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Zeitliche Variabilität von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik

Das Ziel dieses Projektes ist die Untersuchung der zeitlichen Variabilität in der Energie von internen Wellen und der Stärke von vertikaler Vermischung in Abhängigkeit des Nordatlantikstroms und dem damit verbundenen Wirbelfeld. Hierfür werden 5-6 Jahre von Strömungsmesserdaten und Temperatur/Leitfähigkeitsmessungen von drei Verankerungen entlang eines Schnittes westlich des Mittelatlantischen Rückens (MAR) sowie LADCP/CTD Daten von fünf Schifffahrten genutzt. Konkrete wissenschaftliche Ziele dabei sind:- Erstellung von Zeitserien der Energie in internen Wellen unter Benutzung der Verankerungszeitreihen von Strömung und Schichtung- Untersuchung der Zeitskalen auf denen Veränderungen in der Energie interner Wellen stattfinden. Mögliche Ursachen für Variabilität sind der Windeintrag, Position des Nordatlantikstroms und Wirbel- Identifizierung von Prozessen, welche die beobachteten internen Wellen generieren, wie z.B. Gezeiten, Stürme, Jahresgang, Wirbel, die Arme des Nordatlanikstroms (Verhältnis von lokalen zu großräumigen Erzeugungsmechanismen)- Bestimmung der Vermischungsraten (Temperaturinversionen, Thorpe Skalen, Feinstrukturparameterisierung) in Abhängigkeit der variablen Hintergrundbedingungen Hierfür werden zunächst Spektren potentieller und kinetischer Energy der internen Wellen auf ihre Abhängigkeit von veränderlichen Hintergrundbedingungen wie z.B. Wind, Gezeiten, Wirbel, Schichtung und Variabilität im Nordatlantikstrom sowieso des Einflusses der Topographie untersucht. Die instrumentelle Ausstattung der Verankerungen seit Sommer 2012 erlaubt zusätzlich die Approximation der internen Wellen durch vertikale Moden und damit verbunden die Berechnung von Energieflüssen, welche wichtige Informationen über die Menge und die Variabilität in der Energie, die in internen Wellen im Nordatlantik transportiert wird, liefern. Außerdem geben diese so gewonnenen Energieflüsse in Kombination mit der Berechnung von Ausbreitungspfaden von internen Wellen, welche am mittelatlantischen Rücken erzeugt wurden, Aufschluss über die relative Bedeutung der Topographie des MAR für die Erzeugung von internen Wellen. Beginnend vom Sommer 2015 werden die Analysen erweitert, indem Temperatur- und Druckdaten mit hoher Tiefenauflösung für die Berechnung von Thorpe Skalen und Dissipationsraten und deren zeitlichen Variabilität genutzt werden. Weitere Informationen über die zeitliche und räumliche Variabilität der Vermischungsraten im Nordatlantik werden durch die Analyse von Diffusionsraten, die anhand von LADCP/CTD Daten und einer Feinstrukturparameterisierung berechnet werden, erlangt. Dies liefert weitere Aufschlüsse über die dominanten Prozesse in der Erzeugung von internen Wellen und vertikaler Vermischung im Nordatlantik, sowie deren zeitlicher und räumlicher Variabilität.

Sonderforschungsbereich Transregio 129 (SFB TRR): Oxyflame - Entwicklung von Methoden und Modellen zur Beschreibung der Reaktion fester Brennstoffe in einer Oxyfuel-Atmosphäre, Teilprojekt B06: Modellierung der Partikel-Turbulenz-Chemie-Wechselwirkung für Oxyfuel-Prozesse

In diesem Vorhaben werden LES-Methoden im Rahmen eines Euler-Lagrange-Verfahrens verwendet. Für die Gasphasenverbrennung wird ein regimeübergreifendes Modell auf Basis der 'flamelet generated manifolds'-Strategie formuliert. Basierend zum einen auf einer thermodynamisch konsistenten Modellierung der Oxyfuel-Vorgänge und zum anderen auf DNS-Beiträgen werden Modelle zur Beschreibung der Interaktion zwischen Partikel-Turbulenz-Chemie unter Oxyfuel-Verbrennungsbedingungen mit hohem Detaillierungsgrad entwickelt. Die resultierenden Modelle werden in den CFD Code FASTEST/LAG3D integriert und mit Hilfe der experimentellen Daten aus dem SFB/Transregio validiert.?

