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s/simulationsmodel/Simulationsmodell/gi

Trockenheitsrisiken im Wald unter Klimawandel, Teilvorhaben 4: Wasserhaushaltsmodellierung und Schaffung von Modellgrundlagen für Schadpotenziale

Die Sommertrockenheiten in den Jahren 2003, 2013, 2015, 2018 und 2019 verdeutlichen, dass die Häufung und Intensität katastrophaler Trockenheitsereignisse durch den Klimawandel wahrscheinlich deutlich ansteigen werden. Zur deutschlandweiten Echtzeitbewertung der Wasserverfügbarkeit und von Dürrerisiken in Waldflächen soll im Rahmen des Projektes TroWaK ein hochaufgelöstes Wasserhaushaltsmodell entwickelt werden. Die Ergebnisse des Wasserhaushaltsmodells bilden die Grundlage für neue Methoden zur Abschätzung des Risikos für abiotische und biotische Folgeschäden in trockenheitsbeeinflussten Wäldern. Die NW-FVA arbeitet gemeinsam mit dem DWD und dem Thünen-Institut für Waldökosysteme an der Weiterentwicklung und Parametrisierung des Modells LWF-Brook90 (Wasserhaushaltsmodell) für verschiedene Baumarten. Das bestehende Modell wird für Waldstandorte in Deutschland angepasst und soll zusätzliche Parameter berechnen, die für die Modelle, die das Risiko für abiotische und biotische Folgeschäden (Schädlinge, Krankheiten) in trockenheitsbeeinflussten Wäldern abschätzen, benötigt werden. Die Daten der Level II-Monitoringflächen dienen zur Parametrisierung und zur späteren Validierung der Modelle. Als Ergebnis sollen zukünftig routinemäßig Karten zur aktuellen Bodenfeuchtesituation und zum aktuellen Schadensrisiko von Waldbeständen online bereitgestellt werden. Deutschlandweit kann so eine einheitliche Bewertung der Risiken für Waldbestände in Abhängigkeit von Klima, Baumartenzusammensetzung und Boden erfolgen. Schwerpunkte der Arbeiten der NW-FVA in dem Verbundprojekt liegen in der Anpassung des waldhydrologischen Modells an Waldstandorte in Deutschland, der Abschätzung abiotischer Schadpotenziale trockenheitsgefährdeter Wälder sowie der Analyse und Entwicklung von Modellgrundlagen die Simulation biotischer Schadpotenziale unter besonderer Berücksichtigung der Buchenvitalitätsschwäche.

Ausarbeitung eines Systems zur Codierung chemischer Strukturen, einschliesslich eines Retrieval-Systems fuer Substrukturen, Vorhersage von Folgeprodukten von Chemikalien in der Umwelt

Pilotstudie zur Erstellung von Programmsystemen zur Registrierung und Wiedergabe von chemischen Strukturen auf der Basis des mathematischen-logischen Modells der Chemie unter besonderer Betonung des Einsatzes von graphischen Sicht- und Zeichengeraeten. Programmsystem zur Untersuchung von abiotischen Reaktionsmoeglichkeiten von Xenobiotika in der Umwelt und zur Vorhersage von Folgeprodukten und zu deren Bereitstellung als Abfrageobjekte des Datenbanksystems.

Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden

Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt: 1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle 2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste 3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden 4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten 5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.

Intensitäts- und Standortdifferenziertes Klimaschutzpotential von Leguminosen in Anbausystemen mit N-effizienter Düngung

