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Hochaufgelöste Messungen von Turbulenz, Wolkenmikrophysik, und Strahlungsabkühlungsraten in der Einmischungszwischenschicht von marinen Stratocumulus-Wolken

Obwohl bisher schon viele Fortschritte im allgemeinen Verständnis von Mischungs- und Strahlungsprozessen in Stratocumulus (Sc) gemacht wurden, verursachen wolkenbedingte Rückkopplungseffekte von Sc Wolken erhebliche Unsicherheiten in Klimaprojektionen. Diese Probleme werden teilweise verursacht durch eine unrealistische Beschreibung der feinskaligen Mischungsprozesse, die hauptsächlich am Oberrand der Wolken stattfinden. Die Strahlungs-Abkühlung am Wolkenoberrand ist eng mit dynamischen und turbulenten Wolkenprozessen verbunden. Abkühlung am Oberrand der Wolken verursacht ein Absinken. Diese Vertikalbewegungen bedingen Turbulenz wodurch trockene und warme Umgebungsluft in die Wolke eingemischt wird, wodurch sich die damit verbundene Verdunstungsabkühlung erhöht. Zur Untersuchung dieser Vorgänge schlagen wir folgende wesentlichen Projektziele vor: (a) die Verbesserung des Verständnisses der feinskaligen Struktur der Einmischungsinversionszwischenschicht (entrainment interface layer, EIL), (b) die Quantifizierung des Einflusses der EIL auf die Einmischung trockener und warmer Umgebungsluft in Sc Wolken, (c) die Bewertung der Rolle von Strahlungserwärmungs- und Abkühlungsraten bei Einmischungsprozessen in Sc Wolken. Um diese Ziele erreichen zu können, werden Beobachtungen vorgeschlagen mit den zwei kombinierten, hubschraubergetragenen Messsystemen ACTOS (Airborne Cloud Turbulence Observation System) und SMART--HELIOS (Spectral Modular Airborne Radiation measurement sysTem). Die Messungen finden auf den Azoren statt. Beide Messsysteme werden durch einen langsamfliegenden Hubschrauber getragen. Das kombinierte Messsysteme-Paket ermöglicht in-situ Messungen von dynamischen, thermodynamischen, Wolken-mikrophysikalischen, und Strahlungsparametern mit hoher örtlicher Auflösung (überwiegend im cm-Bereich). Kein anderes Messsystem weltweit erreicht diese hohe Auflösung, die allerdings unabdingbar ist für die Erreichung der Projektziele ist. Dies trifft insbesondere auf die Vermessung der Vorgänge in der EIL zu, welche meist eine vertikale Dicke von nur 10 m aufweist.

Experimentelle Arbeiten zur Untersuchung der Stroemungs- und turbulenten Austauschvorgaenge in der unteren Troposphaere

Untersuchung klimabestimmender Prozesse und der turbulenten Ausbreitung von Luftverunreinigungen im mesoskaligen Bereich mit Hilfe von langfristigen Beobachtungen und kuerzeren Messkampagnen. Die Messergebnisse dienen der Parametrisierung und Verifikation von Modellrechnungen. Dabei werden u.a. mit Fernmessverfahren meteorologische Vorgaenge untersucht, die fuer das mesoskalige Klima von Bedeutung sind; Landoberflaechenprozesse werden mit Energie- und Feuchtebilanzstationen erfasst. Es werden ferner Transport und turbulente Ausbreitung von Luftverunreinigungen verfolgt, Turbulenzstrukturen erfasst und analysiert und der Einfluss der Gelaendeoberflaeche beobachtet. Dazu dienen Messungen mit bodengebundenen Turbulenz-Messsystemen, der Einsatz von Tretoons, eines Doppler-Sodars, sowie die Wetterdaten einer Reihe von Bodenstationen.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt A03: Einfluss von tiefen Wolken auf die arktische atmosphärische Grenzschichtturbulenz und -Strahlung

Vertikalprofile von Strahlungsenergie- und Turbulenzenergieflüssen sowie Impulserhaltung werden untersucht durch (i) Verwendung vorheriger Schiffs- und Flugzeugkampagnen, und (ii) durch die Analyse neuer Messungen von zwei geplanten Flugzeugkampagnen über dem Arktischen Ozean. Die beiden neuen Kampagnen beziehen die AWI Forschungsflugzeuge Polar 5 & 6 ein um die vertikalen Flussprofile als Funktion von Wolken- und Meereisbedeckung unter verschiedenen synoptischen Bedingungen zu messen. Die Flugzeugbeobachtungen sind für Mai/Juni 2017 und März 2019 geplant und decken somit Zeiträume starker (Spätwinter) und schwacher (Frühsommer) arktischer Verstärkung ab.