Schwerpunktprogramm (SPP) 1294: Bereich Infrastruktur - Atmospheric and Earth system research with the 'High Altitude and Long Range Research Aircraft' (HALO), Einfluss von Jet-Front Systemen in der oberen Troposphäre auf die mesoskalige Struktur der Tropopauseninversionsschicht und Stratosphären-Troposphären Austausch (MESO-TIL)

Der vorliegende Antrag ist der HALO Mission WISE zuzuordnen. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Bildung der Tropopauseninversionsschicht (TIL) und deren Einfluss auf Stratosphären-Troposphären Austausch (STE) auf der Mesoskala. Diesem Projekt dienen idealisierte Studien der TIL in baroklinen Lebenszyklen als Grundlage. Die Hauptziele sind dabei die Überprüfung der Ergebnisse der idealisierten Studien zur TIL Bildung genauso wie ein erweitertes Verständnis der Prozesse, die zum STE auf der Mesoskala beitragen. Dabei soll auf drei wissenschaftliche Fragestellungen genauer eingegangen werden: (1) Wie stark schwankt die TIL in ihrem Auftreten über dem Nordatlantik, vor allem im Bereich barokliner Lebenszyklen und im Bereich von STE? (2) Welche Prozesse liefern den größten Beitrag zur TIL auf der Mesoskala und welchen Einfluss hat dies auf STE? (3) Wie groß ist der Beitrag von klein-skaligen Wellen in der unteren Stratosphäre auf die TIL Bildung und die Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht? Eine Kombination von Methoden wird verwendet werden um diese Fragen zu beantworten. Analysedaten des EZMW werden zusammen mit Lagrangeschen Methoden benutzt, um die TIL und STE über dem Nordatlantik zu untersuchen. Der Nordatlantik ist das Gebiet, das auch während WISE untersucht werden soll. Darüber hinaus sollen für WISE hoch aufgelöste Modellsimulationen mit dem neuen numerischen Wettervorhersagemodell ICON durchgeführt werden. Dabei sollen zum einen die Beiträge diverser Prozesse auf die Bildung der TIL am Beispiel von realen Zyklonen und Antizyklonen untersucht werden. Des Weiteren sollen die Modelldaten zusammen mit Beobachtungsdaten verwendet werden um den Einfluss der TIL und von klein-skaligen Wellen auf die vertikale Ausdehnung der extratropischen Mischungsschicht zu bestimmen.

Forschergruppe (FOR) 1898: Mehrskalendynamik von Schwerewellen, Spontanes Ungleichgewicht (SI)

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 gepackte Saeule in der aeroben Abwasserreinigung

Zur Reinigung von Abwaessern mit hohen organischen Schadstoffkonzentrationen werden aerobe Hochlastreaktoren eingesetzt. Dabei wird die Leistungssteigerung mit unterschiedlichen Verfahrens- und Reaktortechniken erzielt. Alle Systeme haben gemeinsam, dass bei intensiver Durchmischung mit hoher Turbulenz durch Scherkraefte grosse Phasengrenzflaechen zwischen Substrat/Sauerstoff und Bakterien/Sauerstoff erzeugt werden. Dies verbessert sowohl den Sauerstofftransport als auch den Stoffuebergang. Nach diesen Prinzipien arbeitet auch der Umlaufreaktor mit gepackter Saeule, die aus speziell geformten Keramikteilen besteht. Modelluntersuchungen mit synthetischem Abwasser zeigen, dass dieser Reaktor die Abbauleistung bekannter Hochlastreaktoren erreicht, aber weniger Energie und keine beweglichen Teile benoetigt.

