Der Umgang mit Nichtlinearitäten und die Frage des Upscaling stellen eine der größten Herausforderungen für technische und umweltrelevante Anwendungen im Gebiet der Strömungs- und Transportphänomene in porösen Medien dar. Eine Vielzahl hierarchischer (räumlicher und zeitlicher) Skalen können in porösen Medien identifiziert werden, die im Allgemeinen mit deren Heterogenitätsstrukturen zusammenhängen. Strömungs- und Transportphänomene können von gekoppelten Mechanismen verursacht oder beeinflusst werden, die von einem nichtlinearen Zusammenspiel von physikalischen, (geo-)chemischen und/oder biologischen Prozessen herrühren. Um Probleme auf diesem Feld sinnvoll angehen zu können, ist eine interdisziplinäre Umgebung unerlässlich. Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeichnen sich in den unterschiedlichsten Arbeitsgebieten aus: angewandte Mathematik, Umwelt- und Bauingenieurwesen, Geowissenschaften und Erdölingenieurwissenschaften. Die gemeinsamen niederländisch-deutschen Forschungsprojekte werden an der TU Delft, der TU Eindhoven, der Universität Utrecht und der Universität Stuttgart durchgeführt. Grundlagenforschung, so wie etwa die Anwendung stochastischer Modelle und die Entwicklung effizienter numerischer Methoden, soll mit angewandter Forschung auf Feldern wie der Optimierung von Brennstoffzellen, Sequestrierung von CO2 oder der Vorhersage von Hangrutschungen verbunden werden. Als mögliche weiterführende Themen werden auch Anwendungen in der Papierherstellung oder der Biomechanik angestrebt. Ein zentraler Aspekt des Internationalen Graduiertenkollegs ist ein Lehrprogramm, das die Unterstützung von Lehre und Forschung von jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zum Ziel hat. Dies soll erreicht werden, indem anspruchsvolle Kurse angeboten werden, die typischerweise die Fragestellungen der jungen Wissenschaftler abdecken. Außerdem soll alle vier Wochen via Videokonferenz ein Graduiertenseminar zur Diskussion von Forschungsergebnissen stattfinden. Es soll weiterhin ein Austauschprogramm geben, das Doktorandinnen und Doktoranden erlaubt, sechs bis neun Monate im Partnerland zu verbringen. Das somit entstehende internationale und interdisziplinäre Umfeld wird es Doktorandinnen und Doktoranden ermöglichen, effizient Spitzenforschung auf dem Feld der Nichtlinearitäten und des Upscaling im Untergrund durchzuführen.
Unsere Motivation ist es, die Rolle von gelöstem organischem Material (DOM) in marinen Oberflächenfilmen (SML) als eine Schlüsselkomponente zu verstehen, die den Gasaustausch zwischen Atmosphäre und Meer, die Karbonatchemie, sowie die Ökophysiologie der assoziierten Organismen beeinflusst (Engel et al., 2017). Während unserer Vorarbeiten haben wir Hinweise auf einen bisher unbekannten Zusammenhang zwischen DOM und Karbonatchemie in der SML gefunden, sowie auf eine hohe räumlich-zeitliche Dynamik in der DOM-Zusammensetzung. Obwohl die hohe Heterogenität des SML-DOM-Geometabolom (d.h. die Gesamtheit des DOM-Pools, der durch biotische und abiotische Prozesse produziert und modifiziert wird) bekannt ist, gibt es wenige detaillierte Studien darüber. Insgesamt gibt es noch kein mechanistisches Verständnis darüber, unter welchen Bedingungen DOM in der SML in verschiedene chemische Fraktionen aufgeteilt wird. Dies liegt an der derzeit geringen Verfügbarkeit von Daten von einer größeren Anzahl von Untersuchungsstandorten unter unterschiedlichen Umwelt- und Versuchsbedingungen, sowie an einen Mangel an interdisziplinären Studien, die Physik, Geochemie und Biologie kombinieren. Mit anderen Worten, uns fehlen grundlegende (organo-)geochemische Informationen von der größten Luft-Wasser-Grenzfläche der Erde, mit unbekannten Konsequenzen für den damit verbundenen Austausch von klimarelevanten Gasen. In diesem Projekt streben wir an, diese Lücke durch sich ergänzende Messungen der DOM-Zusammensetzung und anorganischer Kohlenstoff-Systemparameter zu schließen. Die Relevanz für die Forschungseinheit BASS ergibt sich aus dem Ziel unseres Teilprojekts, die fehlenden grundlegenden biogeochemischen Informationen des SML-DOM-Inventars zur Verfügung zu stellen und sie in den Kontext der Ökosystemprozesse in der SML zu setzen, einschließlich der DOM-Produktion (SP1.1) sowie des mikrobiellen (SP1.2) und photochemischen (SP1.4) Umsatzes. Darüber hinaus werden wir den Beitrag des DOM-Geometaboloms zum Säure-Basen-Gleichgewicht der SML untersuchen, von dem wir erwarten, dass es die Gasgleichgewichte in der Grenzfläche - insbesondere im Kohlensäuresystem und damit auch die Treibhausgasflüsse - beeinflusst (SP2.1).