Ökologische Durchgängigkeit, Erzeugung von Aufstiegskorridoren im Unterwasser von Querbauwerken an Bundeswasserstraßen

Im Rahmen des Projekts wird die Auswirkung verschiedener Dotationswassermengen auf die Ausbildung einer signifikanten Leitströmung und somit geeigneten Aufstiegskorridoren von FAA im Unterwasser von Querbauwerken untersucht. Die mit den Strömungsmustern verbundenen hydraulischen Parameter (Geschwindigkeitsgradienten, Turbulenz) werden für unterschiedliche geometrisch-hydraulische Konstellationen (Einstiegsdimensionen, Fließgeschwindigkeiten, Dotationswassermengen) untersucht und mit den Fischbewegungen im Nahbereich der Einstiege verschnitten. Aus den Ergebnissen können die für die Erzeugung von signifikanten Leitströmung und Aufstiegskorridoren optimalen Dotationswassermengen entwickelt werden.

Entwicklung flacher Sedimentfallen

Nachdem gezeigt worden ist, das man im bewegten Wasser von Flachseen, Kanaelen, Altwaessern und Totzonen mit zylindrischen Sedimentfallen keine realistischen Sedimentationsraten messen kann, ging es darum, Alternativen zu entwickeln und die Bereiche anzugeben, in denen man mit den traditionellen Zylinderfallen noch weiterhin gute Ergebnisse zu erwarten hat. Letzteres wurde mit Hilfe eines mathematischen Modells getan, das das Wechselspiel von Partikelnettoproduktion, turbulenter Vermischung und Sedimentation beschreibt. Es zeigte sich, dass die Zylinderfalle in tiefen Gewaessern unterhalb der trophogenen Zone und dort, wo die Partikel nur geringe kohaesive Eigenschaften besitzen, einsetzbar sind. Da sich organisches Material auch kohaesiv verhaelt, sind voellig fehlerlose Messergebnisse nur in speziellen Faellen zu erwarten. Um den Mangel an geeigneten Messgeraeten insbesondere fuer Flachseen und Fluesse zu beseitigen, wurde das Messprinzip der Tellerfallen entwickelt. Es wurde eine Konzeption ausgebaut, die ab 1996 im Rahmen eines BMBF-Projektes zu Geraeten mit neuen Moeglichkeiten fuehren soll.

Föhnstudien im Rheintal in Österreich während MAP

Im Rahmen des 'Mesoscale Alpine Programme' (MAP), einer internationalen kooperativen Forschungsinitiative zahlreicher Institutionen europäischen und außereuropäischer Länder zum Studium intensiver Wettervorgänge im Alpenraum, ist die Erforschung des Föhns als ein Schwerpunkt festgelegt worden. Das Alpenrheintal von seinem Ursprung an den Pässen des Alpenhauptkamms bis zum Bodensee, einschließlich der Seitentäler, wurde von den internationalen MAP Gremien zum Zielgebiet ausgewählt. Diese Region wird in einer gemeinsamen Aktion im kommenden Jahr von einem dichten Beobachtungsnetz überzogen um den Atmosphärenzustand während interessanter meteorologischer Situationen zu erfassen. Der vorliegende Forschungsantrag soll einer der österreichischen Beiträge zu dieser internationalen Initiative werden. Er ist so angelegt, dass er einerseits die Messungen der zahlreichen anderen Forschergruppen durch zusätzliche Messungen ergänzt, anderseits werden eigene Forschungsziele verfolgt. Die entsprechenden Fragestellungen sollen dann anhand des gemeinsamen MAP Datensatzes studiert werden. Das vorliegende Projekt verfolgt zwei Hauptziele, nämlich (1) die Erfassung der kleinskaligen räumlich zeitlichen Variabilität und des Lebenszyklus von Föhnepisoden in Bodennähe, und (2) die Beobachtung der Struktur der Föhnströmung in der unteren und mittleren Troposphäre, wobei vor allem auf die Wechselwirkung zwischen den Strömungsprozessen in Tälern verschiedener Länge, Breite und Richtung eingegangen werden soll. Als weiteres Ziel ist die Qualitäts-Evaluierung der erhobenen Messdaten zu nennen, die mittels eines ausgeklügelten Verfahrens durchgeführt werden soll, welches in der jüngsten Zeit von den Antragstellern entwickelt wurde. Die qualitätsgeprüften Messungen sollen schließlich dem internationalen MAP Datenzentrum für die weitere Bearbeitung zur Verfügung gestellt werden, von wo die Antragsteller dann als Gegenleistung auch die Beobachtungsdaten der anderen beteiligten Forschergruppen beziehen können. Das Alpenrheingebiet wurde deshalb als Zielgebiet ausgewählt, weil dort klimatologisch eine der höchsten Wahrscheinlichkeiten für Föhn im Alpenraum vorliegt und die Länder Österreich, Schweiz und Deutschland betroffen sind. Außer an wenigen langjährigen Klimastationen ist bisher wenig über die kleinräumige Struktur von Föhn in dem von den Antragstellern ausgewählten Gebiet bekannt, nämlich dem Walgau von Bludenz bis Feldkirch und dem Brandner Tal, südlich von Bludenz. Eine bessere Kenntnis und vor allem eine besser Vorhersage von Föhn in diesem Gebiet ist von großem praktischem Wert, da immer wieder Schäden durch Föhn (z. B. Sturmschäden) auftreten und plötzlich und unerwartet auftretende Windböen und Turbulenz eine beträchtliche Gefahr für die Luftfahrt, insbesondere für motorlose Fluggeräte darstellt. usw.