Sonderforschungsbereich (SFB) 1357: MIKROPLASTIK - Gesetzmäßigkeiten der Bildung, des Transports, des physikalisch-chemischen Verhaltens sowie der biologischen Effekte: Von Modell- zu komplexen Systemen als Grundlage neuer Lösungsansätze; MICROPLASTICS - Understanding the mechanisms and processes of biological effects, transport and formation: From model to complex systems as a basis for new solut, Teilprojekt B 02: Verhalten und Transport von Mikroplastik in der strömungsarmen Wassersäule

Ziel des Projektes B02 ist, die Wechselwirkungen zwischen physikalischen, biogeochemischen und biologischen Einflüssen auf Transport, Sedimentation und Verteilung von MP in stehenden Gewässern zu verstehen. Neben Faktoren, die die Eigenschaften der Wassersäule definieren, wie z. B. Wasserchemismus, Turbulenzen, Dichtegradienten, Schichtung und Schwebstoffgehalt wird auch der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften von definiertem Modell-MP während des Aufenthaltes in der Wassersäule (Partikelgröße, Kunststofftyp, Form, Oberflächenchemismus), die mikrobielle Besiedlung und Biofilmbildung sowie der organismische Transport von MP in der Wassersäule untersucht um deren Einfluss auf das Transportverhalten von MP zu verstehen. Diese Kombination aus modellhaften Labor-, und kontrollierten Mesokosmenstudien sowie hydrodynamischer Modellierung wird ein wissenschaftlich fundiertes Verständnis des MP-Transports in stehenden Gewässern ermöglichen.

Föhnstudien im Rheintal in Österreich während MAP

Im Rahmen des 'Mesoscale Alpine Programme' (MAP), einer internationalen kooperativen Forschungsinitiative zahlreicher Institutionen europäischen und außereuropäischer Länder zum Studium intensiver Wettervorgänge im Alpenraum, ist die Erforschung des Föhns als ein Schwerpunkt festgelegt worden. Das Alpenrheintal von seinem Ursprung an den Pässen des Alpenhauptkamms bis zum Bodensee, einschließlich der Seitentäler, wurde von den internationalen MAP Gremien zum Zielgebiet ausgewählt. Diese Region wird in einer gemeinsamen Aktion im kommenden Jahr von einem dichten Beobachtungsnetz überzogen um den Atmosphärenzustand während interessanter meteorologischer Situationen zu erfassen. Der vorliegende Forschungsantrag soll einer der österreichischen Beiträge zu dieser internationalen Initiative werden. Er ist so angelegt, dass er einerseits die Messungen der zahlreichen anderen Forschergruppen durch zusätzliche Messungen ergänzt, anderseits werden eigene Forschungsziele verfolgt. Die entsprechenden Fragestellungen sollen dann anhand des gemeinsamen MAP Datensatzes studiert werden. Das vorliegende Projekt verfolgt zwei Hauptziele, nämlich (1) die Erfassung der kleinskaligen räumlich zeitlichen Variabilität und des Lebenszyklus von Föhnepisoden in Bodennähe, und (2) die Beobachtung der Struktur der Föhnströmung in der unteren und mittleren Troposphäre, wobei vor allem auf die Wechselwirkung zwischen den Strömungsprozessen in Tälern verschiedener Länge, Breite und Richtung eingegangen werden soll. Als weiteres Ziel ist die Qualitäts-Evaluierung der erhobenen Messdaten zu nennen, die mittels eines ausgeklügelten Verfahrens durchgeführt werden soll, welches in der jüngsten Zeit von den Antragstellern entwickelt wurde. Die qualitätsgeprüften Messungen sollen schließlich dem internationalen MAP Datenzentrum für die weitere Bearbeitung zur Verfügung gestellt werden, von wo die Antragsteller dann als Gegenleistung auch die Beobachtungsdaten der anderen beteiligten Forschergruppen beziehen können. Das Alpenrheingebiet wurde deshalb als Zielgebiet ausgewählt, weil dort klimatologisch eine der höchsten Wahrscheinlichkeiten für Föhn im Alpenraum vorliegt und die Länder Österreich, Schweiz und Deutschland betroffen sind. Außer an wenigen langjährigen Klimastationen ist bisher wenig über die kleinräumige Struktur von Föhn in dem von den Antragstellern ausgewählten Gebiet bekannt, nämlich dem Walgau von Bludenz bis Feldkirch und dem Brandner Tal, südlich von Bludenz. Eine bessere Kenntnis und vor allem eine besser Vorhersage von Föhn in diesem Gebiet ist von großem praktischem Wert, da immer wieder Schäden durch Föhn (z. B. Sturmschäden) auftreten und plötzlich und unerwartet auftretende Windböen und Turbulenz eine beträchtliche Gefahr für die Luftfahrt, insbesondere für motorlose Fluggeräte darstellt. usw.

