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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.

Land-Atmosphäre Feedback Analyse (LAFA)

Das Land-Atmosphäre Feedback Experiment (LAFE) kombiniert eine Vielzahl von passiven und abtastenden, aktiven Fernerkundungssystemen am Southern Great Plains (SGP)-Messstandort des US Atmospheric Radiation Measurement (ARM)-Programms. Diese Geräte erweitern die ARM-Messungen in eine Weise, dass Rückkopplungsprozesse zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre erforscht werden können. Die neuartige Synergie von Fernerkundungssystemen erfasst gleichzeitig Austauschprozesse an der Landoberfläche sowie horizontale und vertikale, turbulente Transportprozesse in der konvektiven atmosphärischen Grenzschicht (CBL). Der Einfluss der Heterogenität des Bodens und der Landbedeckung auf die Rückkopplungsprozesse wird mittels vertikaler Abtastungen untersucht. Das Experiment wird im August 2017 durchgeführt, da in diesem Zeitraum große Unterschiede zwischen den Flüssen über Feldern und unbewachsenem Boden beobachtet werden können. Insbesondere können aufgrund der hohen vertikalen und zeitlichen Auflösung dieser Gerätesynergie simultan mittlere Profile der Temperatur, der Feuchte und des Horizontalwinds, deren Gradienten, die Profile turbulenter Momente bis zur vierten Ordnung sowie fühlbare und latente Wärmeflussprofile nahe vom Boden bis zur Inversionsschicht gemessen werden. Im Rahmen dieses Land Atmosphären Feedback Analyse (LAFA)-Projekts soll der LAFE-Datensatz ausgewertet und für bestimmte Zeitperioden mit dem WRF-NOAHMP-Modellsystem um Ensemble-Simulationen in Bezug auf die Turbulenzparametrisierung bis zur Grobstruktur oder Large Eddy Simulation (LES)-Skala ergänzt werden. Basierend auf dieser Kombination von Beobachtungen und Modellsimulationen hat LAFA zwei Ziele: 1) Die Bestimmung von Profilen der turbulenten Momente der Feuchte, der Temperatur und des Vertikalwinds sowie von latenten Wärmeflussprofilen zur Erforschung neuer Ähnlichkeitsbeziehungen für Entrainmentflüsse und -varianzen. Dazu werden Zusammenhänge zwischen Flüssen, Varianzen und Gradienten untersucht. 2) Verifikation von LES und die Verbesserung von Turbulenzparametrisierungen in mesoskaligen Modellen. Dazu werden die LES direkt mit den LAFE-Daten in bisher unerreichter Detailliertheit verglichen. Die Resultate werden zeigen, unter welchen Bedingungen LES zur Analyse turbulenter Prozesse und für die Ableitung von Turbulenzparametrisierungen genutzt werden kann. Aus den Modellsimulationen auf der konvektiven Skala werden die Parameter und Variablen für die Turbulenzparametrisierung herausgezogen. Verschiedene lokale und nicht-lokale Parametrisierungen aus dem WRF-Physik-Paket werden verifiziert, spezifiziert und Verbesserungen vorgeschlagen bzw. entwickelt. Damit liefert LAFA neue Beiträge zum Prozessverständnis und zur genaueren Darstellung von Austauschprozessen und der Turbulenz in der nächsten Generation von Wettervorhersage-, Klima- und Erdsystemmodellen.

Zur stochastischen Modellierung von Turbulenz in stabilen atmosphärischen Grenzschichten

