzeitig der Auswirkung der Raum-Zeit-Skalen der hydrologischen Beobachtungen Rechnung zu tragen. Des weiteren können lokale Bilanzgleichungen für die CG Raum-Zeit-Mittel genutzt werden, um die hochskalierten Diffusionskoeffizienten und Reaktionsterme zu berechnen.

Kombinierte Untersuchung von Feinstaub und Mobilität, Teilvorhaben: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt

Weiterentwicklung des Vorfelderkundungssystems für die TRIPLE-Schmelzsonde zur Navigation und zur Detektion des Eis-Wasser-Übergangs zu subglazialen Flüssigkeitsreservoirs, Teilvorhaben: Kurzpuls Power Amplifilter

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