Modellierung von Strömungen über Bodenformen in Tidegebieten

Das Ziel dieses Projekts besteht in der Analyse der Strömungsmuster über subaquatischen Bodenformen in Tidegebieten mit Hilfe hochauflösender numerischer Modelle. In Flüssen, nahe der Küsten und in größeren Tiefen sind Bodenformen weit verbreitet und reflektieren Strömung und Sedimenttransportwege, während sie gleichzeitig einen starken Effekt auf die Strömung ausüben. Diese Effekte sind darüber hinaus von hoher sozio-ökonomischer Bedeutung, z.B. hinsichtlich der Schiffbarkeit von Flussmündungen und der Sicherheit von Offshore-Konstruktionen. Bedingt durch Hydrodynamik und dem Vorkommen sandiger Sedimente sind flache Tidegebiete durch die Entwicklung großer Felder komplexer Bodenformen gekennzeichnet. Strömungsmuster über diesen Bodenformen unterscheiden sich grundsätzlich von Strömungen über gleichmäßigen, idealisiert zweidimensionalen (2D) Bodenformen, die in Strömungskanälen und numerischen Modellen bisher betrachtet werden. Natürlichen Bodenformen sind dagegen intrinsisch dreidimensional (3D) mit komplexen Profilen, gekennzeichnet durch geschwungene Dünenrücken, Kolke, Bifurkationen, Diskontinuitäten und niedrige Leewinkel. In Küstengebieten sorgt die tidebedingte Strömungsumkehr für zusätzliche Komplexität in der Interaktion zwischen Bodenformen und Hydrodynamik. Die entsprechenden Strömungsmuster sind weitgehend unbekannt, insbesondere der Einfluss der Dreidimensionalität der Bodenformen auf die Gezeitenströmung, auch bedingt durch die Schwierigkeit, Strömungsgeschwindigkeiten und Turbulenz synoptisch mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Im Rahmen der hier beschriebenen Studie wird ein dreidimensionales Transportmodell mit dem Modellsystem Delft3D erstellt, um Strömungen in natürlichen Bodenformfeldern mit entsprechend charakteristischer Morphologie zu simulieren. Dazu soll ein bestehendes und zur Simulierung von 2D Bodenformen genutztes Modell erweitert und zur Analyse der Strömungen über 3D Bodenformen verwendet werden. Mit diesem neuen Modell wird zum ersten Mal ermöglicht, Strömungsmuster und Turbulenz über natürlichen Bodenformfeldern unter realistischen Bedingungen, insbesondere unter Berücksichtigung der Umkehr der Gezeitenströmung, zu modellieren und den Einfluss einzelner morphologischer Elemente sowie deren Interaktion herauszuarbeiten. Diese Ergebnisse dienen schließlich der Optimierung und Parametrisierung kleinskaliger Teilprozesse in großmaßstäblichen hydro- und morphodynamischen Modellsystemen.

