Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Energie-Rückstreuung aus subgridskaligen Prozessen, in theoretischer Hinsicht sowie in modernen, wirbel-zulassenden oder -auflösenden Ozeanmodellen. Wir untersuchen systematisch Lösungen durch Quantifizierung des Energiebudgets nahe der Gitterskala in Situationen ähnlich zur geostrophischen Turbulenz, durch Evaluation existierender Schließungsansätze, durch Berücksichtigung neuer Ansätze zur minimal dissipativer Subgridskalen-Schließung, und durch den Transfer der besten Ansätze zu Ozean- und Erdsystemmodellen basierend auf den vollen primitiven Gleichungen.
In diesem Teilprojekt werden wir den Formalismus der covarianten Lyapunov-Vektoren nutzen um die Dynamik von vereinfachten, multiskaligen, geophysikalischen Strömungssystemen zu untersuchen. Dies soll uns ein fundamental neues Verständnis über deren Stabilität und statistischer Mechanik liefern. Dadurch wird es uns möglich das Verständnis der Interaktion zwischen mikro/mesoskopischen und makroskopischen Eigenschaften der turbulenten geophysikalischen Strömungen zu verbessern.
Das ionosphärische/thermosphärische (I/T) System unterliegt zum einen solaren und magnetosphärischen Einflüssen und wird ebenfalls von zwar kleinskaligen, aber persistenten und darum bedeutenden Prozessen aus der mittleren Atmosphäre angetrieben. Gerade der zuletzt genannte Einfluss wird seit Jahren vermutet, es konnte jedoch bis jetzt kein klarer Beleg für die Kopplung gefunden werden. Alle Anregungen aus der mittleren Atmosphäre müssen sich durch die Mesosphäre und untere Thermosphäre (MLT) ausbreiten. Dabei wechselwirken die Wellen untereinander und koppeln an die I/T. Diese Kopplung kann (a) durch die direkte Ausbreitung von primären (oder sekundären) Wellen, und /oder (b) indirekt durch den E-Region-Dynamo erfolgen. Deshalb ist die MLT generell von Bedeutung für die dynamische Anregung der I/T, in mittleren und hohen Breiten tritt sie aber besonders hervor: (1) auf diesen Breiten wurden bislang wenige Untersuchungen des I/T Systems (z.B. der Gezeiten) durchgeführt, was auf die unzureichende Auflösung der meisten Satelliten zurückzuführen ist, und (2) aktuelle Studien mit globalen gekoppelten Atmosphären/Ionosphären Simulationen zeigen, dass gerade bei diesen Breiten die solaren und lunaren Gezeiten, die für viele elektrodynamische Effekte in niedrigen Breiten verantwortlich sind, besonders große Amplituden während stratosphärischer Erwärmungen (SSW) erreichen. Wir beantragen, die einzigartigen Radars und Lidars des IAP in mittleren und hohen Breiten zu nutzen, um den Grundstrom, die Wellen und deren Wechselwirkungen in der MLT zu charakterisieren. Die lokalen Radarwindbeobachtungen erfolgen kontinuierlich in einem Höhenbereich von 70 -100 km und können durch Lidarmessungen zu niedrigeren Höhen erweitert werden. Dies ermöglicht die Untersuchung der vertikalen Ausbreitung von Wellen im Wind und der Temperatur. Diese Studien werden zusätzlich durch Satellitendaten und Re-Analyse komplementiert, um sowohl regional als auch global den Antrieb durch die mittlere Atmosphäre zu erfassen. Die direkte Kopplung wird durch Vergleiche der saisonalen und jährlichen Gezeiten über den Radaren mit den thermosphärischen Daten der Satelliten aus den Überflügen mit polaren Orbits untersucht. Der Einfluss des E-Region-Dynamos wird mit Hilfe von Simulationen gekoppelter Atmosphären/Ionosphären-Modellen analysiert und beinhaltet die Anregung der lunaren Gezeit in Zeiträumen mit und ohne SSW. Die Modelle werden mit bodengebunden Beobachtungen und satellitengestützten ionosphärischen Daten verglichen und validiert. Neben vielen offenen Fragen zur Kopplung der MLT mit dem I/T-System, erwarten wir insbesondere Ergebnisse zu folgenden Fragen: (a) Wie wirkt sich die beobachtete Kurzzeitvariabilität der MLT auf Wellen und dem Grundstrom in Bezug zum I/T Wetter aus?, (b) Was sind die Charakteristiken der solaren und lunaren Gezeiten für verschiedene Strukturen des polaren Wirbels während SSW und welche Auswirkungen entsprechen diesen im I/T-System?
