Das Projekt "Wind tunnel investigations on riming of ice particles: Retention of water-soluble organics and the influence of turbulence on the growth of graupels." wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. In recent years, gaseous and particulate organic species in the atmosphere have received increased attention. Organic compounds are found in cloud and rain water as well as in snow samples. However, the removal processes underlying their scavenging is not adequately enough understood such that these are amenable for integration in numerical models. One possibility via the ice phase would be the retention of organics during riming, i.e. the deposi-tion of super-cooled water droplets on ice particles. During this process, the organic species (or fractions of their amounts) can be transferred into and retained by the ice phase while another fraction is released back into the gas phase. These fractions will be investigated and quantified in wind tunnel experiments where freely floating ice particles and snow flakes are exposed to clouds of supercooled droplets containing organic substances of atmospheric significance. As the most abundant water-soluble organics in cloud water are carboxylic ac-ids and aldehydes the proposed experiments mainly extend over these groups. Another topic of great interest is the influence of turbulence on microphysical processes. The collisional growth of cloud droplets is significantly enhanced by turbulence; therefore, similar results are expected in the case of riming as an analogous process in the ice phase. The determination of the growth rate of ice particles by riming under turbulent conditions is necessary for the - so far not yet available - formulation of more realistic collection kernels (in comparison to the laminar case) for the modeling of cloud physics and chemistry.
Das Projekt "Windkanal-Experimente über das Schmelzen von Eis-Hydrometeoren: Auswirkungen von Kollision und Turbulenz (HydroCOMET)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. Heftige Niederschlagsereignisse sind für Schäden in Höhe von Milliarden Euros verantwortlich und verursachen jährlich Hunderte von Verletzten und Todesfällen in Europa und weltweit. Eisgewitter im Winter, Hagel, Eisregen, extreme Regenfälle aus Gewittern im Sommer sowie dadurch verursachtes Hochwasser und Erdrutsche sind die schädlichsten Wetterereignisse auf unserem Kontinent mit schweren ökologischen, ökonomischen und sozialen Folgen. Deshalb ist die kurzfristige Vorhersage von Form, Intensität und Verlagerung solcher konvektiven Wolken- und Niederschlagssysteme von großer Bedeutung. Numerische Wettermodelle und Fernerkundungsgeräte, wie z. B. der Niederschlagsradar, liefern fehlerbehaftete Wetterprognosen, da die Mikrophysik von Mischphasenwolken- und Niederschlagsteilchen nur unvollständig beschrieben sind. Vor allem wird eine korrekte Darstellung des Schmelzprozesses von Schnee, Hagel und Graupel für diese Wettersysteme benötigt. Das Ziel des HydroCOMET Projekts ist es, Parametrisierungen der wichtigsten physikalischen Eigenschaften von schmelzenden Eis-Hydrometeoren bereitzustellen. Diese beschreiben die kontinuierlich variierende Form, die Fallgeschwindigkeit und den Flüssigwasseranteil der Hydrometeore während ihres Schmelzens. Weiterhin werden die Auswirkungen von Turbulenz in der Luftströmung und von Kollisionen zwischen dem schmelzenden Hydrometeor und unterkühlten Wassertropfen untersucht. Die Experimente werden im Mainzer vertikalen Windkanal durchgeführt, der eine einzigartige Plattform zur Untersuchung einzelner Wolken- und Niederschlagsteilchen unter realen atmosphärischen Bedingungen darstellt. Die neuen Parametrisierungen der mikrophysikalischen Eigenschaften von schmelzenden Eis-Hydrometeoren aus den HydroCOMET Experimenten werden in Niederschlagsmodellen und Radaralgorithmen verwendet.
Das Projekt "Untersuchungen am Windkanal über das Bereifen von Eispartikeln - II: Einfluss von Turbulenz und Retention von wasserlöslichen Organika" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Institut für Physik der Atmosphäre durchgeführt. Das Vorhaben beabsichtigt die experimentelle Bestimmung der Retention in Form so genannter Retentionskoeffizienten der atmosphärischen Spurengase SO2, NH3, H2O2 und O3 in Eispartikeln. Als Ergebnis soll eine quantitative Beziehung zwischen der Gasretention von Graupelteilchen, der Unterkühlungstemperatur der Tropfen, der Oberflächentemperatur des Graupelteilchens und der Gaskonzentration in der Flüssigphase ermittelt werden.