Aims: Floods in small and medium-sized river catchments have often been a focus of attention in the past. In contrast to large rivers like the Rhine, the Elbe or the Danube, discharge can increase very rapidly in such catchments; we are thus confronted with a high damage potential combined with almost no time for advance warning. Since the heavy precipitation events causing such floods are often spatially very limited, they are difficult to forecast; long-term provision is therefore an important task, which makes it necessary to identify vulnerable regions and to develop prevention measures. For that purpose, one needs to know how the frequency and the intensity of floods will develop in the future, especially in the near future, i.e. the next few decades. Besides providing such prognoses, an important goal of this project was also to quantify their uncertainty. Method: These questions were studied by a team of meteorologists and hydrologists from KIT and GFZ. They simulated the natural chain 'large-scale weather - regional precipitation - catchment discharge' by a model chain 'global climate model (GCM) - regional climate model (RCM) - hydrological model (HM)'. As a novel feature, we performed so-called ensemble simulations in order to estimate the range of possible results, i.e. the uncertainty: we used two GCMs with different realizations, two RCMs and three HMs. The ensemble method, which is quite standard in physics, engineering and recently also in weather forecasting has hitherto rarely been used in regional climate modeling due to the very high computational demands. In our study, the demand was even higher due to the high spatial resolution (7 km by 7 km) we used; presently, regional studies use considerably larger grid boxes of about 100 km2. However, our study shows that a high resolution is necessary for a realistic simulation of the small-scale rainfall patterns and intensities. This combination of high resolution and an ensemble using results from global, regional and hydrological models is unique. Results: By way of example, we considered the low-mountain range rivers Mulde and Ruhr and the more alpine Ammer river in this study, all of which had severe flood events in the past. Our study confirms that heavy precipitation events will occur more frequently in the future. Does this also entail an increased flood risk? Our results indicate that in any case, the risk will not decrease. However, each catchment reacts differently, and different models may produce different precipitation and runoff regimes, emphasizing the need of ensemble studies. A statistically significant increase of floods is expected for the river Ruhr in winter and in summer. For the river Mulde, we observe a slight increase of floods during summer and autumn, and for the river Ammer a slight decrease in summer and a slight increase in winter.