Stabil geschichtete atmosphärische Strömungen sind typischerweise durch schwache, intermittierende und anisotrope Turbulenzen, Gravitationswellen, Low-Level-Jets und Kelvin-Helmholtz-Instabilitäten gekennzeichnet. Diese Phänomene erschweren maßgeblich sowohl zuverlässige numerische Simulationen als auch Messungen stabiler Grenzschichten (SBL). Auch wird die Physik der Intermittenz von Turbulenz nicht ausreichend verstanden. Das führt unter anderem zu speziellen Problemen in der Darstellung der stabilen atmosphärischen Grenzschicht in Wetter- oder Klimamodellen. Es ist das Ziel des Projekts, das physikalische Verständnis der Intermittenz von Turbulenz unter sehr stabilen Bedingungen zu verbessern. Dazu sollen neue statistische Methoden zur Analyse von existierenden Datensätzen mit stabil geschichtetem Hintergrund nebst neuen stochastischen Parametrisierungen für die SBL entwickelt und in Wetter- oder Klimamodellen genutzt werden. Die Identifikation spezifischer physikalischer Mechanismen intermittierender Turbulenz wird durch eine Vielzahl nichtturbulenter Bewegungen in stabil geschichteten atmosphärischen Strömungen erschwert. Letztere können beispielsweise Sägezahn-Konvektionsmuster, Wellen oder Mikrofronten aufweisen. Es gibt Hinweise darauf, dass solche Bewegungen Auslöser für Intermittenz von Turbulenz sein können, jedoch fehlen Kenntnisse über die Art der Bewegungen und in welchem Ausmaß sie turbulentes Mischen beeinflussen. Einige Fallstudien deuten darauf hin, dass es ein Wechselspiel zwischen großskaligen atmosphärischen Strömungsmerkmalen (auf sogenannten Submesoskalen) und dem Einsetzen von Turbulenz gibt. Um unterschiedliche physikalische Mechanismen turbulenten Mischens zu untersuchen, werden wir mit statistischen Methoden geeignete stochastische Parametrisierungen entwickeln. Ansätze wie Hidden-Markov-Modelle und nichtstationäre, multivariate, autoregressive Faktormodelle (VARX) sollen die Interaktion zwischen niederfrequenten und turbulenten Bewegungen bestimmen. Statistische Methoden erlauben eine Datentrennung in Hinblick auf metastabile Zustände, wie etwa ruhige und turbulente Perioden in einer geschichteten Atmosphäre. Unsere spezifischen Zielsetzungen sind:1. Neuartige Anwendung meteorologischer Zeitreihenanalysetechniken auf existierende Datensätze mit dem Ziel, die Nichtstationarität der Interaktion zwischen nichtturbulenten Bewegungen und Turbulenz in der sehr stabilen Grenzschicht zu untersuchen.2. Identifikation von Interaktions-Regimen zwischen verschiedenen Bewegungsskalen nebst Charakterisierung turbulenter Transporteigenschaften in verschiedenen Regimes.3. Entwicklung stochastischer Modelle für sehr stabile intermittierende Turbulenz. Hier sollen bisherige Erkenntnisse über physikalische Abhängigkeiten der Intermittenz verwendet werden.4. Verwendung der stochastischen Modelle zur Erzeugung realistischer Einströmungen als Eingabe von Large-Eddy-Simulationen mit dem Ziel intermittierende Turbulenz zu generieren.

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.

Die gepackte Saeule in der aeroben Abwasserreinigung

Zur Reinigung von Abwaessern mit hohen organischen Schadstoffkonzentrationen werden aerobe Hochlastreaktoren eingesetzt. Dabei wird die Leistungssteigerung mit unterschiedlichen Verfahrens- und Reaktortechniken erzielt. Alle Systeme haben gemeinsam, dass bei intensiver Durchmischung mit hoher Turbulenz durch Scherkraefte grosse Phasengrenzflaechen zwischen Substrat/Sauerstoff und Bakterien/Sauerstoff erzeugt werden. Dies verbessert sowohl den Sauerstofftransport als auch den Stoffuebergang. Nach diesen Prinzipien arbeitet auch der Umlaufreaktor mit gepackter Saeule, die aus speziell geformten Keramikteilen besteht. Modelluntersuchungen mit synthetischem Abwasser zeigen, dass dieser Reaktor die Abbauleistung bekannter Hochlastreaktoren erreicht, aber weniger Energie und keine beweglichen Teile benoetigt.