Das Projekt "OPTIMice-close: Optimierte Kombination von polarimetrischen und Dreifrequenzradarmethoden zum verbesserten Verständnis der mikrophysikalischen Prozesse in kalten Wolken und dazugehörigen Regenfällen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Wolken und Niederschlag gehören zu den größten Herausforderungen für derzeitige Wetter- und Klimamodelle. Der letzte IPCC Bericht stellt heraus, dass insbesondere die mikrophysikalischen Prozesse in Mischphasenwolken bestehend aus Eis und flüssigen Wasser bislang nur unzureichend verstanden sind was wiederum eine bessere Modellierung dieser Wolken erschwert. Mischphasenwolken kommen besonders häufig in den höheren Breiten vor, aber auch die meisten Wolken und Niederschlagprozesse in mittleren Breiten sind eng mit den Eis- und Schneepartikeln im Oberteil der Wolke verknüpft.Um unser Verständnis von diesen zentralen Prozessen zu verbessern, wie etwa die Frage wie Eisteilchen entstehen oder wie sie zu Schnee- oder Graupelpartikel anwachsen, benötigen wir umfangreiche Beobachtungsdatensätze als Basis um Modellparametrisierungen weiter zu verbessern.Daher möchten wir in diesem Projekt neueste Fernerkundungsverfahren, wie etwa Radarpolarimetrie, Dreifrequenzradar und die Radardopplerspektren, optimal mit passiven Beobachtungen und neuartigen in-situ Sensoren kombinieren. Nur durch die Kombination verschiedener Beobachtungstechniken, hat man die Möglichkeit die verschiedenen Einflussgrößen der zugrunde liegenden Prozesse zu unterscheiden. Dazu werden wir die Beobachtungsmöglichkeiten bestehender Infrastruktur mit neuen Messgeräten grundlegend erweitern, um die beschriebenen Prozesse in bislang unerreichter Genauigkeit zu beobachten.Da Fernerkundungsmessungen (z.B. Radarreflektivität) immer eine indirekte Messung der eigentlichen Modellgröße (etwa Eiswassergehalt) sind, werden wir einen Forwärtsoperator entwickeln, mit dem man aus den Modellsimulationen synthetische Beobachtungen erzeugen kann. Damit lassen sich reale und synthetische Messgrößen direkt vergleichen. Ein zentraler neuer Bestandteil des Forwärtsoperators wird dabei eine Datenbank der Streueigenschaften von Schnee- und Eispartikel sein. Um einen frei-zugänglichen Streudatensatz zu erzeugen, werden wir bereits zur Verfügung stehende Datensätze mit eigenen Streurechnungen kombinieren.Schließlich werden die Kombination aus neuen Beobachtungsverfahren und Forwärtsoperator nutzen, um die Parametrisierungen im Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes zu untersuchen. Des Weiteren werden wir für spezielle Fallstudien, bei denen sich ein bestimmter Prozess über längere Zeit erkennen lässt, Simulationen mit einem 1D Modell durchführen. Das 1D Modell erlaubt eine Vielzahl an detaillierten Parametrisierungen zu testen und Lücken im generellen Prozessverständnis zu identifizieren. Diese Erkenntnisse können dann wiederum zu Verbesserungen vereinfachter Parametrisierungen in Wetter- und Klimamodellen genutzt werden. Am Ende des Projektes wollen wir nicht nur einen neuartigen Daten und Methoden zur Verfügung stellen, sondern auch neue Wege aufzeigen, wie die Informationen der Beobachtungen für die Verbesserung von Modellparametrisierungen am besten nutzbar gemacht werden können.
