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 "Teilprojekt 4: Urbane Chemie und Luftreinhaltung für den LES-Modus" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Sondervermögen Großforschung, Institut für Meteorologie und Klimaforschung - Atmosphärische Umweltforschung (IMK-IFU) durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilprojekt 9: Urbane Chemie und Luftreinhaltung für den RANS-Modus" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Freie Universität Berlin, Institut für Meteorologie WE03 durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilprojekt 2: Urbane Strahlung und Gebäudeparametrisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Humboldt-Universität zu Berlin, Geographisches Institut - Klimageographie durchgeführt. 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.
Das Projekt "Teilprojekt 6: Datenmanagement und Benutzeroberfläche" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von GEO-NET Umweltconsulting GmbH durchgeführt. 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.
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 "Improved wind energy assessment based on coupled wind, terrain and vegetation modeling (WindLand)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Faculte ENAC, IIE, Laboratoire d'ingenierie eolienne et d'energie renouvelable durchgeführt. One of the main sources of uncertainty during the design and operation of wind energy projects is associated with our current limited ability to predict wind and turbulence at spatial and temporal scales relevant to wind turbine operation, particularly over complex terrain. Many mountainous regions with high wind energy potential (including the Jura region in Switzerland and the Carpathian Mountains in Romania) are characterized by multi-scale variability of land surface properties (topography and vegetation cover), which strongly affects the spatial distribution of wind and turbulence and, in turn, wind-turbine performance. Despite the recent efforts to develop high-resolution eddy-resolving flow simulation techniques such as Large-Eddy Simulation (LES) for assessing wind energy projects, their application to mountainous regions is still in its infancy. In order to be effective, LES needs to be properly coupled with high-resolution information of the relevant land surface properties, namely topography, aerodynamic surface roughness, and vegetation structure of tall canopies. This information could potentially be obtained using the latest advances in wavelet-based multi-resolution digital terrain modeling and vegetation modeling. The proposed research aims at developing and assessing a framework that integrates terrain and vegetation modeling concepts and tools in support of accurate wind modeling for wind energy applications over complex terrain. To achieve this, we propose a multidisciplinary approach that consists of coupling the following main modeling elements: (1) a new-generation tuning-free Large-Eddy Simulation technique for high-resolution predictions of wind and turbulence over complex terrain, with and without wind farms; (2) very high resolution Digital Elevation Models linked with novel, wavelet-based generalization and filtering techniques to provide description of the surface properties at the relevant scales; and (3) landscape and vegetation models to predict the potential feedbacks between atmospheric boundary layer processes (fluxes), as affected by the wind farms, and vegetation patterns. The resulting modeling framework will be applied to two case study areas for which high resolution terrain data will be available: one in the Swiss Jura region, and the other in the Romanian Carpathians. The proposed new modeling framework is expected to be a powerful tool for optimizing the design and operation of wind farms. In particular, it will be useful to maximize wind energy production and minimize fatigue loads (and associated maintenance costs) in wind farms. It will also allow us to study the effects of wind farms on land-atmosphere exchanges and fluxes of momentum, heat and water vapor, which are expected to affect the near-surface air temperature and moisture and, in general, the local meteorology. (...)
Das Projekt "Teilvorhaben 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz Universität Hannover, Institut für Meteorologie und Klimatologie durchgeführt. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung und Generierung einer Reihe von Benchmark-Fällen, die von der HD(CP)2-Gemeinschaft genutzt werden können. Darüber hinaus soll erkundet werden, wie die Unsicherheiten bei der Repräsentation von Landoberflächen, der Wolkenmikrophysik und des Aerosols die Interpretation der geplanten HD(CP)2-Simulationen beeinflussen können. Die Benchmark-Fälle werden aus einer Reihe von koordinierten Simulationen bestehen, bei denen zwei etablierte Large-Eddy Simulations (LES)-Modelle zum Einsatz kommen. Diese Simulationen dienen als Referenz zum Testen des HD(CP)2 Modells und als Datenquelle zur Evaluierung von in anderen Teilprojekten eingesetzten Modellen. Am IMuK wird ein Teil des HD(CP)2 Benchmarking Projektes bearbeitet. Zusammen mit den Projektpartnern vom MPI-M in Hamburg wird das Setup für eine Prototyp-Simulation aufgestellt. Dieses Setup soll den Tagesgang einer konvektiven Grenzschicht abbilden und auf Messungen basieren. Ein wesentlicher Aspekt dieses Vorhabens ist es, die sich für das HD(CP)2-Modell ergebenden Unsicherheiten bezüglich der Parametrisierung von Landoberflächenheterogenitäten zu ermitteln.
Das Projekt "Development of a Large-Eddy Simulation framework for wind energy studies" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Institut de Thermique, Laboratoire d'Energetique Industrielle durchgeführt. 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.
Das Projekt "Synoptische Messung von Druck- und Geschwindigkeitsfeldern zur Analyse der Interstitialbelastung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Karlsruhe (TH), Institut für Hydromechanik durchgeführt. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes sollen die instationären hydrodynamischen Vorgänge über und innerhalb rauer, poröser Gerinnesohlen experimentell erfasst werden. Ziel ist die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Beschreibung der physikalischen Belastungen bis hin zur Destabilisierung einer Kiesdeckschicht. Zur Prozessvisualisierung vorgesehen ist der simultane Einsatz von bis zu 16 miniaturisierten hochsensiblen Drucksensoren an und innerhalb der Gerinnesohle sowie eines 2-D PIV (Particle Image Velocimetry) Systems. Ergänzt werden die Messungen durch den Einsatz einer künstlichen Kiespore mit 3-D PIV (Particle Tracking Velocimetry) und eines 1-D ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler). Durch eine Identifikation der maßgeblichen Interaktionsmechanismen können zukünftig verbesserte Ansätze zu Sedimentstabilitäts- und Transportfunktionen entwickelt werden. Des Weiteren sollen die gesammelten Messdaten zur Validierung numerischer Modelle in 3-D, insbesondere von LES (Large-Eddy-Simulationen), sowie in 2-D und 1-D genutzt werden. Eine erweiterte Übertragung der Ergebnisse auf Aussagen zum Stoffhaushalt im Ökosystem des Sohlsubstrates, dem hyporheischen Interstitial, ist möglich. Im Fernziel stehen verlässlichere Prognosemodelle zum Management von Flusssedimenten: An der Staustufe lffezheim z.B. erfordert der Ausgleich des Geschiebedefizites die Verklappung von jährlich 170.000 m3 Kies, lediglich bemessen nach Peilaufmaß. Eine wissenschaftlich fundiertere, optimierte Lösung des Problems birgt hier ein hohes Potenzial zu Umweltschutz und nachhaltiger Ressourcenschonung.
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