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Wechselwirkung von Schwerewellen und Madden Julian Oszillation

Die Madden-Julian Oszillation (MJO) (Madden & Julian 1971, 1972) ist der dominante Teil der intrasessionalen Variabilität der tropischen Atmosphäre. Sie äußert sich vor allem in ostwärts wandernden Gebieten tiefer Konvektion und erhöhten Niederschlages. Weiterhin beeinflusst die MJO durch dynamische Kopplung das lokale Wetter des Indischen Ozeans und der Pazifischen Inseln. Außerdem spielt die durch vertikale Kopplung vermittelte Interaktion mit anderen wiederkehrenden dynamischen Phänomenen, wie zum Beispiel der Quasizweijahresschwingung der inneren Tropen (Quasi-biennial Oscillation, QBO), eine wichtige Rolle für das Verständnis tropischer Winde. Obwohl die Datenbasis über die MJO, der tiefen tropischen Konvektion und des Niederschlag in den Tropen im Verlauf der letzten Jahrzehnte eine deutliche Verbesserung erfuhr, verbleibt die Modellierung und Simulation der MJO als ein ernstes Problem heutiger atmosphärischer Modelle. Aus diesem Grunde beschäftigt sich das hier vorgeschlagene Projekt mit wichtigen Fragestellungen bezüglich dieser Modellierungsprobleme. Dabei wird auf Methoden, welche während der Anfertigung meiner Doktorarbeit zur Modellierung konvektiver Schwerewellen entstanden, zurückgegriffen. Das Projekt gliedert sich hierbei folgendermaßen in zwei wesentliche wissenschaftliche Fragestellungen:Wie beeinflusst die MJO die Ausbreitung und Dissipation konvektiv angeregter Schwerewellen?Wie wirken diese konvektiven Schwerewellen zurück auf die MJO und deren Konvektion?Das zur Beantwortung dieser Fragen notwendige Werkzeug ist ein gekoppeltes Modell konvektiv angeregter Schwerewellen und ihrer Ausbreitung, welches ich bereits sehr erfolgreich für Studien meiner Dissertation nutzte. Zusätzlich wird die Anwendung des WRF (Weather Research and Forecasting) Modells die numerische Modellierung auf der Mesoskala unterstützen. Einen weiteren Fokus setzt das Projekt auf Impulsflussspektren der Schwerewellen und ihrer durch die MJO induzierten Variabilität. Es wird außerdem untersucht, ob diese MJO induzierte Variabilität von Satelliteninstrumenten aus beobachtet werden kann. Dies wird Einsichten in den durch flache und tiefe Konvektion emittierten Schwerewellenimpulsfluss eröffnen. Im Falle der Feedbackmechanismen wird der Schwerpunkt auf den Einfluss des Schwerewellendrag auf die sekundäre Zirkulation der MJO gelegt.

