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Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt E03: Prozessbasierte Einschätzungen von arktischen tiefen Wolken

Dieses Teilprojekt untersucht die Prozesse, die zur Entwicklung, Lebensdauer und Zerfall von arktischen tiefen Wolken führen. Dabei liegt der Fokus auf deren makro-, mikropysikalischen und dynamischen Eigenschaften als auch deren Wechselwirkung mit heterogenen Oberflächeneigenschaften. Unsere Forschungsstrategie besteht aus einem integrierten Ansatz von Large-Eddy aufgelösten Simulationen (LES) in Verbindung mit neuartigen bodengebundenen Fernerkundungsmethoden. Die Konfiguration des LES wird aus Eulerschen aber auch Lagrangschen Beschreibungen bestehen, wobei die Eulersche Darstellung Langzeit Perioden an einer bestimmten Stelle abdeckt, wohingegen die Lagrangsche Darstellung dafür entwickelt wird die Schiffsrouten mit den Flugzeugmessungen zusammenzuführen.

INFLOW-Noise: Bewertung relevanter Lärmquellen von Windenergieanlagen unter realen atmosphärischen Zuströmbedingungen, INFLOW-Noise: Bewertung relevanter Lärmquellen von Windenergieanlagen unter realen atmosphärischen Zuströmbedingungen

An Windenergieanlagen (WEA) tritt strömungsinduzierter Lärm aufgrund von verschiedenen Ursachen auf. Dieser Lärm spielt eine erheblich Rolle bei der Akzeptanz von WEA im Onshore-Bereich. In diesem Projekt wird versucht mögliche Ursachen von strömungsinduziertem Lärm zu erfassen und zu lokalisieren. Insbesondere im Hinblick auf durch die Anströmbedingungen ausgelöste Geräuschemission soll Untersucht werden, ob, mit welcher Quantität und wie turbulente Einströmungsbedingungen zu Lärmentwicklung von WEA beitragen. Zu diesem Zweck werden primär numerische Simulationen durchgeführt. Diese beinhalten aerodynamische Large Eddy Simulationen (LES) aus der Computational Fluid Dynamic (CFD), wie auch aufwendige aeroakustische Simulationen. Diese sollen unter unterschiedlichen turbulenten Einströmbedingungen in verschiedenem Detailierungsgrad durchgeführt werden. ForWind führt in dem Projekt zum Einen Validierungsmessungen im Windkanal durch. Zu diesem Zwecke werden aerodynamische Messungen an Blattprofilen hinter einem fraktalen Gitter durchgeführt. Dieses dient dazu, ein, der atmosphärischen Turbulenz möglichst nahe kommendes, intermittentes Windfeld zu erzeugen, welches auf das Blattprofil trifft. Zusätzlich sollen akustische Simulationsergebnisse mit Messergebnissen validiert werden. Zum Anderen, werden numerische Turbulenzmodelle, die intermittente Eigenschaften der Windströmung erfassen können in CFD-Codes implementiert, um die Windcharakteristik möglichst genau zu erfassen.

Stadtklima: Entwicklung eines leistungsstarken Stadtklimamodells, Modul A - MOSAIK, Teilprojekt 6: Datenmanagement und Benutzeroberfläche