Die Energietransfers der drei dynamischen Regime - kleinskalige Turbulenz, interne Schwerewellen und geostrophisch balancierte Strömung - sind fundamental für den Energiezyklus in der Atmosphäre und dem Ozean. Nichtsdestotrotz sind sie aber nicht gut verstanden und quantifiziert, und ihre Repräsentation in modernen Erdsystemmodellen ist unbefriedigend. Weil durch die Interaktion der dynamischen Regime die kleinsten Skalen ultimativ mit den größten Skalen durch eine Vielzahl von komplexen Prozessen verbunden sind, ist das Verständnis dieser Interaktionen wichtig um Ozean- und Atmosphärenmodelle zu konstruieren und um das Klima vorherzusagen. Die gegenwärtige Unkenntnis dieser Prozesse wird durch energetisch inkonsistente Modelle mit relativ großen Fehlern, aber auch durch Inkonsistenzen numerischer und mathematischer Natur, reflektiert. Wir glauben, dass es nun an der Zeit ist momentane Anstrengungen zu kombinieren, diese Defizite zu überwinden, neue Aktivitäten zu fördern die dynamischen Interaktionen zu verstehen und die Konsistenz von Ozean- und Atmosphärenmodellen zu verbessern. Die Arbeit des SFB/TRR soll die Modellfehler reduzieren, die Modellgüte verbessern, und ultimativ die Klimamodelle und Klimavorhersagen verbessern. Die wesentlichen Ziele dieses SFB/TRR sind - i. das notwendige Verständnis der Energietransfers zwischen den verschiedenen dynamischen Regimen in Atmosphäre und Ozean zu entwickeln, - ii. mit diesem Verständnis neue und konsistente Parametrisierungen zu entwickeln und in Modellen zu implementieren und zu testen, und - iii. numerischen Methoden mit konsistenter Energetik zu entwickeln. Es ist unsere Vision dadurch eine energetisch konsistente Beschreibung der Energiekonversionen im Klimasystem zu etablieren sowie physikalisch, mathematisch und numerisch konsistente Ozean- und Atmosphärenmodelle zu entwickeln.
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.
Die Struktur des unteren Teils der Atmosphaere, der Grenzschicht (unser Hauptlebensraum) wird durch wetterbedingte Aenderungen, Untergrundeigenschaften, einen ausgepraegten Tagesgang und durch zusaetzliche menschliche Taetigkeit hervorgerufene Einfluesse bestimmt. Die Veraenderung der Schichtung, des Turbulenzzustands und der vertikalen turbulenten Transporte, Waerme und Bewegungsgroesse sowie ihre gegenseitige Abhaengigkeit werden - neben speziellen Erscheinungen (z.B. interne Schwerewellen) mit der meteorologischen Messanlage an dem 300 m hohen Sendemast des NDR in Hamburg-Billwerder mit Schallradargeraeten und mit einem Barovariographennetz untersucht. Dabei werden auch wichtige Parameter fuer Simulationsmodelle zur Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphaere - insbesondere im Stadtgebiet - gewonnen.
Die Forschungsarbeiten der Abteilung Regionale Ozeanographie werden sich weiterhin auf die physikalischen Prozesse in den oberen Schichten des offenen Ozeans, der Warmwassersphaere, konzentrieren. Dahinter steht die Notwendigkeit, die Transportprozesse zu verstehen, die den Einfluss des Ozeans auf die atmosphaerischen Klimaaenderungen fuer die Zeitskala des World Climate Research Programme bestimmen. Da diese Zeitskala den Bereich Wochen bis Monate umfasst, ist eine umfangreiche Expeditionstaetigkeit noetig. Neuentwickelte Messmethoden sollen dabei zum Einsatz kommen, so u.a. ein geschlepptes, vertikal undulierendes Geraet zur Erfassung der Dichteschichtung, ein akustisch arbeitendes Geraet zur Bestimmung der vertikalen Geschwindigkeitsverteilung in der ozeanischen Deckschicht sowie satelliten- bzw. funkgeortete Driftbojen. Begleitet wird die Messtaetigkeit durch die Entwicklung von Modellen (empirisch, diagnostisch, prognostisch). Schwerpunkte der Untersuchungen werden sein: - theoretische Untersuchungen zur geophysikalischen Turbulenz und ihre Anwendung auf Transportprozesse in der ozeanischen Warmwassersphaere, - Ursachen und Auswirkungen der Jahresschwankungen von Baroklinitaet und Haloklinitaet, - Entstehung ozeanischer Fronten und ihre Bedeutung fuer turbulente Transportprozesse, - Modellierung der Konvektion in der Deckschicht unter besonderer Beruecksichtigung des Tagesganges, - Struktur und Transporte des Nordatlantischen Stromes, - wissenschaftliche Analyse von Datensaetzen des Welt-Datenzentrums sowie von Expeditionen, insbesondere GATE 1974, JASIN 1978, FGGE 1979. Das Forschungsprogramm ist integraler Bestandteil des SFB 133.