Das übergeordnete Projektziel von ISLAND ist die Wissensgrundlage zu den Effekten von Leguminosen in Fruchtfolgen unterschiedlicher Produktionsintensität zu erweitern und Strategien der optimierten Integration zu entwickeln. Hierbei soll ein Schwerpunkt auf der Berücksichtigung und Minimierung der Verlustpotentiale und auf die adäquate Anrechnung der Fixierungsleistung/Vorfruchtwirkung gelegt werden. Dafür soll das Verständnis der relevanten Prozesse im Stickstoffkreislauf umfänglich erweitert und plausible Bewertungsalgorithmen und -kennzahlen (Schätzung N2-Fixierung) für eingesetzte Maßnahmen (z.B. Behandlung der Ernterückstände), Betriebsmittel (z.B. mineralische/organische Dünger) und deren Wechselwirkungen entwickelt werden. Als Bindeglied zwischen der empirischen Datenerhebung in Feldversuchen und der aggregierten Kennzahlentwicklung sollen prozessorientierte Simulationsmodelle weiterentwickelt und zur Datenanalyse sowie in Form von Szenarienrechnungen eingesetzt werden. Die zentralen Forschungsfragen lauten: (1) Welchen Beitrag leisten Leguminosen zur Klimabilanz in unterschiedlichen Stellungen innerhalb standorttypischer Fruchtfolgen variierender Produktionsintensität? (2) Gibt es einen Zusammenhang zwischen direkten (und indirekten) Lachgasemissionen und der N2-Fixierungsleistung bei ausgewählten Körnerleguminosen und lässt sich die Fixierungsleistung auch über fernerkundlich erhobenen Spektraldaten abschätzen? (3) Wie wirken sich die Vorfrucht- und Fruchtfolgeeffekte von Leguminosen auf die THG-Bilanzen standorttypischer Fruchtfolgen unterschiedlicher Intensität unter prognostizierten Klimawandelszenarien an ausgewählten Standorten aus?

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.

Entwicklung und Kalibrierung eines numerischen Modells für mikrobiell unterstützte Förderung von Methan aus Kohleflözen

Das übergeordnete Ziel des vorgeschlagenen Vorhabens ist die Entwicklung eines numerischen Modells, das in der Lage ist Prozesse zu simulieren, die bei der mikrobiell unterstützten Produktion von Methan aus Kohleflözen (englisch: MECBM) auftreten. Dieses Modell soll in den numerischen Simulator Dumux (www.dumux.org) implementiert werden, der als Open Source Programm zur Verfügung steht. Indem das Modell zur Ergänzung und Unterstützung experimenteller Arbeiten eingesetzt wird, können damit gezielt verschiedene Hypothesen über den reaktiven Transport bei MECBM Prozessen getestet werden. Dies betrifft verschiedene Detailfragen, die zur Zeit noch nicht vollständig verstanden sind. Dies soll durch Vergleiche zwischen Simulationen und Experimenten erreicht werden, die am Center for Biofilm Engineering an der Montana State University in Bozeman/USA (MSU-CBS) durchgeführt werden. Zunächst sollen hierfür Säulenexperimente verwendet werden, um Sensitivitäten der simulierten Prozesse hinsichtlich verschiedener Modellparameter zu analysieren. Wo erforderlich, werden die Modellgleichungen dann entsprechend an neu gewonnene Daten und Erkenntnisse aus den Validierungsversuchen mit experimentellen Daten angepasst. Unsere Vision ist es, dass das neu entwickelte Modell ein wesentliches Werkzeug sein wird, um letztendlich das Wissen und Know-how von der Laborskala auf die Feldskala zu übertragen, und um dann auch geplante MECBM-Demonstrationsprojekte im Feld zu konzipieren. Das numerische Modell soll eine wichtige Rolle bei der weiteren Entwicklung von MECBM-Produktionstechnologien spielen; spezifische Möglichkeiten dazu ergeben sich z.B. für geplante Feldanwendungen durch MSU-CBS in Zusammenarbeit mit der US Geological Survey (USGS).Das erwartete Ergebnis aus dem vorgeschlagenen Projekt wird also ein deutlich verbessertes Grundlagenwissen über MECBM Prozesse sein, welches mit dem neu entwickelten Simulationswerkzeug in Kombination mit experimentellen Studien am MSU-CBE auf der Labor- und Feldskala erzielt wird. Die Entwicklung von Simulationskapazitäten soll aber in keinster Weise die Wichtigkeit von Experimenten schmälern, aber die Simulation wird einen entscheidenden Beitrag leisten, um die vorhandenen Ressourcen of die wesentlichen experimentellen (Feld-)Studien zu fokussieren.