Das Ziel der Fördermaßnahme ist die Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells, welches in der Lage sein soll, das Stadtmikroklima in Großstädten wie Berlin mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 10 m zu simulieren. Das Modell soll als benutzerfreundliches Werkzeug entwickelt werden, welches von Anwendern in der Stadtplanung eingesetzt werden kann. In Modul A (Verbundprojekt MOSAIK) der Fördermaßnahme soll das neue Stadtklimamodell entwickelt werden. Das Modell wird auf dem Large-eddy Simulationsmodell (LES) PALM basieren, welches an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird. PALM soll um diverse Module erweitert werden um als Stadtklimamodell einsetzbar zu sein. Dazu zählt die Implementierung einer RANS-Turbulenzparametrisierung, die Implementierung eines Energiebilanzlösers für städtische Oberflächen (inkl. Innenraumklimamodell) und die Entwicklung eines Chemiemoduls. Darüber hinaus wird ein Nesting-Verfahren implementiert, welches Simulationen für kleinere Teilgebiete von Städten bei extrem hoher Auflösung ermöglichen wird. Das Modell wird zudem mit einem Multiagentenmodell ausgestattet, bei dem sich Agenten auf Basis eines Bewegungsalgorithmus (basierend auf sozio-ökonomischen Daten) durch die Stadt bewegen können, wobei die Agenten den meteorologischen Wirkungsmechanismen wie Wärmestress, Windkomfort und Strahlungsexposition ausgesetzt sind. Die Modellsteuerung soll über eine grafische Oberfläche erfolgen und sich an den Bedürfnissen typischer Anwender orientieren. Dies umfasst auch die Bereitstellung von Standarddatenprodukten. Das Teilprojekt ist für die Aufbereitung weiterer Eingangsdaten zuständig, sowie für Konzeption und Implementierung und des Data-warehouses. Des Weiteren entwickelt GEO-NET das Analysesystem zur Auswertung der Modellergebnisse.

Stadtklima: Entwicklung eines leistungsstarken Stadtklimamodells, Modul A - MOSAIK, Teilprojekt 4: Urbane Chemie und Luftreinhaltung für den LES-Modus

Das Ziel der Fördermaßnahme ist die Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells, welches in der Lage sein soll, das Stadtmikroklima in Großstädten wie Berlin mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 10m zu simulieren. Das Modell soll als benutzerfreundliches Werkzeug entwickelt werden, welches von Anwendern in der Stadtplanung eingesetzt werden kann. In Modul A (Verbundprojekt MOSAIK) der Fördermaßnahme soll das neue Stadtklimamodell entwickelt werden. Das Modell wird auf dem Large-eddy Simulationsmodell PALM basieren, welches an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird. PALM soll um diverse Module erweitert werden, um als Stadtklimamodell einsetzbar zu sein. Dazu zählt die Implementierung einer RANS-Turbulenzparametrisierung und die Implementierung eines Energiebilanzlösers für städtische Oberflächen (inkl. Innenraumklimamodell) und die Entwicklung eines Chemiemoduls. Darüber hinaus wird ein Nesting-Verfahren implementiert, welches Simulationen für kleinere Teilgebiete von Städten bei extrem hoher Auflösung ermöglichen wird. Das Modell wird zudem mit einem Multiagentenmodell ausgestattet, bei dem sich Agenten auf Basis eines Bewegungsalgorithmus (basierend auf sozio-ökonomischen Daten) durch die Stadt bewegen können, wobei die Agenten den meteorologischen Wirkungsmechanismen wie Wärmestress, Windkomfort und Strahlungsexposition ausgesetzt sind. Die Modellsteuerung soll über eine grafische Oberfläche erfolgen und sich an den Bedürfnissen typischer Anwender orientieren. Dies umfasst auch die Bereitstellung von Standarddatenprodukten. Das Teilprojekt entwickelt und testet das Chemiemodul für die hochauflösende (LES) Version des Stadtklimamodells. Außerdem bereitet es die Antriebsdaten dafür auf.

Stadtklima: Entwicklung eines leistungsstarken Stadtklimamodells, Modul A - MOSAIK, Teilprojekt 9: Urbane Chemie und Luftreinhaltung für den RANS-Modus