Untersuchung des Wirkbereiches von Schiffswellen im Flachwasser

Berechnung und Messung von Schiffswellen in seitlich begrenztem Fahrwasser Wie weit reichen die schiffserzeugten Wellen und Strömungen des Primärwellensystems eines Schiffes? Neben der Beantwortung dieser Frage soll zusätzlich der validierte Bereich vom Nahfeld des Schiffs in Richtung Ufer vergrößert werden. Dazu werden bestehende Messverfahren zur Vermessung der Wasseroberfläche eingesetzt. Aufgabenstellung und Ziel An den Seehafenzufahrten liegen seitlich der Fahrrinne häufig sehr weitläufige und flache Gewässerbereiche oder angrenzende Strukturen wie Hafenbecken und Seitenarme. In diesen Bereichen beruht die Prognose von Ausbreitung und Wirkbereich schiffserzeugter Primärwellen derzeit auf vereinfachten Annahmen und theoretischen Überlegungen oder muss sehr aufwändig im gegenständlichen Modell mit einem hohen Personal- und Sachmitteleinsatz untersucht werden. Die Relevanz dieser Gewässerbereiche nimmt aufgrund ökologischer Aspekte oder verstärkter Betroffenheiten zu, sodass die Prognosesicherheit der schiffserzeugten Belastungen hier verbessert werden muss. Das bereits zur Berechnung von Schiffsdynamik und schiffserzeugten Belastungen eingesetzte CFD-Verfahren (numerische Strömungssimulation) wird für die projektpraktische Anwendung im Böschungs- und Uferbereich eingerichtet und anhand von Messdaten aus dem Labor und aus der Natur validiert. Anhand von systematischen CFD-Untersuchungen wird ermittelt: (i) unter welchen Bedingungen weit von der Fahrrinne entfernt liegende Böschungs- und Uferbereiche durch schiffsinduzierte Wellen und Strömungen belastet werden, (ii) unter welchen Bedingungen eine Belastung von Böschungen und Ufern entsteht, die sich nicht durch eine lineare Übertragung der Belastungen am Böschungsfuß der Fahrrinne herleiten lässt und (iii) wie sich die Primärwelle in angeschlossenen Gewässerbereichen, bspw. Hafenbecken und Seitenarmen, ausbreitet und quantitativ auswirkt. Bedeutung für die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) Um Fragestellungen in der Fachaufgabe Wechselwirkung Seeschiff/Seeschifffahrtsstraße effizient bearbeiten zu können, wurde die Methode der numerischen Strömungssimulation eingeführt. Die Verfügbarkeit eines numerischen Strömungsmodells zur Vorhersage fahrdynamischer Größen und Strömungsbedingungen im Flachwasser ist bei vielen Aufgaben der WSV erforderlich. Zusätzlich zu dem Fokus auf die Schiffsdynamik ist eine Aussage zu der schiffserzeugten Belastung notwendig. In diesem FuE-Projekt soll die Prognosefähigkeit des CFD-Verfahrens insbesondere in Ufer- und Seitenbereichen deutlich erhöht werden. Neben der Verfügbarkeit einer prognosefähigeren Methode werden außerdem anhand der Untersuchungen allgemeingültige Zusammenhänge ermittelt. Damit ist zukünftig für einfache Sachverhalte eine Ableitung der Ausbreitung und Wirkung von Schiffsprimärwellen in Seeschifffahrtsstraßen ohne aufwändige CFD-Simulation möglich. Untersuchungsmethoden Um die oben aufgeführten Ziele zu erreichen, wird das kommerziell verfügbare, bereits seit vielen Jahren in der BAW eingesetzte und für die unterschiedlichen Fragestellungen validierte CFD-Softwarepaket STARCCM+® genutzt (Bechthold und Kastens 2020, Kochanowski und Kastens 2022, Delefortrie et al. 2023). Im Bereich Naturmessungen soll durch Einsatz neuer Vermessungsmethoden, die in der BAW bereits vorhanden sind, eine Verbesserung von Wellen- und Strömungsdaten angestrebt werden, um flächenhafte Daten zum Schiffswellensystem zu erheben. Mit diesen neuen flächenhaften Daten und bereits vorhandenen punktuellen Daten aus dem physikalischen Modellversuch soll das CFD-Verfahren jenseits des Nahbereichs um das Schiff weiter validiert werden. Das validierte Verfahren wird dann für systematische Untersuchungen flacher, weitläufiger Bereiche und angeschlossener Gewässerteile genutzt.

Gutachterliche Stellungnahme zur Emissions- und Immissionssituation in der Umgebung der geplanten Deponie Greiling

Die vorliegende Stellungnahme befasst sich mit der planfestgestellten Hausmuelldeponie bei Greiling in Oberbayern (Bad Toelz). Wegen der Naehe zur umliegenden Wohnbebauung (ca. 250m) wurden die Geruchsemissionen und -immissionen in der Umgebung der geplanten Deponie untersucht. Eine Abschaetzung und Beurteilung der in einem bereits existierenden Gutachten vorgenommenen Annahmen und Berechnungen fuehrte teilweise zu unterschiedlichen Ergebnissen. Dies betrifft insbesondere die Bedeutung von kleineren Stoerungen an der abgeschlossenen Deponie, die Emissionen aus dem Deponiebetrieb sowie die zugrundegelegten Ausbreitungsverhaeltnisse von Schadstoffen und deren Abbildung mit Ausbreitungsmodellen. Insgesamt laesst sich eine positive Eignung des planfestgestellten und in erster Gerichtsinstanz bestaetigten Standortes aus den vorliegenden und vom Deutschen Wetterdienst zu erhaltenden Ergebnissen nicht ableiten.

Berechnung der Ausbreitung von Kuehlturmschwaden mit numerisch-mathematischen Modellen

Es soll ein Rechenverfahren bereitgestellt werden, mit dem die Verteilung von Kuehlturmemissionen in der Umgebung eines Kraftwerkes bestimmt werden kann. Dafuer wird ein dreidimensionales Rechenprogramm entwickelt. Es wird ein Turbulenzmodell verwendet, das zwar erheblichen numerischen Aufwand erfordert, dafuer aber auch weitgehend universellen Charakter hat und dementsprechend mit bekannten Stroemungen geeicht werden kann.