Turbulenzinteraktionen in der atmosphärischen Grenzschicht: Ein skalenübergreifender Ansatz zur Aufklärung oberflächennaher Austauschprozesse

Die Atmosphäre und die Vegetation der Erdoberfläche beeinflussen sich gegenseitig durch bidirektionale Austauschprozesse. Modelle zur Wetter- und Klimavorhersage basieren auf einem mechanistischen Verständnis dieser Interaktionen. Die Vorhersagen und die grundlegenden Theorien funktionieren allerdings nur im Falle einer gut durchmischten (turbulenten) atmosphärischen Grenzschicht. Wenn jedoch stabile atmosphärische Bedingungen vorherrschen, wie typischerweise nachts der Fall, dann sind die bisherigen Theorien nicht ausreichend, um zuverlässige Vorhersagen zu treffen. Um oberflächennahe turbulente Austauschprozesse während stabiler atmosphärischer Schichtung mechanistisch zu verstehen und neue Theorien zu entwickeln, sind zunächst neuartige Mess- und Analyse-Methoden notwendig. Ziel dieses Projekts ist die Beobachtung und Charakterisierung von oberflächennahen Prozessen in der stabilen atmosphärischen Grenzschicht durch eine neuartige Kombination von Mess- und Analysemethoden. Mit einem hochauflösenden in-situ Messkubus (20x20x5m), der sich innerhalb eines größeren mittels Fernerkundung überwachten Raumes (500x500x1000m) befindet, können Bewegung und Strukturen von Temperatur gleichzeitig in Raum und Zeit erfasst werden. Dieser skalenübergreifende Ansatz erlaubt es, nicht-periodische, nicht gut gemischte und räumlich heterogene Bewegungen der Luft nahe der Erdoberfläche zu erfassen. Die gewonnenen Daten werden mittels neuester stochastischer Auswerteverfahren analysiert, um die (nicht-)turbulenten Bedingungen und deren Durchmischung zu charakterisieren. Der wissenschaftliche Gewinn des Projektes liegt in einem wegweisenden innovativen Ansatz, um Modelle in den Bereichen Strömungsmechanik und Erd-System Wissenschaften zu validieren, und so zu einem verbesserten Verständnis unseres Lebensraums, der Schnittstelle zwischen Land und Atmosphäre, zu führen.

Fachbereich: Thermodynamik und Emissionsforschung - Verkehr und Umwelt

ZIELSETZUNG Das Ziel des Arbeitsbereiches ist es durch Erforschung des Wirkungskreises Schadstoffemissionen und Immissionen sowie alternativer Kraftstoffe und Antriebe Grundlagen zur nachhaltigen Verbesserung der Lebensqualität zu erarbeiten. Die wichtigsten Forschungsgebiete sind die Messung und Simulation der Schadstoffemissionen von Kraftfahrzeugen, deren Ausbreitung und die dabei auftretenden luft-chemischen Reaktionen. SPEZIALGEBIETE - Messung und Simulation von Emissionen und Energieverbrauch des Verkehrs: - Prüfstandsmessungen und Simulation von Einzelfahrzeugen, Motoren und Aggregate (PKW und Nutzfahrzeuge) - Vergleichende Studien zu alternativen Antriebsarten und Kraftstoffen - Untersuchungen zu Eigenschaften und Anforderungen an Biodiesel - Emissions-Modellrechnungen für lokale, regionale und globale Problemstellungen - Strömungssimulation und Thermodynamik: - atmosphärische Strömungen in der Mikro und Mesoskala - technische Strömungen in Maschinen, Anlagen und Gebäuden - Turbulenzbetrachtungen in mikroskaligen Gebieten - Schadstoffausbreitung: - bei komplexen Verbauungen (Mikroskala) - einfaches und komplexes Gelände (Mesoskala) - Luftchemie - Messung von atmosphärischen Spurenstoffen: - Monitoring - 'Open-path remote sensing' Technologie Tunnellüftung - Lüftungsauslegung - Brandfall - Umweltverträglichkeitsuntersuchungen

Instabilitaet, Struktur der Turbulenz und Schallerzeugung in runden Freistrahlen

Zweck: Herabsetzung des Freistrahllaerms.