Das Projekt "OPTIMice: Optimierte Kombination von polarimetrischen und Dreifrequenzradarmethoden zum verbesserten Verständnis der mikrophysikalischen Prozesse in kalten Wolken" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Institut für Geophysik und Meteorologie durchgeführt. Wolken und Niederschlag gehören zu den größten Herausforderungen für derzeitige Wetter- und Klimamodelle. Der letzte IPCC Bericht stellt heraus, dass insbesondere die mikrophysikalischen Prozesse in Mischphasenwolken bestehend aus Eis und flüssigen Wasser bislang nur unzureichend verstanden sind was wiederum eine bessere Modellierung dieser Wolken erschwert. Mischphasenwolken kommen besonders häufig in den höheren Breiten vor, aber auch die meisten Wolken und Niederschlagprozesse in mittleren Breiten sind eng mit den Eis- und Schneepartikeln im Oberteil der Wolke verknüpft. Um unser Verständnis von diesen zentralen Prozessen zu verbessern, wie etwa die Frage wie Eisteilchen entstehen oder wie sie zu Schnee- oder Graupelpartikel anwachsen, benötigen wir umfangreiche Beobachtungsdatensätze als Basis um Modellparametrisierungen weiter zu verbessern. Daher möchten wir in diesem Projekt neueste Fernerkundungsverfahren, wie etwa Radarpolarimetrie, Dreifrequenzradar und die Radardopplerspektren, optimal mit passiven Beobachtungen und neuartigen in-situ Sensoren kombinieren. Nur durch die Kombination verschiedener Beobachtungstechniken, hat man die Möglichkeit die verschiedenen Einflussgrößen der zugrunde liegenden Prozesse zu unterscheiden. Dazu werden wir die Beobachtungsmöglichkeiten bestehender Infrastruktur mit neuen Messgeräten grundlegend erweitern, um die beschriebenen Prozesse in bislang unerreichter Genauigkeit zu beobachten. Da Fernerkundungsmessungen (z.B. Radarreflektivität) immer eine indirekte Messung der eigentlichen Modellgröße (etwa Eiswassergehalt) sind, werden wir einen Forwärtsoperator entwickeln, mit dem man aus den Modellsimulationen synthetische Beobachtungen erzeugen kann. Damit lassen sich reale und synthetische Messgrößen direkt vergleichen. Ein zentraler neuer Bestandteil des Forwärtsoperators wird dabei eine Datenbank der Streueigenschaften von Schnee- und Eispartikel sein. Um einen frei-zugänglichen Streudatensatz zu erzeugen, werden wir bereits zur Verfügung stehende Datensätze mit eigenen Streurechnungen kombinieren. Schließlich werden die Kombination aus neuen Beobachtungsverfahren und Forwärtsoperator nutzen, um die Parametrisierungen im Wettervorhersagemodell des Deutschen Wetterdienstes zu untersuchen. Des Weiteren werden wir für spezielle Fallstudien, bei denen sich ein bestimmter Prozess über längere Zeit erkennen lässt, Simulationen mit einem 1D Modell durchführen. Das 1D Modell erlaubt eine Vielzahl an detaillierten Parametrisierungen zu testen und Lücken im generellen Prozessverständnis zu identifizieren. Diese Erkenntnisse können dann wiederum zu Verbesserungen vereinfachter Parametrisierungen in Wetter- und Klimamodellen genutzt werden. Am Ende des Projektes wollen wir nicht nur einen neuartigen Daten und Methoden zur Verfügung stellen, sondern auch neue Wege aufzeigen, wie die Informationen der Beobachtungen für die Verbesserung von Modellparametrisierungen am besten nutzbar gemacht werden können.
Das Projekt "Spectroscopic characterization of the quasi-liquid layer" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Mainz, Institut für Geowissenschaften durchgeführt. Ziel des Teilprojektes ist die computermikrotomographische Erfassung der inneren Struktur von Graupelteilchen zur Rekonstruktion der 3D-Verteilung der Eis-, Wasser- und Luft-Phase bei unterschiedlichen Umweltbindungen. Weiterhin sollen Laboruntersuchungen an D2O-Eisoberflächen durchgeführt werden, um die Reaktionsart von Spurengasen an der Grenzfläche beider Phasen zu bestimmen und die Mechanismen der Retention von Spurengasen in gemischtphasigen Hydrometeoren zu analysieren.