Der erste Teil des Forschungsvorhabens (Start April 2006) wurde erfolgreich abgeschlossen. Im folgenden werden die Erfolge des ersten Projektabschnitts und die Ziele und Ergebnisse des zweiten Projektabschnitts zusammengefasst. 1. Abschnitt: Zu Beginn des Projekts waren CFD-Simulationen von zweiphasigen flüssig-flüssig betriebenen Extraktionskolonnen in der Literatur quasi nicht vorhanden. Im ersten Teil wurden daher zunächst zweiphasige CFD.Simulationen mit konstanten Tropfendurchmessern ohne Berücksichtigung von Populationsbilanzen erfolgreich durchgeführt. In beiden CFD Tools konnten die ein- und zweiphasigen Strömungsbedingungen in einem Rotating Disc Contactor vorhergesagt werden (1,2). Ein- und zweiphasige Particle Image Velocimetry Messungen ermöglichten einen Vergleich und eine Validierung der Simulationen. Im nächsten Schritt wurden Methoden zur Lösung der Populationsbilanzen in die CFD codes integriert. Die Standardvorgehensweise ist, dass für jede Phase in CFD ein Fluid verwendet wird (Two-Fluid Model) und sich die disperse Tropfenphase mit dem Sauterdurchmesser (d32) bewegt, der mit Hilfe der Populationsbilanzen berechnet wird. Die klassischen Lösungsmethoden, Klassenmethode und Momentenmethode (Quadrature Method of Moments), wurden im Rahmen von Fluent untersucht (4). In diesem Zusammenhang wurden auch mehrere Literaturmodelle für Zerfall und Koaleszenz der Tropfen in Fluent integriert und verglichen. Es zeigte sich, dass eine Vorhersage der Tropfengröße in einer 5 Compartment Sektion eines RDC Extraktors, bei richtiger Wahl der Modelle, möglich ist. Bei der Kopplung zwischen CFD und PBM ist die Momentenmethode vorzuziehen, da hier der Rechenaufwand wesentlich geringer ist, bei besserer Genauigkeit des Sauterdurchmessers. Sowohl in Fluent als auch in FPM wurde die Sectional Quadrature Method of Moments (SQMOM) implementiert (5-7). Die SQMOM als eine adaptive Methode ist für die Verwendung in CFD sehr gut geeignet. Im Gegensatz zum Zwei-Fluid CFD-Modell können im Multi-Fluid Modell tropfengrößenspezifische Aufstiegsgeschwindigkeiten wiedergegben werden. 2. Abschnitt: Während die reine Verknüpfung und die Vorhersage der Zweiphasenströmung im ersten Forschungsabschnitt realisiert wurden, sollen im weiteren Forschungsvorhaben die Vorhersagemöglichkeiten weiterentwickelt werden. Ziele sind hierbei ein Turbulenzmodell für FPM zu realisieren und zu validieren, mit dessen Hilfe Zerfall und Koaleszenz der Tropfen modelliert werden. Am Lehrstuhl f. Thermische Verfahrenstechnik sind Untersuchungen zur Messung der Turbulenz und zum Zerfall der Tropfen geplant. Eine integrierte Betrachtung von experimentellen und simulierten Turbulenzgrößen zusammen mit Zerfall und Koaleszenz der Tropfen soll zu einer Verbesserung der Vorhersage führen. Die Berücksichtigung von Stofftransport mit Hilfe eines bivariaten Populationsbilanzmodells wird die Beschreibung des Stoffaustauschs ermöglichen. (Text gekürzt)
Dieses Vorhaben ist vom Bedarf eines Simulationswerkzeugs für die Optimierung von Maßnahmen zum Schutz von Sedimentböden vor Winderosion motiviert. Zur Kontrolle äolischer Bodenerosion werden verschiedene Reihen von Windschutzzäunen, häufig in Kombination mit Vegetation, aufgestellt, um die Windgeschwindigkeit zu verringern bzw. Sedimentabscheidung herbeizuführen. Die Wirksamkeit einer Windschutzzäunenreihe zum Schutz großskaliger Sedimentlandschaften lässt sich angesichts der Zeitskalen von Erosionsprozessen sowie deren starker Abhängigkeit von lokaler Topographie und Windverhalten jedoch nur schwer durch Feldmessungen alleine vorhersagen bzw. untersuchen. Deshalb soll in diesem Projekt ein numerisches Werkzeug für die Simulation des Sandtransports in Gegenwart von Windschutzzäunen entwickelt werden, mit