CO2 Mofetten - Überwachung natürlicher CO2 Emissionen unter Verwendung eines Netzwerks aus low-cost Sensoren

Im beantragten Forschungsvorhaben wird der natürliche Austritt von Kohlenstoffdioxid (CO2) aus Mofetten im Eyachtal zwischen Horb und Rottenburg untersucht. CO2 kann sich in der bodennahen Atmosphäre ansammeln und in entsprechender Konzentration für Mensch und Tier gefährlich werden. Die im Eyachtal austretenden Mengen wurden bislang nicht zuverlässig quantifiziert. Darüber hinaus ist CO2 ein Treibhausgas und steht im Zusammenhang mit dem weltweiten Klimawandel. Ähnliche und auch größere Quellgebiete existieren an verschiedenen Orten der Welt. Der quantitative Einfluss dieser natürlichen geologischen Gasquellen auf den Gashaushalt der Erde ist unbekannt, da auch die Menge des ausströmenden CO2 nicht bekannt ist.Ziel des Vorhabens ist die Überwachung der natürlichen CO2 Austrittsquellen sowie der umgebenden Atmosphäre im Eyachtal. Die Messdaten dienen der Bilanzierung der Austrittsmengen sowie die Ermittlung der horizontalen und vertikalen Flüsse im Versuchsgebiet. Hierbei wird auch die zeitliche Veränderung dieser Austritte erfasst.Zu diesem Zweck soll ein mikro-meteorologisches Messsystem (Eddy-Covariance Station) in Kombination mit einem verteilten Netzwerk aus vielen kostengünstigen CO2 Sensoren installiert werden. Ein solches Netzwerk kann die inhomogene Verteilung der Austritte sowohl zeitlich als auch räumlich erfassen. Die Verwendung von kostengünstigen Sensoren erlaubt den Betrieb einer größeren Anzahl von Sensoren und damit verbunden eine größere räumliche Abdeckung.In den letzten Jahren hat die Arbeitsgruppe Umweltphysik der Universität Tübingen eine neue Methode entwickelt, CO2 mit günstigen Sensoren in Bodennähe zu messen. Ein Nachteil der kostengünstigen Sensoren liegt in der (im Vergleich zu hochwertigen Sensoren) geringeren absoluten Messgenauigkeit. Die EC Station dient daher als Referenz, um die erreichbare Genauigkeit und Langzeitstabilität des Sensornetzes zu bewerten, die günstigen Sensoren zu kalibrieren und den turbulenten Transport des CO2 zumindest an einer Stelle direkt zu messen. Für ein vollständiges Netzwerk müssen die CO2 Sensoren noch mit geeigneten Feuchte- und Temperatursensoren ergänzt werden. Die entsprechende Hardware muss beschafft und schrittweise aufgebaut werden.Im Projekt soll ein Netzwerk aus z.B. 64 Sensoren aufgebaut werden, das die räumliche und zeitliche Verteilung des CO2 im Untersuchungsgebiet experimentell bestimmt. Die Beschaffung der Geräte ist bereits von der Alfred-Teufel Stiftung finanziert. Die Messungen werden über eine Datenbank mit Internet Schnittstelle auch der wissenschaftlichen Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt.Das Vorhaben gliedert sich in zwei Projektphasen von je drei Jahren Dauer, beantragt wird die erste Phase. In der 2. Phase ist die numerische Simulation der CO2 Ausbreitung und die Übertragung der Methode auf andere Regionen vorgesehen.