Peroxyradikale sind kurzlebige Spezies, die an den meisten Oxidationsprozessen in der Atmosphäre beteiligt sind, die zur Bildung von langlebigeren und chemisch oder toxikologisch wichtigen Schadstoffen wie Ozon führen. Insbesondere in Gebieten, die von komplexen Emissionsquellen betroffen sind, sind Peroxyradikal-Messmethoden mit ausreichender Genauigkeit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit erforderlich, um die chemische Umwandlung der städtischen Umweltverschmutzung zu verstehen. In dieser Hinsicht ermöglichen Vergleiche von state-of-the-art Sensoren in chemischen Reaktorkammern deren Charakterisierung unter kontrollierten Bedingungen und verbessern das Vertrauen in die Messung von Peroxyradikalen.SPRUCE strebt ein besseres Verständnis der Rolle der Peroxyradikale bei atmosphärischen chemischen Umwandlungen an, die aus der Wechselwirkung zwischen urbanen anthropogenen und ländlichen biogenen Emissionen resultieren. Im Rahmen der vorgeschlagenen Arbeit wird das vorhandene PeRCEAS-Instrument (Peroxy Radical Chemical Enhancement and Absorption Spectrometer) an der Messkampagne des internationalen Projekts ACROSS (Atmospheric ChemistRy Of the Suburban Forest) zur Untersuchung des Schadstoffausflusses von Paris über ein Waldgebiet, und in der internationalen Vergleichsstudie ROxCOMP22 für wissenschaftliche Instrumente, die atmosphärische Peroxyradikale teilnehmen. Diese beiden Messkampagnen befassen sich mit zwei Hauptaspekten von SPRUCE. Sie bieten eine einzigartige Gelegenheit für a) die Messung von Peroxyradikalen in der spezifischen Umgebung von Interesse und in Verbindung mit einer umfangreichen Reihe von Beobachtungen, die für die Interpretation der Radikalchemie von wesentlicher Bedeutung sind, und b) die Bewertung der Datenqualität und Leistungsfähigkeit von PeRCEAS, insbesondere die Überprüfung der Sensitivität und Effizienz für die Speziation der Radikale unter kontrollierten Bedingungen.Ein Schwerpunkt der Studie wird auf der Untersuchung von Oxidationsreaktionen und Ozonausbeuten in Luftmassen mit unterschiedlicher anthropogener/biogener Signatur in Abhängigkeit von der Menge und Zusammensetzung von Peroxyradikalen liegen. Numerische Berechnungen und Modelle werden durch die Beobachtungen von Vorläuferspezies eingeschränkt, um die Budgets von Peroxyradikalen abzuschätzen. Der Vergleich mit den PeRCEAS-Messungen wird verwendet, um das Verständnis der Oxidationsmechanismen in urbanen Plumes gemischt mit biogenen Emissionen zu testen. Es wird erwartet, dass die Analyse des resultierenden Datensatzes das aktuelle Wissen über die chemische Transformation von Megacity-Emissionen während des atmosphärischen Transports ergänzt.
Für die Charakterisierung und Quantifizierung der Konnektivität von hydrostratigraphischen Einheiten in Porengrundwasserleitern ist im Vergleich zur Erfassung und Quantifizierung der räumlichen Verteilung hydraulischer Leitfähigkeiten bisher nur wenig Forschung betrieben worden. Dies trifft nicht nur auf die theoretische Betrachtung der Konnektivität von Aquiferstrukturen verschiedener Größenordnungen zu, sondern insbesondere auch auf deren Erfassung und Quantifizierung durch Feldversuche. Die Unsicherheiten bezüglich der Kontinuität hydrostratigraphischer Einheiten genauso wie die bisher noch größere Unsicherheit bezüglich ihrer Konnektivität, führen immer noch zu teils erheblichen Problemen bei der Betrachtung, Modellierung und Vorhersage des realen, natürlichen Stofftransports insbesondere in heterogenen Grundwasserleitern. Daher glauben wir, dass eine genauere Betrachtung und Erforschung von Konnektivität von wesentlicher Relevanz für die Erfassung der Stofftransporteigenschaften in heterogenen Aquiferen ist. In diesem Zusammenhang basiert unsere initiale Arbeitshypothese auf einer Verbindung zwischen Konnektivität und Signalimpulsen verschiedener Frequenzbereiche von hydraulischen Messungen als auch für Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP). Dabei soll der Zusammenhang zwischen Signalfrequenz und Signalamplitudendämpfung (für SIP zusätzlich Phasenverschiebung) als möglicher Indikator (oder als Maß) für verschiedenartige Konnektivitäten untersucht werden. Ausgangspunkt dieses Projektes ist zunächst die Entwicklung eines oder mehrerer theoretischer Konnektivitätskonzepte. Weiterhin soll das Potential geophysikalischer (SIP) und hydraulischer Messungen (z.B. Direct Push gestützte Cross-Hole oder Slug Interference Tests) sowie eine Kopplung von hydraulischen und geophysikalischen Messungen untersucht werden. Dabei soll vor allem die erwähnte Frequenzabhängigkeit der gemessenen Signale für verschiedene Konnektivitätsszenarien näher betrachtet werden um deren Eignung für die Erfassung der Konnektivität zu prüfen. Dafür werden direkt vergleichbare und simultan durchgeführte Laborversuche und numerische Simulationen der unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien betrachtet. Die Experimente und Simulationen werden dabei mit steigender Komplexität, auf unterschiedlichen Größenordnungen und dementsprechend mit unterschiedlichen Konnektivitätsszenarien realisiert. Die Ergebnisse der Simulationen und Experimente sollen dann genutzt werden, das entwickelte theoretische Konzept (bzw. die Konzepte) iterativ anzupassen und zu optimieren. Das Hauptziel des Projektes besteht darin, dass auf der Basis des optimierten theoretischen Konnektivitätskonzepts die Ergebnisse der (simulierten) Labor- und Feldexperimente nutzen zu können, um Konnektivität messen und diese neue Information letztendlich in Strömungs- und Transportmodelle einfließen lassen zu können.
