Das Projekt "Predictability of local Weather - C5: Forecast uncertainty for peak surface gusts associated with European cold-season cyclones" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Department Troposphärenforschung durchgeführt. Predictions of the track and intensity of severe cyclones have substantially improved over recent decades but accurate predictions of the location, timing, and intensity of peak surface gusts remain challenging. Such information is of utmost importance for storm damage and warnings to the population. The general approach is to break down sources of uncertainty according to the different scales involved using appropriate modeling and observational datasets and methods: - On the synoptic scale the focus will be on the track and intensity of the cyclone associated with the extreme gusts over Germany. Forecast uncertainty will be quantified statistically for the top 2% of gust events using global ensemble prediction systems and objective tracking methods. Standard gust parameterizations will be applied to these datasets. (A) - For the investigation of mesoscale processes, suitable case studies will be selected from the sample identified under (A). Physical processes of main interest in this context are 'sting jets', descending wind speed maxima in the middle troposphere in the area of bent-back warm fronts, and moist convection, for example as occurring along cold fronts, and their associated cold pools. Observational datasets to be used in this context include gust measurements from the network of the German Weather Service (DWD), space-borne scatterometer data over the North and Baltic Seas, radiosondes, and wind profilers. Forecast uncertainty will be assessed on the basis of LEPSs, taking into account uncertainty resulting from the driving synoptic scale analyzed under (A). Targeted high-resolution simulations using the COSMO model will be conducted for detailed process studies, e.g., of sting jet formation. - Factors influencing the prediction of gusts, which are not resolved by current weather prediction models, include turbulent mixing of momentum into and across the boundary layer, particularly in areas of large shear at mid-levels as for example underneath sting jets. These aspects will be addressed with observations from ground-based and aircraft-borne wind lidar operated by the Karlsruhe Institute of Technology as well as wind towers and wind profilers, which will be compared to Large Eddy simulations. Selected cases will include existing data and new observations taken as part of the project. The final outcome from this project will be an integral assessment of the relative contributions from different scales and processes to forecast uncertainty of strong wind gusts over Germany during the winter half year as well as of the quality of widely used gust parameterizations. This will enable the provision of concrete guidance to operational forecasters and model developers.
Das Projekt "Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für Meteorologie durchgeführt. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung und Generierung einer Reihe von Benchmark-Fällen, die von der HD(CP)2-Gemeinschaft genutzt werden kann. Darüber hinaus soll erkundet werden, wie Unsicherheiten bei der Repräsentation von Landoberflächen, der Wolkenmikrophysik und des Aerosols die Interpretation der geplanten HC(CP)2-Simulationen beeinflussen können. Die Benchmark-Fälle werden aus einer Reihe von koordinierten Simulationen bestehen, bei denen zwei etablierte Large Eddy Simulation (LES)-Modelle zum Einsatz kommen. Diese Simulationen dienen als Referenz zum Testen des HC(CP)2-Modells und als Datenquelle zur Evaluierung von in anderen Teilprojekten eingesetzten Modellen. Das MPI-M arbeitet als Teil des HD(CP)2 Benchmarking Projektes. Dabei geht es um die Anwendung von zwei fein-skaligen (LES) Modellen, mit denen Benchmark-Fälle generiert und dann anderen Projektpartnern zur Beurteilung des HD(CP)2 Konzeptes bereitgestellt werden. Zusammen mit Projektpartnern aus Hannover wird auch ein Prototyp mit einem täglichen Zyklus entwickelt. Alle Modell Simulationen werden im Rahmen von Workshops vorgestellt und verfügbar gemacht. Ein wesentlicher Aspekt der Untersuchungen ist es, die Unsicherheit der parametrisierten Prozesse zu bestimmen, wie mikrophysikalische Annahmen bei der Wolkenbildung, wie Turbulenz-Schemata oder wie Wechsel-Wirkungen zwischen Aerosolen und Wolken. Dieses erfordert eine enge Zusammenarbeit mit anderen Teilprojekten des HD(CP)2.