Das Projekt "Die Detektion von Riming durch die Kombination von polarimetrischen Wetterradarmessungen-, Wettervorhersagemodellanalysen und Wolkenradar-Dopplerdaten, das Projekt POMODORI" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutsche Forschungsgemeinschaft durchgeführt. Die Bereifung (riming) ist ein Prozess, der unterkühlte Wassertröpfchen effizient in Eis umwandelt. Dieser Prozess hat daher einen signifikanten Einfluss auf die Bildung und Entwicklung von Niederschlag. Bereifung ist mit Fernerkundungsmethoden schwierig zu identifizieren und quantifizieren, und wird in Modellen noch unzureichend parametrisiert. Typischerweise werden nur intensive Bereifungsprozesse in Form von Graupel in Beobachtungs- und Modellstudien berücksichtigt Um ein besseres Verständnis über den Bereifungsprozess zu erhalten, werden in PROM-POMODORI operationelle polarimetrische Messungen aus dem C-Band Wetterradarverbund des DWD mit operationellen DWD ICON-D2 Wettervorhersagen und vertikalen Doppler-Messungen aus den hochauflösenden Wolkenradarmessungen aus JOYCE (Jülich) und vom Meteorologischen Institut der Ludwig-Maximilians-Universität in München, und auch von dem C-Band-Radarverbunds kombiniert. Aus vertikal sondierenden Doppler-Radarmessungen wird über die Fallgeschwindigkeit der Eispartikel der Bereifungsgrad quantifiziert. Der Bereifungsgrad auf Basis der JOYCE Wolkenradardaten wird dann mit den polarimetrischen Messungen aus dem Radarverbund und dem thermo(dynamischen) ICON-D2 Vorhersagen über ein maschinelles Lernverfahren korreliert. In dem man faktisch die Information aus (lokalen) Bereifungs-Retrievals von Doppler-Radarmessungen auf die räumlichen polarimetrischen und thermodynamischen Messfelder überträgt, wird die räumliche Variabilität der Bereifung in Niederschlagswolken für typische Niederschlagssituationen in Teilen Süddeutschlands untersucht. PROM-POMODORI wird die identifizierte Variabilität der Bereifung in Bezug zur ICON-D2-Gitterauflösung betrachten, und dabei untersuchen, wie significant die sub-skalige Bereifungsvariabilität ist. Darüber hinaus wird in PROM-POMODORI untersucht, ob die Güte des Bereifungs-Retrivals genutzt werden könnte, um als Indikator für kritische Flugzeug-Vereisungssituation zu dienen. Dabei werden die Retrieval-Ergebnisse, mit dem DWD ADWICE System verglichen, welches für die Luftfahrt Karten über Regionen mit potentiell kritischem Vereisungspotential zu Verfügung stellt.
Das Projekt "COORDINATION of the HALO Demo Mission 'Aerosol, Cloud, Precipitation, and Radiation Interactions and Dynamics of Extra-Tropical Convective Cloud System' (ACRIDICON)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Leipzig, Institut für Meteorologie durchgeführt. Konvektive Wolken können erheblichen ökonomischen Schaden verursachen aufgrund von starken Windböen, heftigen Schauern und Niederschlagen, welche teilweise mit Hagel, Graupel, und Gewittern verbunden sein können. Die Dynamik und Heftigkeit dieser ausgeprägten Wettererscheinungen werden bestimmt durch mikrophysikalische Prozesse bei der Wolken- und Niederschlagsbildung, welche beeinflusst werden können durch Aerosolpartikel und Wechselwirkungen mit atmosphärischer Strahlung. Weiterhin werden durch konvektive Wolken Spurengase und Aerosolpartikel prozessiert und umverteilt durch vertikalen Transport sowie Ein- und Ausmischen der Wolke mit der Umgebungsluft. Um diese Wechselwirkungen zwischen Spurengasen, Aerosolpartikeln und der Wolken- und Niederschlagsbildung sowie atmosphärischer Strahlung in außertropischen, konvektiven Wolken zu untersuchen, wurde die HALO Demo-Mission 'Aerosol, Wolken, Niederschlag, und Strahlungswechselwirkungen sowie Dynamik von außertropischen, konvektiven Wolkensystemen (ACRIDICON)' vorgeschlagen. ACRIDICON trägt bei zu zwei Schwerpunkten des SPP 1294 bei: 'Wolken und Niederschlag' und 'Transport und Dynamik in der Troposphäre und der unteren Stratosphäre'. Der vorliegende Antrag beinhaltet hauptsächlich die Organisation und das Management von ACRIDICON sowie teilweise einen Beitrag zur Analyse und Auswertung der Strahlungsmessungen, welche bei dieser HALO Demo-Mission gesammelt werden.
Das Projekt "Modellierung der heterogenen Umwandlung von Flugzeugemissionen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Fraunhofer-Außenstelle für Luftchemie durchgeführt. Das Gesamtziel des Forschungsvorhabens besteht in der Entwicklung eines Wolkenchemiemoduls, das durch die Kopplung von expliziter Mikrophysik (Nukleation, Diffusionswachstum von Tropfen und Eiskristallen, Koagulation, Riming von Eiskristallen und Graupel sowie kollisionsbedingtes Aerosolauswaschen) und detaillierter Wolkenchemie (diffusiver Stoffaustausch zwischen Gas- und Fluessigphase, Reaktionen in der Fluessigphase und an Eiskristalloberflaechen) in der Lage ist, die komplexen Prozesse der heterogenen Umwandlung von Flugzeugemissionen unter den spezifischen Umgebungsbedingungen der oberen Troposphaere und des Tropopausenbereichs zu erfassen. Als Resultat von Studien innerhalb eines Boxmodells werden etappenweise Parametrisierungen angestrebt, die zum Einsatz in den mehrdimensionalen Ausbreitungs- und Umwandlungsmodellen des Verbundvorhabens geeignet sind.