Schwerewellen (GWs) sind zu kleinskalig, um in den heutigen Wetter- und Klimamodellen aufgelöst zu werden. Sie müssen daher parametrisiert werden, da sie einen starken Einfluss auf die Dynamik der großen Skalen haben. Parametrisierungen existieren für orographisch und konvektiv erzeugte GWs, während für die GW-Quellen entlang großskaliger Jets noch keine etablierte Parametrisierung vorliegt. Die Quellen resultieren aus einer spontanen Imbalance (SI) der großskaligen quasi-geostrophischen Strömung. Die Untersuchung von Schwerewellenabstrahlung durch SI ist schwierig, da die GWs in ein sehr komplexes zeitabhängiges Strömungsfeld eingebettet sind, mit einer großen Zahl von interagierenden Prozessen. Auch die Validierung von Parametrisierungen wird dadurch erschwert. Daher kombinieren wir Theorie und numerische Modellierung mit ergänzenden Laborexperimenten. Laborexperimente garantieren eine Reproduzierbarkeit der betrachteten großskaligen Strömungssituation. Die direkte Korrespondenz zwischen den experimentellen Daten und den Modelldaten und die erwähnte Reproduzierbarkeit machen das Laborexperiment zu einem idealen Prüfstand für Parametrisierungen und für die Untersuchung klimarelevante Prozesse. Das differenziell beheizte rotierende Zylinderspalt-Experiment, welches an der BTU (Brandenburg Technische Universität Cottbus-Senftenberg) aufgebaut und betrieben wird, stellt die Referenzdaten für Benchmark-Simulationen an der GU-F (Goethe Universität Frankfurt) und dem IAP (Leibniz Institut für Atmosphärische Physik, Kühlungsborn) bereit. Dabei stehen Experimente im Vordergrund, die zeigen sollen, welche baroklinen Strömungen eine besonders ausgeprägte GW-Abstrahlung aufweisen. Ergänzend dazu werden idealisierte numerische Simulationen an der GU-F und dem IAP durchgeführt, um die Variabilität der GWs und den Abstrahlungsprozess zu untersuchen. Wichtig ist dabei, einen Zusammenhang zwischen verschiedenen großskaligen Strömungen und der mesoskaligen GW-Quelle herzustellen und diesen Zusammenhang mittels grob aufgelöster Wellenstrahlenmodelle zu validieren. Ziel ist es, eine skalenabhängige SI-Parametrisierung zu konstruieren. Diese Parametrisierung soll mit Hilfe der Labor-Referenzdaten validiert werden. Begleitet wird dies von einer Analyse grob- und feinaufgelöster Daten aus UA-ICON Simulationen. Schließlich soll die Parametrisierung an das Wellenstrahlenmodell MS-GWaM angekoppelt werden, welches in UA-ICON implementiert ist.