Sonderforschungsbereich Transregio 172 (SFB TRR): Arktische Verstärkung: Klimarelevante Atmosphären- und Oberflächenprozesse und Rückkopplungsmechanismen (AC)3, Teilprojekt A03: Einfluss von tiefen Wolken auf die arktische atmosphärische Grenzschichtturbulenz und -Strahlung

Vertikalprofile von Strahlungsenergie- und Turbulenzenergieflüssen sowie Impulserhaltung werden untersucht durch (i) Verwendung vorheriger Schiffs- und Flugzeugkampagnen, und (ii) durch die Analyse neuer Messungen von zwei geplanten Flugzeugkampagnen über dem Arktischen Ozean. Die beiden neuen Kampagnen beziehen die AWI Forschungsflugzeuge Polar 5 & 6 ein um die vertikalen Flussprofile als Funktion von Wolken- und Meereisbedeckung unter verschiedenen synoptischen Bedingungen zu messen. Die Flugzeugbeobachtungen sind für Mai/Juni 2017 und März 2019 geplant und decken somit Zeiträume starker (Spätwinter) und schwacher (Frühsommer) arktischer Verstärkung ab.

Strömungsdynamik über ästuarinen Bodenformen

Ziel dieses Projektes ist die Beschreibung von Strömungsmustern über ästuarinen Bodenformen anhand von Rinnenexperimenten und numerischen Simulationen. Bodenformen (Riffel und Dünen) sind weitverbreitete Bestandteile von Flüssen, Ästuaren, Küstengewässern- und Tiefseegebieten. Bodenformen liefern Hinweise auf Richtung und Stärke von Sedimenttransportprozessen, haben einen starken Einfluss auf die über ihnen liegende Strömung und sind zudem von großer sozioökonomischer Bedeutung, z. B. hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Schiffbarkeit der Gewässer. In vielen Ästuaren bilden sich aufgrund der starken Hydrodynamik und der hohen Verfügbarkeit von sandigen Sedimenten große Bodenformfelder. Die Strömung über diesen Bodenformfeldern unterscheidet sich grundlegend von der Strömung über den bekannten, dreieckigen Bodenformen mit einem Neigungswinkel von 30°, die bisher im Fokus von Labor- und numerischen Modellierungsstudien standen. Ästuarine Bodenformen sind hauptsächlich flachgeböschte Dünen mit mittleren Luvwinkeln von 5 bis 20°. Die Strömungseigenschaften über derartigen, flachen Winkeln sind derzeit nicht genau bekannt. So ist zum Beispiel der Zusammenhang zwischen der Neigung der Leeböschung und dem Vorhandensein oder Fehlen einer intermittierenden oder permanenten Strömungsablösung noch nicht ausreichend verstanden. Außerdem haben ästuarine Dünen ein relativ flaches Tal und steile Böschungen in der Nähe des Kammes, während Flussdünen einen flachen Kamm und in der Nähe des Tals steile Böschungen haben. Die Auswirkungen dieses Unterschieds in der Dünenmorphologie auf die Strömung sind derzeit noch unbekannt. Darüber hinaus wurde der Zusammenhang zwischen einer sich in der Richtung ändernden Gezeitenströmung und der natürlichen Morphologie von Dünen, einschließlich der dreidimensionalen Variationen, noch nicht im Detail untersucht.Im Rahmen der vorgeschlagenen Studie werden mehrere Versuchsreihen in einer großen Laborrinne durchgeführt, um die Strömungseigenschaften (Geschwindigkeit und Turbulenz) über an Ästuardünen angelehnten Modelldünen aus Beton zu charakterisieren. Basierend auf Feldmessungen von Bodenformen in der Weser werden drei Dünenformvarianten untersucht: Steilgeböschte asymmetrische Dünen, flachgeböschte asymmetrische Dünen und flachgeböschte symmetrische Dünen. Darüber hinaus werden hochauflösende numerische Simulationen der Strömung über dreidimensionalen Bodenformfeldern die Rinnenexperimente ergänzen. Mithilfe der Modellsimulationen ist es möglich, die Geschwindigkeitsstrukturen der Gezeitenströmung und die Turbulenzstrukturen über natürlichen, in der Weser vorkommenden Dünenfeldern zu bestimmen. Die Ergebnisse dieses Projekts tragen zu einem besseren Verständnis der komplexen Wechselwirkungen zwischen ästuarinen Dünen und der Gezeitenströmung bei und erlauben eine bessere Parametrisierung der kleinräumigen Prozesse in großräumigen hydro- und morphodynamischen Modellen.

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