Hydrodynamik von fluvialen Rückströmungen, verursacht durch natürliche Objekte, sowie deren Auswirkungen auf die Flussbettmorphologie

Die Vielfalt der natürlichen Flussumgebungen wird derzeit durch den Grad der räumlichen Heterogenität in abiotischen Faktoren, die durch Flussströmungsstrukturen gesteuert werden, verstanden. Im Mittelpunkt dieses Themas steht die Heterogenität der Flüsse, die durch natürliche In-Stream-Hindernisse wie Geröllhaufen, Baumstau, Ufer- und Wasservegetation und ihre verschiedenen Kombinationen erzeugt wird. Spezifische Strömungstypen, die sich um und hinter In-Stream-Hindernissen bilden, werden als Rucktrömungen bezeichnet. Aufgrund komplexer Naturumgebungen und -prozesse, wird die Dynamik von Rucktrömungen immer noch nicht vollständig verstanden. Die vorgeschlagene Forschung zielt auf die Verbesserung des Wissens über die Hydrodynamik von Wirbelströmungen ab, indem fundamentale, auf der Theorie beruhende Erkenntnisse über steuernde Faktoren und ihre Implikationen für die Flussmorphologie bereitgestellt werden. In diesem Projekt werden komplexe Umweltflüsse, die in flachen, rauhen Flussumgebungen durch poröse In-Stream-Hindernisse entstehen, direkt im Feld unter verschiedenen hydrologischen Bedingungen untersucht. Die Dynamik dieser Rucktrömungen wird dann durch den Vergleich von Feldbeobachtungen mit den Ergebnissen von Laborexperimenten besser verstanden, wobei Skalen-unabhängige Feld-basierte Experimente und numerische Simulationen zur Untersuchung von Skaleneffekten dienen werden. Ergänzt wird diese Studie durch in-situ-Untersuchungen der Porosität natürlicher Hindernisse und der Probenahme des Flussbettsubstrats. Diese Studien werden derzeit nicht verfügbares Wissen über grundlegende Eigenschaften von In-Stream-Hindernissen und eine direkte Quantifizierung von Erosions-/Ablagerungsprozessen aufgrund von Fluviale Rucktrömungen liefern. Darüber hinaus werden die gesammelten Daten den Beitrag des Nachstroms zu den hydraulischen Eigenschaften des Flusses auf einer Flussreichweite schätzen.

Mortalität von Zooplankton in Seenökosysteme und seine Rolle im vertikalen Kohlenstofffluss (ZooFlux)

Die geplante Studie zielt darauf ab, die Rolle von totem Zooplankton im Kohlenstoffumsatz von aquatischen Ökosystemen zu quantifizieren. Dabei soll die Hypothese getestet werden, dass der mikrobielle Abbau der toten Körper während ihres Absinkens durch die Wassersäule den Abbau von refraktärem organischem Material beschleunigt (Priming). Das Projekt stellt ein gemeinsames Unternehmen eines internationalen Forscherteams aus Deutschland und Russland dar. Um den Beitrag des toten Zooplanktons für den Kohlenstoffkreislauf abzuschätzen, möchten wir Feldbeobachtungen, Laborexperimente und Modellierung miteinander verbinden. In-situ- Messungen der Mortalität und Sinkraten des Zooplanktons mittels Sedimentfallen werden durch Messungen der turbulenten Mischungsbedingungen in der geschichteten Wassersäule mithilfe moderner hydrodynamischer Techniken begleitet. Mikrobielle Besiedlung und Abbauraten des toten Zooplanktons sollen durch Laborversuche quantifiziert werden. Sowohl Feld-, Mesokosmos- und Labordaten sollen für ein erweitertes Modell zur Vorhersage der Retentionszeit der Zooplanktonkörper in der Wassersäule und deren Beitrag zum Kohlenstoffkreislauf verwendet werden. Verschiedene Modellszenarien fokussieren auf die Rolle von Umweltfaktoren für das Absinken und den Abbau von totem Zooplankton und deren mögliche Veränderungen durch klimabedingte Erwärmung des Seenhypolimnions.

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