Die zentrale Aufgabe von C1 ist die Erzeugung des virtuellen Einzugsgebietes (VR) mit Hilfe der vollgekoppelten Terrestrial System Modeling Platform (TerrSysMP) und die Entwicklung des Datenassimilationssystems (DAF) durch Kopplung von TerrSysMP mit der Parallel Data Assimilation Platform (PDAF), sowie die Durchführung und Analyse von DAF-Experimenten zusammen mit den Mitgliedern der FOR2131. Dies beinhaltet die stete Aktualisierung der Teilmodelle von TerrSysMP COSMO, CLM und ParFlow, notwendige Erweiterungen wie die Einbeziehung dynamischer Vegetation durch die neueste CLM Version 4.5 und die Verbesserung der Parametrisierungen von Flüssen und Hangabfluss. Die DAF-Entwicklung erfordert in enger Zusammenarbeit mit den FOR2131-Mitgliedern den Einbau von Beobachtungsoperatoren in das DAF, welche die unterschiedlichen räumlichen Auflösungen der VR und des DAF-Modells berücksichtigen. Durch die extremen IT-Anforderungen sowohl für die VR-Erzeugung als auch für die TerrSysMP-PDAF-Läufe ist C1 auch verantwortlich für deren Implementierung auf den IT-Infrastrukturen JUQUEEN und JUROPA des HPSC am Forschungszentrum Jülich JSC. Dies schließt die Vorbereitung und Durchführung von Rechenzeitanträgen der FOR2131 an das Gauss Centre for Supercomputing e.V. (GCS) in Kooperation mit dem SimLab-TerrSys des Geoverbunds ABC/J mit ein.
Veränderungen der Ozeanwärme sind eng mit dem Wärmefluss an der Ozean-Atmosphärengrenze verbunden und spielen daher eine wic--htige Rolle bei der Regulierung des Erdklimas. Allerdings weisen in-situ-Messungen immer noch hohe Ungenauigkeiten auf und sind nur in wenigen Regionen in ausreichender Anzahl vorhanden. ROCSTAR wird neue Einsichten in das Energiebudget der Erde durch die verbesserten Schätzungen der ozeanischen Temperatur (T) und des Salzgehalts (S) liefern. Durch die Kombination der geodätischen Raumverfahren mit Argo-Profilen, werden gleichzeitig die Temperatur, der Salzgehalt und regional variierende Meeresspiegelbeiträge ermittelt. Die daraus resultierenden Schätzungen umfassen die gesamte Ozeansäule und die zugehörigen sterischen Änderungen werden sowohl mit dem beobachteten Meeresbodendruck als auch mit den Meeresspiegelanomalien konsistent sein. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Projekt folgende Ziele:1. Erhöhung der Genauigkeit der in sich konsistenten T- und S-Felder und Bereitstellung von realistischen Fehlerschätzungen2. Ermittlung der T- und S-Schätzungen in Regionen mit wenigen Beobachtungen und in den Tiefen des Ozeans3. Quantifizierung der Rolle, welche die flachen und tiefen Schichten des Ozeans in der Energiebilanz der Erde und im Meeresspiegel-Budget spielen4. Identifizierung und Untersuchung von Ozeanwärmehotspots und deren Verbindung zum terrestrischen Wasserkreislauf im Südosten Asiens. ROCSTAR wird innerhalb des SPP1189-Schwerpunkts WPA (Ursprung der regionalen Meeresspiegeländerungen) angesiedelt sein. Das Projekt befasst sich mit globalen Beobachtungen, führt aber intensive Untersuchungen im indischen Ozean und Westpazifik durch, welche die Hauptquellen für Feuchtigkeit, Zyklon und Taifun Entwicklung in der südostasiatischen Region darstellen. Darüber hinaus wird ROCSTAR aktiv an den Öffentlichkeitsarbeiten des SPPs teilnehmen und ein konzeptionelles Brettspiel entwickeln, um Nicht-Wissenschaftlern das regionale Meeresspiegelbudget näher zu bringen.