Ableitung spezifischer Schadstoff-Emissionsfaktoren fuer Fahrzeugstroeme anhand von Schadstoffmessungen im Heslacher Tunnel

Grundidee der Forschungsarbeit ist es, die nachvollziehbaren und kontrollierbaren Luftstroemungen in einem Tunnel zu nutzen, um aus der Abgasbeladung der Luft die Emissionen von Fahrzeugkollektiven zu bestimmen. Hauptvorteil dieser Vorgehensweise ist, dass diese Schadstoffbilanzierung weitgehend frei von aeusseren Einfluessen (z. B. Windstaerke, Windrichtung, Sonneneinstrahlung, Schadstoffemissionen anderer Quellgruppen) unter kontrollierbaren Randbedingungen durchgefuehrt werden kann. Die Bilanzierung erfolgt fuer die Komponenten Kohlenmonoxid, Stickstoffoxide, Kohlenwasserstoffe und Partikel (Russ). Der entscheidende Vorteil dieser Messungen besteht darin, dass das Emissionsverhalten unter Bedingungen, wie sie in der Praxis (hier: staedtische Hauptverkehrsstrassen) auftreten, bestimmt wird und die reale Fahrzeugflotte zu Grunde liegt. Der ausgewaehlte 2,3 km lange Tunnel der B 14 in Stuttgart-Heslach diente damit quasi als Grosslabor. Zur Bestimmung des aktuellen Fahrzeugkollektivs und des jeweiligen Verkehrsablaufs wurden ebenfalls umfangreiche Messungen und Erhebungen durchgefuehrt (z. B. Verkehrsstaerke, Verkehrszusammensetzung, Geschwindigkeit, Antriebsart, Hubraum, Leistung, Alter des Kfz). Die so ermittelten spezifischen Abgas-Emissionsfaktoren fuer Kraftfahrzeugstroeme koennen bei Wirkungsanalysen (z. B. Nutzen-Kosten-Untersuchungen von Strassenbauprojekten), bei Emissionskatastern, zur Kalibrierung von Ausbreitungsmodellen, zur Ableitung typischer Tagesganglinien einzelner Schadstoffe und auch zur Anpassung von Tunnellueftungen verwendet werden.

Sensorgestütztes Monitoring von Luftqualität und Auslastung für mehr Vertrauen und Nachhaltigkeit im ÖPNV, Teilvorhaben: hd Management Consulting GmbH

Zukunftsszenarien zur Förderung einer nachhaltigen Nutzung mariner Räume, Vorhaben: Einfluss von biogeomorphologischen Rauheitselementen in Unterhaltungs- und Klimaszenarien

Experimentelle Untersuchungen zur Ausbreitung und Ablagerung von Schadstoffen

Untersuchung der lokalen Ausbreitung von Schadstoffen in der Atmosphaere. Bestimmung von Ausbreitungsparametern durch Tracerexperimente und Turbulenzmessungen mit Vektorwindfahnen. Studium der Hoehen- und Rauhigkeitsabhaengigkeit der Ausbreitungsparameter. Weiterentwicklung von Ausbreitungsmodellen unter Beruecksichtigung der Theorie der Turbulenz. Untersuchung der Ablagerung von Aerosolen auf verschiedenen Grenzflaechen als Funktion der Partikelgroesse, der meteorologischen Bedingungen und der Struktur der Ablagerungsflaechen.

Schadstoffausbreitung in der Atmosphaere: Ausbreitungsmodelle und ihre experimentelle Verifikation

Numerische Modelle zur Simulation von Ausbreitungsvorgaengen und Zustandsaenderungen in der Atmosphaere sind wesentliche Hilfsmittel fuer Immissionsprognosen, Stoerfallanalysen, fuer die Interpretation der Messergebnisse von Luftgueteueberwachungssystemen, die Beurteilung der Nutzungsmoeglichkeiten der Wind- und Sonnenenergie sowie fuer das Verstaednis des regionalen Klimas und seiner Veraenderungen. Diese Modelle beduerfen wegen der Komplexitaet der atmosphaerischen Vorgaenge einer umfassenden experimentellen Verifikation. Die von GKSS entwickelten Fernmessmethoden schaffen hierfuer ideale Voraussetzungen.

Untersuchung der Emissions- und Immissionssituation an Hausmuelldeponien (Messungen und Modellrechnungen)

Mit der steigenden Sensibilisierung im Umweltbereich haeufen sich auch die Beschwerden von Nachbarn/Anwohnern von Hausmuelldeponien bzw. auch die Einwaende von Betroffenen bei Neuplanungen. Zur Beurteilung der Genehmigungsfaehigkeit von Neuanlagen und der Bewertung von Altanlagen sind Immissionsmessungen (Gerueche etc.) in Abhaengigkeit von unterschiedlichen Ausbreitungsparametern und der Emissionssituation noetig. Die Ergebnisse der Messungen sollen mit Ausbreitungsmodellen verglichen werden, bzw. die Modelle verifiziert werden. Solche Ausbreitungsmodelle koennen dann im Zusammenhang mit der Planung und Ueberwachung von Deponien kostenguenstig eingesetzt werden.

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