DFG Schwerpunktprogramm 1276
Originator:
Professor Dr. Klaus Dieter Beheng, Karlsruhe
Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)
Professor Dr. Dieter Etling, Hannover
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Institut für Meteorologie und Klimatologie
Privatdozent Dr. Siegfried Raasch, Hannover
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Institut für Meteorologie und Klimatologie (funded in MetStroem-period I/II)
Professor Dr.-Ing. Wolfgang Schröder, Aachen
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
Lehrstuhl für Strömungslehre und Aerodynamisches Institut
Project:
Untersuchungen zum Einfluss der Turbulenz in Wolken auf Tropfenwachstum und Niederschlagsbildung
http://www.imk.uni-karlsruhe.de/3909.php
http://www.muk.uni-hannover.de/forschung/grobstruktur.htm
Summary:
To rigorously extend the objective of the first phase, the project addresses the influence of an in-cloud turbulent flow on the growth of ice hydrometeors by riming in the second phase. This problem is intensively discussed in the cloud physics community without any definitive solution yet and is clearly related to droplet/droplet collisions as well. In this context the following questions arise: What is the influence of local turbulence on the efficiency of mutual collisions of cloud droplets and of collisions between ice crystals and supercooled droplets, i.e. riming, both of which are important physical quantities governing the description of precipitation evolution? How does the predicted precipitation rate change if the turbulence effect is considered compared to the traditional formulation, i.e. without any turbulence? To answer these questions it is necessary to consider a wide range of scales.
In the case of droplet/droplet and ice crystal/droplet collisions the length scales are in the range of some centimeters whereas those concerning local turbulence comprise meters and those regarding precipitation development amount to kilometers. Due to this wide range of scales different numerical simulation models are developed and applied. Droplet/droplet and ice crystal/drop collisions in a turbulent flow field are treated via models and methods used in computational fluid dynamics by AIA. The characteristics of the in-cloud turbulent flow necessary for the microscale investigations by AIA are provided by IMUK performing LES simulations on the cloud scale.
The collision efficiencies resulting from the AIA calculations are then included at first in a 1D rainshaft model operating with spectral microphysics and thereafter into the microphysics module of a larger-scale cloud resolving model operated by IMK such that finally the turbulence affected precipitation development of warm and mixed-phase clouds is predicted.
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Originator:
Pofessor Dr. Jörn Behrens, Bremerhaven
Universität Hamburg
KlimaCampus
Professor Dr. Wolfgang Hiller, Bremerhaven
Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in der Helmholtz-Gemeinschaft
Professor Dr. Volkmar Wirth, Mainz
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Institut für Physik der Atmosphäre
Project:
Wechselwirkung von kleinen und großen dynamischen Skalen in einem adaptiven numerischen Modell für atmosphärische Feuchtkonvektion (funded in MetStroem-period I/II)
http://www.staff.uni-mainz.de/andrmue/Website/projects.html
Summary:
Das theoretische Verständnis und die numerische Modellierung von atmosphärischer Feuchtkonvektion sind große Herausforderungen für die meteorologische Forschung. Eine Hauptschwierigkeit liegt in der Multiskalennatur des Phänomens. Im vorliegenden Projekt sollen erstmals adaptive Methoden des wissenschaftlichen Rechnens zur Anwendung kommen, um die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Skalen der Wolkendynamik numerisch zu modellieren. In der ersten Projektphase wird ein mikrometeorologisches Modell für trockene Konvektion mit adaptiver Simulationstechnik implementiert. Ziel der zweiten Phase ist es,zusätzlich die Feuchte-Physik zu integrieren, um damit erstmals echte Cumulus- Konvektion simulieren zu können. Als Schüsselanwendung soll der Einfluss der mischungsinduzierten Umkehr der Auftriebskraft auf die Wolkenentwicklung untersucht werden. Wegen der zusätzlichen Feuchtevariablen müssen neue Kriterien für die lokale Verfeinerung des Gitters gefunden werden. Ferner soll ein pragmatischer Begriff von Konvergenz gefunden und ausgelotet werden. Die Neuentwicklung des hier vorgeschlagenen Projekts sollte längerfristig nicht nur zur Verbesserung der Niederschlagssimulation beitragen, sondern auch wichtige Impulse für die Weiterentwicklung der Theorie liefern.