Die LUBW ist für die Überwachung der Luftqualität in Baden-Württemberg zuständig, mit dem Ziel Art und Wirkung von Luftverunreinigungen auf den Menschen und die Umwelt zu erkennen, zu erfassen und die Ursachen so weit wie möglich zu beseitigen oder zumindest zu begrenzen. Als Luftverunreinigungen werden gemäß dem Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) alle Veränderungen der natürlichen Zusammensetzung der Luft bezeichnet, beispielsweise durch Rauch, Ruß, Staub, Gase, Aerosole, Dämpfe und Geruchsstoffe. Im Zusammenhang mit unserer Umwelt ist die Emission die von einer Quelle ( Emittent ) ausgehende Freisetzung von festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen in die Atmosphäre. Die Emissionen können sowohl natürlichen Ursprungs als auch durch die Zivilisation bedingt (anthropogen) sein. Durch natürliche Ereignisse wie Waldbrände, Vulkanausbrüche (Emission von z. B. Ruß, Schwefeldioxid) und Sandstürme gelangen Schadstoffe in die Atmosphäre. Pflanzen emittieren Pollen sowie organische Gase, Sümpfe dagegen Methan. Anthropogen bedingte Emissionen stammen vor allem aus Verkehr, Industrie und Landwirtschaft. Beispiele hierfür sind die Schadstoffemissionen der Kraftfahrzeuge, die von einer Anlage ausgehenden Luftverunreinigungen oder Geräusche, der Straßenverkehrslärm und die Funkwellen von Sendemasten. Durch das Bundes-Immissionsschutzgesetz werden die Emissionen im Rahmen von Genehmigungen und Anordnungen begrenzt, mit dem Ziel Menschen, Tiere, Pflanzen, Böden, Gewässer sowie Sachgüter vor schädlichen Umwelteinwirkungen zu schützen. Die Immission ist die Einwirkung der an die Umwelt abgegebenen Stoffe. Das Erfassen und Bewerten der Immission ist wesentliche Aufgabe der Luftqualitätsüberwachung. Im Bundes-Immissionsschutzgesetz werden u. a. die allgemeinen Grundlagen und Regelungen zum Schutz von Mensch und Umwelt vor Luftverunreinigungen genannt. Die Transmission ist der Transport bzw. die Ausbreitung sowie mögliche Umwandlung der Stoffe in der Atmosphäre. Bei der Transmission unterliegen die Stoffe den witterungsbedingten atmosphärischen Verhältnissen. Die Deposition ist die Ablagerung von aus der Atmosphäre entfernten Stoffen auf belebten und unbelebten Oberflächen. Unterschieden wird zwischen nasser, trockener und feuchter Deposition. Mit der nassen Deposition werden gelöste und ungelöste Schadstoffe durch die Niederschläge (z. B. Regen, Schnee, Graupel) ausgewaschen. Diese Auswaschung als Selbstreinigung der Atmosphäre kann innerhalb von Wolken (Rainout) oder unterhalb der Wolkenbasis (Washout) erfolgen. Die Effektivität dieses Vorgangs, bestimmt durch den Rainout- bzw. Washout-Koeffizienten, hängt ab von den Die Wolken können die gebundenen Luftverunreinigungen aus verschiedenen Emissionsquellen zu entfernteren Gebieten transportieren. Dabei verändert sich das Verhältnis von trockener zu nasser Deposition von 10:1 in Emittentennähe auf 1:1 in emittentenferne Gebiete. Das heißt, während in der Nähe von Emissionsquellen die trockene Deposition den Hauptanteil der Gesamtdeposition bildet, nimmt der Anteil der nassen Deposition an der Gesamtdeposition mit der Entfernung zur Emissionsquelle zu und trägt dazu bei, dass Luftverunreinigungen auch zu empfindlichen Ökosystemen gelangen können. Die Sedimentation von Staubpartikeln (> 10 µm) durch Schwerkraft bzw. die Adsorption oder die Diffusion von Gasen, Feinstäuben und Aerosolen auf Oberflächen bedingen die trockene Deposition. Diese ist von der chemischen Zusammensetzung der bodennahen Luftschicht abhängig.