dessen Unterstützung Optimierungsstrategien für den Schutz von Sedimentböden vor Winderosion konzipiert werden können. Dieses Werkzeug koppelt numerische Strömungsmechanik (CFD) für die Berechnung des turbulenten Windfeldes über der Topographie mit morphodynamischer Modellierung der damit verbundenen äolischen Landschaft. Um die Simulationen zu validieren, werden Feldmessungen äolischer Scherspannung am Boden sowie des Sandflusses und der Entwicklung der Bodentopographie im Dünenfeld von Jericoacoara, Nordosten Brasiliens, durchgeführt, und deren Ergebnisse mit Vorhersagen der Simulationen abgeglichen. Darauffolgend wird das numerische Werkzeug verwendet, um Strategien für die Entwicklung optimierter Reihen von Windschutzzäunen bezüglich Porosität, Abstand und Höhe unter verschiedenen Bedingungen von Wind und Sedimentverfügbarkeit abzuleiten. Um den Effekt der Windschutzzäune auf die Entwicklung einer Vegetationsdecke zu untersuchen, werden die Simulationen anschließend um ein Modell für die Wechselwirkung zwischen Wind, Teilchen in Saltation und Vegetation erweitert. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen später in den Aufbau verbesserter Maßnahmen zur Dünenimmobilisierung sowie zur Bekämpfung äolischer Desertifikation einfließen.
Der vorliegende Antrag ist der HALO Mission WISE zuzuordnen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bildung der Tropopauseninversionsschicht (TIL) und deren Einfluss auf Stratosphären-Troposphären Austausch (STE) auf der Mesoskala. Diesem Projekt dienen idealisierte Studien der TIL in baroklinen Lebenszyklen als Grundlage. Die Hauptziele sind dabei die Überprüfung der Ergebnisse der idealisierten Studien zur TIL Bildung genauso wie ein erweitertes Verständnis der Prozesse, die zum STE auf der Mesoskala beitragen. Dabei soll auf drei wissenschaftliche Fragestellungen genauer eingegangen werden: (1) Wie stark schwankt die TIL in ihrem Auftreten über dem Nordatlantik, vor allem im Bereich barokliner Lebenszyklen und im Bereich von STE? (2) Welche Prozesse liefern den größten Beitrag zur TIL auf der Mesoskala und welchen Einfluss hat dies auf STE? (3) Wie groß ist der Beitrag von klein-skaligen Wellen in der unteren Stratosphäre auf die TIL Bildung und die Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht? Eine Kombination von Methoden wird verwendet werden um diese Fragen zu beantworten. Analysedaten des EZMW werden zusammen mit Lagrangeschen Methoden benutzt, um die TIL und STE über dem Nordatlantik zu untersuchen. Der Nordatlantik ist das Gebiet, das auch während WISE untersucht werden soll. Darüber hinaus sollen für WISE hoch aufgelöste Modellsimulationen mit dem neuen numerischen Wettervorhersagemodell ICON durchgeführt werden. Dabei sollen zum einen die Beiträge diverser Prozesse auf die Bildung der TIL am Beispiel von realen Zyklonen und Antizyklonen untersucht werden. Des Weiteren sollen die Modelldaten zusammen mit Beobachtungsdaten verwendet werden um den Einfluss der TIL und von klein-skaligen Wellen auf die vertikale Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht zu bestimmen.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 876 |
| Europa | 4 |
| Kommune | 1 |
| Land | 10 |
| Wirtschaft | 2 |
| Wissenschaft | 492 |
| Zivilgesellschaft | 16 |
| Type | Count |
|---|---|
| Ereignis | 1 |
| Förderprogramm | 875 |
| License | Count |
|---|---|
| Offen | 876 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 739 |
| Englisch | 233 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Datei | 1 |
| Dokument | 2 |
| Keine | 623 |
| Webseite | 252 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 488 |
| Lebewesen und Lebensräume | 588 |
| Luft | 608 |
| Mensch und Umwelt | 871 |
| Wasser | 518 |
| Weitere | 876 |