Gletscher haben im 20. Jh. weltweit starke Rückgänge erfahren, was auch für Gletscher in den Tropen gilt. Obwohl die Gletscher am Kilimanjaro (Tansania) ähnliche Charakteristika wie andere tropische Gletscher aufweisen (starke Empfindlichkeit auf Klimaelemente, die von der Luftfeuchtigkeit gesteuert werden), verlangt die Untersuchung ihres Verhaltens eine spezielle Sichtweise. Diese ist notwendig, da am Kilimanjaro zwei verschiedene Gletschersysteme existieren: die tafelförmigen Gletscher auf dem Gipfelplateau und die Hanggletscher unterhalb des Gipfelplateaus auf den steilen Flanken des Berges. Plateaugletscher sind von seitlich zurückweichenden, vertikalen Eiskliffs umrandet, die zu einer stetigen Abnahme der Ausdehnung von Plateaugletschern führen - selbst wenn sich auf deren horizontalen Oberflächen Schnee und folglich Gletschermasse ansammelt. Ein Vorprojekt konnte belegen, dass die klimatische Hauptursache für den seit 1880 andauernden Rückgang der Gletscher am Kilimanjaro ein regional trockeneres Klima seit dem späten 19. Jh. ist. Ebenso wurde klar, dass das gegenwärtige Klima die Gletscher nahe an das vollständige Verschwinden drängt. Dies wirft wiederum die Frage auf, unter welchen Klimabedingungen sie überhaupt existieren und sich bilden konnten. Das beantragte Projekt setzt sich daher das Ziel, eine mindestens 500 Jahre umfassende Zeitreihe des Gletscherverhaltens am Kilimanjaro zu rekonstruieren. Da andere Rekonstruktionen (v.a. Seespiegelstände) andeuten, dass die regionalen Klimaschwankungen vor 1880 größer als nachher waren, scheint es möglich, dass die Gletscher am Kilimanjaro eine relativ kurze Lebenszeit und daher ein zyklisches Verhalten aufweisen. Im vorgeschlagenen Projekt werden meteorologische Messungen im Gipfelbereich des Kilimanjaro dazu dienen, ein Massenbilanzmodell anzutreiben, zu kalibrieren und zu validieren. Dieses an der Physik der Gletscher orientierte Modell quantifiziert den Massenaustausch zwischen Gletscher und Atmosphäre. Input-Daten, die mehrere Jahrhunderte umfassen, sollen schließlich aus Simulationen des Paläoklimas mit gekoppelten Zirkulationsmodellen (globale Klimamodelle) kommen. Um den Klimamodell-Output auf die lokalen Verhältnisse am Kilimanjaro zu transferieren, ist eine Regionalisierungstechnik (statistisches Downscaling) notwendig. Durch die Anwendung des regionalisierten Datensatzes auf das Massenbilanzmodell entsteht im letzten Schritt eine mindestens 500-jährige Reihe des Gletscherverhaltens (und potenzieller Zyklizität) am Kilimanjaro, die mit (a) anderen Rekonstruktionen von klimaempfindlichen Umweltsystemen (Seestände, Eisbohrkerne) und (b) der großräumigen Klimadynamik im Zirkulationsmodell verglichen werden kann. Der experimentelle Teil des Projekts betrifft die Modellierung der vertikalen Eiskliffs sowie die Erzeugung zeitlich hochaufgelöster lokaler Daten aus dem globalen Klimamodell. usw.
Real-Time Database for high-resolution Neutron Monitor measurements. NMDB provides access to Neutron Monitor measurements from stations around the world. The goal of NMDB is to provide easy access to all Neutron Monitor measurements through an easy to use interface. NMDB provides access to real-time as well as historical data.
| Organisation | Count |
|---|---|
| Bund | 348 |
| Europa | 2 |
| Land | 5 |
| Wissenschaft | 185 |
| Zivilgesellschaft | 12 |
| Type | Count |
|---|---|
| Förderprogramm | 348 |
| Repositorium | 8 |
| License | Count |
|---|---|
| Geschlossen | 3 |
| Offen | 352 |
| Unbekannt | 1 |
| Language | Count |
|---|---|
| Deutsch | 277 |
| Englisch | 149 |
| Resource type | Count |
|---|---|
| Dokument | 2 |
| Keine | 202 |
| Webseite | 152 |
| Topic | Count |
|---|---|
| Boden | 223 |
| Lebewesen und Lebensräume | 264 |
| Luft | 245 |
| Mensch und Umwelt | 356 |
| Wasser | 199 |
| Weitere | 353 |