Das Projekt "Strömungsformen bei Vermischung in der Umgebung eines Rohrleitungs T-Stücks (KEK)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Stuttgart, Institut für Kernenergetik und Energiesysteme durchgeführt. Die Strömungsturbulenz in Rohrleitungssystem von Kernkraftwerken ist für Ermüdungs- und Korrosionsphänomene verantwortlich und kann somit nach langen Laufzeiten Fehlfunktionen oder Schädigungen in den Komponenten von Kühlkreisläufen auslösen. Stellvertretend sollen im PVC-Versuchsstand des IKE Strömungen ohne und mit Dichteschichtung nahe einer generischen Einspeisestelle (horizontales T-Stück) untersucht werden, unter welchen Bedingungen sich unterschiedliche Strömungsformen mit Dichteschichtung ausbilden und welche Stabilitätseigenschaften diese Strömungsform gegenüber einer Veränderung der Bedingungen (Impulsverhältnis, Schichtungsparameter) in den Zuflüssen besitzt. Die Strömung und ihre Stabilität soll begleitend mit dem Simulationsprogramm OpenFoam, berechnet werden. Diese Methode kann eingesetzt werden, um die Strömungs-Struktur Wechselwirkung im Rohrleitungsversuchsstand sowie Strömungen in Rohrleitungssystemen von Kernkraftwerken zu simulieren. Zunächst soll der PVC-Versuchsstand für die durchzuführenden Experimente angepasst werden. Die Dichteschichtung wird durch Verwendung von Glykollösung im Seitenstrang hergestellt. Als Messtechnik werden Kameras sowie die Particle-Image Velocimetrie (PIV) eingesetzt. Für ausgewählte Parameterwerte der Strömungsformenkarte sollen detaillierte Experimente sowie der mittleren Geschwindigkeit und der turbulenten Fluktuationen durchgeführt werden. In Wandnähe sollen die Turbulenzstrukturen (Längsstreifen, Längswirbel) visualisiert werden. Das Programm OpenFoam sollen umfangreiche Large-Eddy Simulationen mehrerer ausgewählter Fälle durchführen. Die gemessenen Daten dienen zum Vergleich, damit die Anwendbarkeit der numerischen Methode überprüft werden kann.
Das Projekt "Wolken- und Niederschlagsprozesse im Klimasystem - HD(CP)2: Projekt M4 - Landoberfläche" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Department Troposphärenforschung durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Deutscher Wetterdienst, Geschäftsbereich Forschung und Entwicklung durchgeführt. Im Teilprojekt M1-1A wird der dynamische Kern des Modells ICON so erweitert, dass es auch für Large-Eddy-Simulationen einsetzbar sein wird. Hierzu ist insbesondere eine geeignete Parametrisierung subskaliger Turbulenz zu implementieren, die aufgrund der speziellen Gitterstruktur des ICON nicht einfach von anderen Modellen übernommen werden kann. Zudem sind weitere Optimierungen des dynamischen Kerns für die effiziente Nutzung massiv-paralleler Rechnerarchitekturen erforderlich. In Teilprojekt M1-1B werden Programme zur Bereitstellung externer Parameter (Topographie, Boden- und Landnutzungsdaten) sowie zur Generierung von Anfangs- und Randdaten so weiterentwickelt, dass Rohdaten mit einer Auflösung unter 100 m eingelesen werden können und Gebietsgrößen mit mehr als 50 Mio. Gitterpunkten verarbeitet werden können. In beiden Teilprojekten wird das ICON-Modell sowie die zugehörige Preprocessing-Software so erweitert und optimiert, dass sie den besonders hohen softwaretechnischen Anforderungen (v.a. Parallelisierung und Tauglichkeit bei sehr hohen Modellauflösungen) gerecht wird. Hierfür wird im Grundsatz auf bekannten Methoden aufgebaut, im Detail werden aber auch neuartige Ansätze erforderlich sein. Die Entwicklungen des Moduls M1 bilden die Grundlage für die zweite Projektphase von HD(CP)2 und somit für den Erfolg des Gesamtprojekts. Darüber hinaus kommen die Ergebnisse allen Nutzern des ICON-Modells zugute, das nach dem Erreichen eines hinreichenden Konsolidierungsgrades als Community-Modell den Universitäten und Forschungsinstituten zur Verfügung stehen wird.