Instabilitaet, Struktur der Turbulenz und Schallerzeugung in runden Freistrahlen

Zweck: Herabsetzung des Freistrahllaerms.

Vertikale Verteilung von Wolkenkondensationskernen in marinen und kontinentalen Luftmassen in Europa und ihre Verbindung zur Wolkentropfenanzahlkonzentration in warmen Wolken

Die Anzahl der verfügbaren Wolkenkondensationskerne (CCN) beeinflusst maßgeblich die mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften, wie z.B. die Wolkentropfenanzahlkonzentration (CDNC) und deren Größenverteilung. CDNC und die Tropfengröße steuern sowohl die Strahlungseigenschaften als auch die Lebensdauer von Wolken. Dies wirkt sich komplex auf die Energiebilanz der Erde aus. Aktuelle Klimamodelle basieren häufig auf Annahmen über CCN Anzahlkonzentrationen und andere CCN bezogene Eigenschaften (z.B. Hygroskopizität), da für viele Regionen auf der Erde repräsentative Daten fehlen. Wenn vorhanden, handelt es sich bei diesen CCN Daten um bodengebundene Messungen, welche somit nicht - mit Ausnahme von Bergstationen - in der für Wolkenbildungsprozesse relevanten Höhe durchgeführt wurden. Für die Karibikregion wurde gezeigt, dass die bodengebundenen CCN Messungen für die gesamte marine Grenzschicht repräsentativ zu sein scheinen also auch für die Wolkenbildungsregionen. Im hier vorgeschlagenen Projekt wollen wir überprüfen, ob bodengebundene CCN Messungen auch in anderen Erdregionen repräsentativ sind für die CCN Anzahl in der Wolkenbildungsregion, und wenn ja, unter welchen Bedingungen. Dies würde die Anwendung von CCN Daten in Modellen stark vereinfachen. Dazu wird die Gültigkeit der Beobachtungen in der Karibik, in zwei gegensätzlichen Umgebungen getestet werden, einmal in einer marinen und einmal in einer kontinentalen Umgebung. Die Messkampagne zu marinen CCN soll auf den Azoren (Portugal) durchgeführt werden. Wir werden kontinuierlich verfügbare CCN Daten von der Azoren Eastern Nordatlantik (ENA) Station auf der Insel La Graciosa (auf Meereshöhe) mit Daten von der Bergstation Pico (Pico Island, 2225 m ü.d.M.) kombinieren. Ergänzend werden CCN und CDNC Messungen auf der Helikopter-Messplattform (ACTOS) durchgeführt, um die vertikale Lücke zwischen den Meeresspiegel- und Bergmessungen zu schließen. Die kontinentalen bodengebundenen CCN Messungen werden kontinuierlich an der ACTRIS Station Melpitz durchgeführt. Die vertikale CCN und CDNC Verteilung wird in Melpitz mit Hilfe eines Ballons in mehreren einwöchigen Kampagnen einmal pro Jahreszeit gemessen werden. Darüber hinaus werden wir mit Hilfe der Aerosol-Wolken-Wechselwirkungsmetrik (ACI) die in der Wolke in-situ gemessen CCN Eigenschaften (das heißt Anzahl und Hygroskopizität) mit den CDNC quantitativ verbinden. Es wird außerdem eine Sensitivitätsstudie mit einem Cloud-Parcel Model durchgeführt, welches durch die realen Messungen in der Atmosphäre angetrieben werden wird. Dies wird einen Einblick in das Übersättigungsregime von frisch gebildeten Wolken gewähren.Die CCN Daten selbst, die Erkenntnisse zu CCN Eigenschaften und ihrer vertikalen Verteilung sowie die quantitative Verbindung zwischen CCN und CDNC werden im Hinblick auf das Verständnis und die Modellierung der Wolkentropfenaktivierung sowie der mikrophysikalischen Wolkeneigenschaften von außerordentlichem Wert sein.

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.

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