Das Ziel der Fördermaßnahme ist die Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells, welches in der Lage sein soll, das Stadtmikroklima in Großstädten wie Berlin mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 10 m zu simulieren. Das Modell soll als benutzerfreundliches Werkzeug entwickelt werden, welches von Anwendern in der Stadtplanung eingesetzt werden kann. In Modul A (Verbundprojekt MOSAIK) der Fördermaßnahme soll das neue Stadtklimamodell entwickelt werden. Das Modell wird auf dem Large-eddy Simulationsmodell (LES) PALM basieren, welches an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird. PALM soll um diverse Module erweitert werden um als Stadtklimamodell einsetzbar zu sein. Dazu zählt die Implementierung einer RANS-Turbulenzparametrisierung, die Implementierung eines Energiebilanzlösers für städtische Oberflächen (inkl. Innenraumklimamodell) und die Entwicklung eines Chemiemoduls. Darüber hinaus wird ein Nesting-Verfahren implementiert, welches Simulationen für kleinere Teilgebiete von Städten bei extrem hoher Auflösung ermöglichen wird. Das Modell wird zudem mit einem Multiagentenmodell ausgestattet, bei dem sich Agenten auf Basis eines Bewegungsalgorithmus (basierend auf sozio-ökonomischen Daten) durch die Stadt bewegen können, wobei die Agenten den meteorologischen Wirkungsmechanismen wie Wärmestress, Windkomfort und Strahlungsexposition ausgesetzt sind. Die Modellsteuerung soll über eine grafische Oberfläche erfolgen und sich an den Bedürfnissen typischer Anwender orientieren. Dies umfasst auch die Bereitstellung von Standarddatenprodukten. Das Teilprojekt entwickelt die Chemiefunktionalität für die niederauflösende (RANS) Version des Stadtklimamodells und bereitet die Eingangsdaten dafür auf.

Teilprojekt 8: Fernerkundungsprodukte von polumlaufenden Satelliten^Teilprojekt 1: Schnittstelle Beobachtung - Modellierung / Teilprojekt 9: Satellitenfernerkundung von Wolkeneis^Teilprojekte 4 und 11: Beobachtungen der LACROS Supersite und Fernerkundungsdaten von METEOSAT^HD(CP)2_O, Teilprojekt 7: Beobachtungen der Supersite Schneefernerhaus

Stadtklima: Entwicklung eines leistungsstarken Stadtklimamodells, Modul A - MOSAIK, Teilprojekt 2: Urbane Strahlung und Gebäudeparametrisierung

Das Ziel der Fördermaßnahme ist die Entwicklung eines innovativen Stadtklimamodells, welches in der Lage sein soll, das Stadtmikroklima in Großstädten wie Berlin mit einer räumlichen Auflösung von weniger als 10 m zu simulieren. Das Modell soll als benutzerfreundliches Werkzeug entwickelt werden, welches von Anwendern in der Stadtplanung eingesetzt werden kann. In Modul A (Verbundprojekt MOSAIK) der Fördermaßnahme soll das neue Stadtklimamodell entwickelt werden. Das Modell wird auf dem Large-eddy Simulationsmodell (LES) PALM basieren, welches an der Leibniz Universität Hannover entwickelt wird. PALM soll um diverse Module erweitert werden, um als Stadtklimamodell einsetzbar zu sein. Dazu zählt die Implementierung einer RANS-Turbulenzparametrisierung, die Implementierung eines Energiebilanzlösers für städtische Oberflächen (inkl. Innenraumklimamodell) und die Entwicklung eines Chemiemoduls. Darüber hinaus wird ein Nesting-Verfahren implementiert, welches Simulationen für kleinere Teilgebiete von Städten bei extrem hoher Auflösung ermöglichen wird. Das Modell wird zudem mit einem Multiagentenmodell ausgestattet, bei dem sich Agenten auf Basis eines Bewegungsalgorithmus (basierend auf sozio-ökonomischen Daten) durch die Stadt bewegen können, wobei die Agenten den meteorologischen Wirkungsmechanismen wie Wärmestress, Windkomfort und Strahlungsexposition ausgesetzt sind. Die Modellsteuerung soll über eine grafische Oberfläche erfolgen und sich an den Bedürfnissen typischer Anwender orientieren. Dies umfasst auch die Bereitstellung von Standarddatenprodukten. Das Teilprojekt übernimmt die Modellentwicklungsarbeiten in Bezug auf Strahlungsflüsse für gebäudeauflösende Simulationen, DCEP Gebäudeparametrisierung.