Das Projekt "Vortexdynamik und Horizontaltransport von Waerme und Masse als Folge von Tiefenkonvektion" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung e.V. (AWI) durchgeführt. The project was dedicated to a thorough theoretical and numerical investigation of the generation and dynamics of localized vortices and the resulting lateral vortex heat/mass transport in rotating slantwise convection processes. These processes occur in fluids with both vertical and horizontal density (temperature) gradients and dominate the lateral vortex heat/mass transport in the ocean. By joint efforts, scientists from Germany and Russia with background in atmospheric and ocean sciences have worked on the modelling and parameterization of horizontal heat/mass transport due to deep convection events in the ocean. The following main results were obtained during the two-year period of research: - we have clarified the structure of turbulent and mean fields in convective region by a systematic high resolution numerical study of the coherent vortex structures generated by convection with rotation, using a LES (Large Eddy Simulation) model, - we have developed an analytical theory for the lateral heat/mass transport dominated by localized baroclinic vortices, based on 3D-heton and multi-layer-heton models, and implemented it in numerical models; - we have found out the specific phenomenon of mixing-depth-dependent spreading and a linear power law for the spreading of the mean radius of heton populations, which form a basis for physically justified parameterizations for lateral eddy heat/mass transport dominated by localized baroclinic vortices.
Das Projekt "Turbulent Exchange processes between Forested areas and the Atmosphere' (TurbEFA)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Bereich Bau und Umwelt, Fachrichtung Hydrowissenschaften , Institut für Hydrologie und Meteorologie, Professur für Meteorologie durchgeführt. Das Gemeinschaftsprojekt hat zum Ziel, die Effekte von Waldkanten und anderer Inhomogenitäten auf die Grobturbulenz atmosphärischer Strömungen in der Grenzschicht bei Modellierung und Flussmessung besser zu berücksichtigen. Dazu arbeiten die Antragsteller in einem experimentellen und numerischen Teil eng zusammen und stimmen ihre Vorgehensweisen so ab, dass in jedem Teilprojekt die meteorologischen und strömungsmechanischen Belange vertreten sind. Von besonderer Bedeutung in beiden Teilprojekten ist der anwendungsorientierte Aspekt der Ausbreitung von Spurenstoffen (v.a. CO2 und Schadstoffen) im Bereich des Waldes und seinen Rändern. Durch die Untersuchungen der kleinräumigen Strömungs- und Austauschprozesse an Waldrändern und Lichtungen mittels Large Eddy Simulation sollen genauere Ansätze für die Berücksichtigung dieser Vorgänge in Grenzschichtmodellen (AGS) entwickelt werden. Gleichzeitig wird eine vorhandene 1-D-AGS Version (HIRVAC) zu HIRVAC-2D weiterentwickelt. Durch Experimente im Freiland (Messung eines Transekts mit Türmen über Waldkanten hinweg) und im Windkanal sollen die Parameter für die numerische Modellierung bestimmt und Parametermodelle entwickelt werden. Weiterhin dienen die Daten der Anpassung der Modellauflösung und Validierung der Ergebnisse der numerischen Modelle. Die Projektergebnisse sollen ermöglichen, Messmethoden für Flüsse und Spurengase neu zu bewerten und Messunsicherheiten unter komplexen Bedingungen zu quantifizieren und zu verringern. Sie sollen auch dazu beitragen, die Parametrisierung inhomogener Oberflächen als Randbedingung von Atmosphärenmodellen zu verbessern.