Simulation des Waerme- und Stofftransports in Aestuarien

Mathematisch-physikalische Modelle zur Simulation des Waerme- und Stofftransportes in Tidegewaessern zielen zum einen auf die Bilanzierung der Waerme- und Stoffrachten aufgrund bekannter Einleitungen und der Messergebnisse weniger, geeignet ausgewaehlter Ueberwachungsmessstellen und zum anderen auf die quantitative Erfassung der 'Fahnen'-Strukturen der Einleitungen, beides notwendige Grundlagen einer wuenschenswerten Regie der Tidegewaessernutzungen. Infolge Heterogenitaet und Variabilitaet der Ausbreitungsbedingungen in Tidegewaessern ist die Entwicklung solcher Modelle eng mit ihrer Verifikation durch Feldmessungen im Anwendungsgebiet verbunden. In diesem Vorhaben werden das eindimensionale Tideflussmodell FLUSS (4) und das zweidimensionale Tidegewaessermodell UTRANS (2) in enger Wechselwirkung mit Feldmessungen in den Tidebereichen von Elbe und Weser (Vorhaben WA 31-059) verifiziert und weiterentwickelt. Besonderes Gewicht kommt dabei dem Vergleich von berechneten und gemessenen Stroemungsgeschwindigkeiten zu. Im Vordergrund der bisherigen Arbeiten stand die Waermeausbreitung (5); kuenftig werden vorrangig Probleme des Schwebstoff- und Spurenelementtransportes zu untersuchen sein. Ergaenzend zu den Modellentwicklungen wird Software zur Auswertung und Interpretation von Feldmessungen erarbeitet und eine Sammlung problemspezifischer Daten und Relationen als Eingabedaten fuer die Modelle zusammengestellt.

Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden, Maßnahmen zur Minderung direkt und indirekt klimawirksamer Emissionen, die durch Denitrifikation in landwirtschaftlich genutzten Böden verursacht werden

Das Verbundvorhaben adressiert die Themen der Minderung der Lachgasemission und Verbesserung der Stickstoffeffizienz durch Modellierung, der Bewertung möglicher Minderungsmaßnahmen und der standortdifferenzierenden Bewertung der Denitrifikation. Gasförmige Emissionen aus der Denitrifikation verursachen pflanzenbaulich relevante N-Verluste und verursachen direkte N2O-Emissionen des Pflanzenbaus. Pflanzenbauliche Klimaschutzmaßnahmen im Bereich der Düngung, Bodenbearbeitung, Fruchtfolge sind im Hinblick auf die Rolle der Denitrifikation kaum erforscht. Ein pflanzenbauliches Management welches N-Effizienz optimiert und gleichzeitig N-Emissionen minimiert ist daher bisher nicht verlässlich definiert. Übergeordnetes Ziel des vorliegenden Antrags ist es, pflanzenbaulich praktikable Minderungsmaßnahmen im Hinblick auf N2 und N2O-Emissionen der Denitrifikation für Ackerbausysteme in Deutschland zu identifizieren, indem der Kenntnisstand zu denitrifikativen N-Verlusten durch Feld- und Laborstudien verbessert und zur Parametrisierung, Validierung und Anwendung von Simulationsmodellen eingesetzt wird. Unsere Teilziele sind wie folgt: 1. Regionalisierung der N-Verluste durch Denitrifikation in Deutschland auf Basis vorhandener Modelle 2. Bestimmung der Wirkung von pflanzenbaulichen Klimaschutzmaßnahmen auf N2- und N2O-Verluste 3. Prüfung von Minderungsoptionen auf der Modell-, Labor- und Feldskala unter Berücksichtigung des Oberbodens und des durchwurzelten Unterbodens für verschiedene Böden 4. Weiterentwicklung von Denitrifikationsmodellen, um die Abbildung von Minderungsmaßnahmen zu verbessern anhand vorhandener und neuer Messdaten 5. Prüfung der Minderungsoptionen für Deutschland anhand der verbesserten Modelle unter Berücksichtigung von Ertrag, Wirtschaftlichkeit, Technologiebedarf, N2O-Emission, N-Effizienz, Düngerbedarf, NH3-Emisissionen und Nitratauswaschung.