Development of a Large-Eddy Simulation framework for wind energy studies

Accurate prediction of wind, turbulence and their interactions with wind turbines and wind farms is of great importance for the optimal design (turbine siting) of wind energy projects. It can also provide valuable quantitative insight into the effects of wind farms on the local meteorology. Computational fluid dynamics has the potential to provide the wealth of data required to understand the dynamics of the highly turbulent atmospheric flow at all the scales of interest to wind energy studies (ranging from kilometers down to meters). The accuracy of computer models, however, hinges on our ability to parameterize the dynamics of the flow that cannot be explicitly resolved in the simulations, because they occur at scales smaller than the grid scale. A novel computational framework is proposed here to simulate the interaction between the turbulent wind and wind turbines. The new computer models will be carefully validated using data collected in a wind tunnel and in the field inside a large wind farm. We will use miniature wind turbines (single turbines and multiple turbines in different wind-farm configurations) placed in a wind tunnel to isolate and study the effects on the flow of different atmospheric conditions (as affected by land-surface characteristics such as roughness and temperature) and wind turbine characteristics and arrangements (separation between turbines, alignment, etc.). In the field experiments, vertical and horizontal transects of the mean wind velocity and turbulence will be measured using sonic anemometers and lidars. Both wind-tunnel and field measurements will be used to validate the computational framework and guide the development of improved models. Finally, after the computational framework has been carefully validated, numerical experiments will be carried out to study the interaction between atmospheric flow and wind farms under different thermal conditions typical of nighttime and characterized by high shear and strong wind at relatively low altitudes. This situation is of particular interest due to its high wind-energy potential, but also because of the well-known difficulties associated with its prediction. Emphasis will be placed on understanding the effects of wind farms on the local meteorology through their impact on the wind velocity and temperature distributions as well as the exchange rates of heat between the land surface and the atmosphere.

Strömungsformen bei Vermischung in der Umgebung eines Rohrleitungs T-Stücks (KEK)

Wolken- und Niederschlagsprozesse im Klimasystem - HD(CP)2: Projekt M4 - Landoberfläche

Die Ziele dieses Projektes sind die Aufbereitung von hochaufgelösten Anfangsfeldern für Bodenfeuchte und -temperatur einschließlich ihrer Unsicherheit für die Benutzung durch die HD(CP)2 Gemeinschaft. Weiterhin werden die Sensitivität des Grenzschichtzustandes und des Lebenszyklus von Wolken und Niederschlag hinsichtlich der Landoberflächenparameter untersucht. Darüber hinaus werden die relevanten Skalen für die Anfangswerte des Landoberflächenzustandes in Bezug auf Wolken und Niederschlag herausgearbeitet. Oberflächenflüsse werden für die Nutzung in LES Modellen zur Verfügung gestellt, so dass ein Vergleich der Ergebnisse von verschiedenen Modellen (LES, hochaufgelöstes mesoskaliges Modell) Hinweise für die Wichtigkeit der Turbulenzparameterisierung im HD(CP)2 Modell liefern kann. Anpassung der Modelle TERRA-ML und HMRS für die vorgesehenen Experimente und Aufbereitung der Antriebsdaten mit der für die Simulationen notwendigen räumlichen Auflösung. Durchführung der TERRA-ML und HRMS Simulationen mit Bereitstellung von Bodenfeuchte, Bodentemperatur und Oberflächenflüssen (2-Jahresmeilenstein). Ermittlung der Skalen der Landoberflächeninhomogenitäten, die für Wolkenprozesse relevant sind. Bewertung, von welchen Oberflächenparametern Wolken- und Niederschlagsprozesse wesentlich abhängen.

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