Das Projekt "Simulation der Bewegung von Partikeln in turbulenter Kanalstroemung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Kaiserslautern, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Lehrstuhl für Mechanische Verfahrenstechnik und Strömungsmechanik durchgeführt. Der Transport von Feststoff durch ein fluides Traegermedium ist die Grundlage vieler verfahrenstechnischer Prozesse (Mischen, hydr und pneum Transport). Stroemt das Traegerfluid turbulent, sind die Transportkoeffizienten keine reinen Stoffgroessen mehr, sondern werden ganz entscheidend durch die Stroemungsform bestimmt. Um diese Abhaengigkeiten aufzudecken, werden eine turbulente Kanalstroemung sowie die Bewegung der darin befindlichen Partikeln numerisch simuliert. Grundlage fuer die Simulation der turbulenten Kanalstroemung sind die Navier-Stohes'schen Gleichungen (large-Eddy-Simulation). Den Ausgangspunkt fuer die Partikelbewegung bildet die von Basset, Boussinesy und Osecu abgeleitete Gleichung fuer die Bewegung einer Einzelpartikel. Die Auswertung der Ergebnisse fuer ein hinreichend grosses Partikelkollektiv liefert die gewuenschten Transportkoeffizienten fuer den vorliegenden Fall der Kanalstroemung.
Das Projekt "Teilprojekt E03: Prozessbasierte Einschätzungen von arktischen tiefen Wolken" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Köln, Institut für Geophysik und Meteorologie, Bereich Meteorologie, Arbeitsgruppe Integrierte Fernerkundung durchgeführt. 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.
Das Projekt "Untersuchung kohaerenter Turbulenzstrukturen in offenen Gerinnen mit ueberstroemten Vorlaendern" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Hochschule Aachen, Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft durchgeführt. Das physikalische Phaenomen der Turbulenz wird innerhalb der Stroemungsmechanik seit langem intensiv erforscht. Trotzdem ist es bislang nicht gelungen, einen umfassenden Kenntnisstand zu erhalten. Da Turbulenz aber der alles bestimmende Faktor fuer fast alle in der Natur vorkommenden Stroemungen ist, ist ein tiefergehendes Verstaendnis auf diesem Gebiet von entscheidender Bedeutung. Mathematisch-numerische Berechnungsverfahren werden erst dann in der Lage sein, natuerlich auftretende Stroemungen korrekt und vollstaendig zu simulieren, wenn sie den Energieverlust durch Turbulenz ausreichend exakt und vor allen Dingen ohne empirische Koeffizienten beschreiben koennen. Die bisherige Erforschung der Turbulenz wurde dominiert durch eine statistische Beschreibung der Schwankungsgroessen. Der Grund dafuer liegt einerseits bei dem Zeitmittelungsverfahren nach Reynolds und andererseits bei der verfuegbaren Messtechnik (z.B. Hot-Film-Anemometrie oder Laser-Doppler-Velocimetry), die lediglich Punktmessungen erlauben. Dabei ergibt sich ein recht eingeschraenktes Bild der Turbulenz, welche in Wirklichkeit durch kohaerente Strukturen (z.B. Wirbel) gekennzeichnet ist, die hinsichtlich Ort und Zeit stochastisch auftreten. Das beantragte Forschungsprojekt moechte durch experimentelle Untersuchung kohaerenter turbulenter Strukturen in offenen Gerinnestroemungen den Kenntnisstand ueber Turbulenz in intensiven Vermischungszonen, erweitern. Damit soll zum einen die Luecke zur statistischen Beschreibung geschlossen werden. Zum anderen sollen experimentelle Daten bereitgestellt werden, die eine Verifikation von Large-Eddy- und Direkter-Numerischer-Simulation (LES und DNS) erlauben. Der Forschungsansatz besteht in der Anwendung von Methoden zur Stroemungsvisualisierung und zur Particle-Image-Velocimetry, mit deren Hilfe turbulente Strukturen in einem Versuchsgerinne mit gegliedertem Querschnitt in der Interaktionszone zwischen Hauptgerinne und Vorland visualisiert und messtechnisch erfasst werden sollen. Hiermit soll ein Beitrag zum grundlegenden Verstaendnis ueber die Turbulenz in gegliederten Gerinnen erarbeitet werden.
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