Intensitäts- und Standortdifferenziertes Klimaschutzpotential von Leguminosen in Anbausystemen mit N-effizienter Düngung, Intensitäts- und Standortdifferenziertes Klimaschutzpotential von Leguminosen in Anbausystemen mit N-effizienter Düngung

Das übergeordnete Projektziel von ISLAND ist die Wissensgrundlage zu den Effekten von Leguminosen in Fruchtfolgen unterschiedlicher Produktionsintensität zu erweitern und Strategien der optimierten Integration zu entwickeln. Hierbei soll ein Schwerpunkt auf der Berücksichtigung und Minimierung der Verlustpotentiale und auf die adäquate Anrechnung der Fixierungsleistung/Vorfruchtwirkung gelegt werden. Dafür soll das Verständnis der relevanten Prozesse im Stickstoffkreislauf umfänglich erweitert und plausible Bewertungsalgorithmen und -kennzahlen (Schätzung N2-Fixierung) für eingesetzte Maßnahmen (z.B. Behandlung der Ernterückstände), Betriebsmittel (z.B. mineralische/organische Dünger) und deren Wechselwirkungen entwickelt werden. Als Bindeglied zwischen der empirischen Datenerhebung in Feldversuchen und der aggregierten Kennzahlentwicklung sollen prozessorientierte Simulationsmodelle weiterentwickelt und zur Datenanalyse sowie in Form von Szenarienrechnungen eingesetzt werden. Die zentralen Forschungsfragen lauten: (1) Welchen Beitrag leisten Leguminosen zur Klimabilanz in unterschiedlichen Stellungen innerhalb standorttypischer Fruchtfolgen variierender Produktionsintensität? (2) Gibt es einen Zusammenhang zwischen direkten (und indirekten) Lachgasemissionen und der N2-Fixierungsleistung bei ausgewählten Körnerleguminosen und lässt sich die Fixierungsleistung auch über fernerkundlich erhobenen Spektraldaten abschätzen? (3) Wie wirken sich die Vorfrucht- und Fruchtfolgeeffekte von Leguminosen auf die THG-Bilanzen standorttypischer Fruchtfolgen unterschiedlicher Intensität unter prognostizierten Klimawandelszenarien an ausgewählten Standorten aus?

Intensitäts- und Standortdifferenziertes Klimaschutzpotential von Leguminosen in Anbausystemen mit N-effizienter Düngung, Intensitäts- und Standortdifferenziertes Klimaschutzpotenzial von Leguminosen in Anbausystemen mit N-effizienter Düngung (ISLAND)

Das übergeordnete Projektziel von ISLAND ist die Wissensgrundlage zu den Effekten von Leguminosen in Fruchtfolgen unterschiedlicher Produktionsintensität zu erweitern und Strategien der optimierten Integration zu entwickeln. Hierbei soll ein Schwerpunkt auf der Berücksichtigung und Minimierung der Verlustpotentiale und auf die adäquate Anrechnung der Fixierungsleistung/Vorfruchtwirkung gelegt werden. Dafür soll das Verständnis der relevanten Prozesse im Stickstoffkreislauf umfänglich erweitert und plausible Bewertungsalgorithmen und -kennzahlen (Schätzung N2-Fixierung) für eingesetzte Maßnahmen (z.B. Behandlung der Ernterückstände), Betriebsmittel (z.B. mineralische/organische Dünger) und deren Wechselwirkungen entwickelt werden. Als Bindeglied zwischen der empirischen Datenerhebung in Feldversuchen und der aggregierten Kennzahlentwicklung sollen prozessorientierte Simulationsmodelle weiterentwickelt und zur Datenanalyse sowie in Form von Szenarienrechnungen eingesetzt werden. Die zentralen Forschungsfragen lauten: (1) Welchen Beitrag leisten Leguminosen zur Klimabilanz in unterschiedlichen Stellungen innerhalb standorttypischer Fruchtfolgen variierender Produktionsintensität? (2) Gibt es einen Zusammenhang zwischen direkten (und indirekten) Lachgasemissionen und der N2-Fixierungsleistung bei ausgewählten Körnerleguminosen und lässt sich die Fixierungsleistung auch über fernerkundlich erhobenen Spektraldaten abschätzen? (3) Wie wirken sich die Vorfrucht- und Fruchtfolgeeffekte von Leguminosen auf die THG-Bilanzen standorttypischer Fruchtfolgen unterschiedlicher Intensität unter prognostizierten Klimawandelszenarien an ausgewählten Standorten aus?

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