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Originator:
Professor Dr. Malte Braack, Kiel
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Mathematisches Seminar
Professor Dr. Katharina Heinke Schlünzen
Universität Hamburg
Department Geowissenschaften
Meteorologisches Institut (MI)
Hamburg
Professor Dr. Ulrich Maas, Karlsruhe
Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Technische Thermodynamik
Project:
Zielfunktional-orientierte Reduktion von atmosphärischen Chemietransportmodellen
Summary:
Die numerische Simulation der Schadstoffausbreitung unter Berücksichtigung chemischer Reaktionen in der Atmosphäre ist mit einem außerordentlich hohen numerischen Aufwand verbunden, da die Reaktionsmodelle eine große Anzahl chemischer Spezies enthalten können (z.B. 58 Spezies in der Gasphase mit über 157 Reaktionen für ein mesoskaliges Chemie-Transport-Modell). In diesem Projekt sollen Reduktionstechniken für atmosphärische Chemietransportmodelle sowie lokale Gitterverfeinerung systematisch vorangetrieben werden und mittels a posteriori Fehlerschätzung kontrolliert werden.
In der ersten Phase dieses Projektes wurde u.a. damit begonnen, einerseits reduzierte Mechanismen zu erzeugen und andererseits die Fehlerschätzung im Hinblick auf instationäre Probleme mit vertretbarem numerischen Aufwand zu übertragen. Hierbei sind Mittelwerte relevanter Größen wie z.B. Schadstoffkonzentrationen von Interesse. Durch die Betrachtung stationärer adjungierter Gleichungen ist es nun möglich, den Fehler von Diskretisierung und Modell a posteriori zu schätzen. In dieser zweiten Projektphase sollen innerhalb eines adaptiven Algorithmus’ die erzeugten Modell- Hierarchien dazu genutzt werden, eine fehlerkontrollierte Reduktion durchzuführen.
Ferner soll die Gitterweite adaptiv gesteuert werden, so dass Modell- und Diskretisierungsfehler im Hinblick auf relevante Größen gezielt kontrolliert werden. Neben der Weiterentwicklung der Modell-Hierarchien steht daher die Kopplung von Modelladaptivität und lokaler Gitterverfeinerung bei meteorologischen Problemen im Zentrum.
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Originator:
Professor Dr. Volker John, Berlin
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS)
Professor Dr.-Ing. Dominique Jean Michel Thévenin, Magdeburg
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik
Project:
Referenzexperimente im mehrphasigen Windkanal, numerische Simulationen und Validierung
http://www.ovgu.de/isut/lss/metstroem
Summary:
Dieses Vorhaben verfolgt im experimentellen Bereich weiterhin das zentrale Ziel, eine ausführliche Datenbank anhand berührungsloser experimenteller Messungen in einer zweiphasigen Luft/Wasser-Strömung im Windkanal zu erstellen. Im Vergleich zur ersten Antragsphase sollen nun komplexere Konfigurationen (2 disperse Phasen in Wechselwirkung) berücksichtigt werden, wobei die Modellparameter immer näher an die Wolkeneigenschaften angepasst sind. Diese Messungen sollen der Validierung numerischer Simulationen und der Modellentwicklung (Kollisionswahrscheinlichkeit) dienen. In den Experimenten werden sowohl die Geschwindigkeiten der anwesenden Phasen wie auch die Eigenschaften der dispersen Phasen quantitativ vermessen. Alle Ergebnisse dieser Referenzexperimente werden öffentlich (www.ovgu.de/isut/lss/metstroem) zur Verfügung gestellt. Zentrale Ziele im Bereich der numerischen Simulation bestehen darin, die wegen der zweiten dispersen Phase notwendige Erweiterung des Populationsbilanzsystems auf zwei gekoppelte Populationsbilanzgleichungen umzusetzen. Des weiteren wird damit begonnen, die durch Integrale beschriebene Koaleszenz und Kollision von Partikeln in die Simulationen einzubeziehen. Eine wichtige technische Aufgabe besteht in der Parallelisierung des verwendeten Codes.
Insgesamt liefert dieses Projekt Modellinformationen und numerische Simulationen, die für das Verständnis der Regenbildung in turbulenten Wolkenströmungen hilfreich sein sollen.
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Originator:
Dr. Friedrich Kupka, Garching
Max-Planck-Institut für Astrophysik
Professor Dr. Hendrik C. Spruit
Max-Planck-Institut für Astrophysik, Garching
Dr. Martin Losch, Bremerhaven
Stiftung Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in der Helmholtz-Gemeinschaft
Fachbereich Klimawissenschaften
Project:
Modellierung diffusiver und doppelt–diffusiver Konvektion im Ozean und in Sternen (funded in MetStroem-period I/II)
Summary:
In einer stabilen vertikalen Schichtung nimmt die Dichte entgegen dem Verlauf der Schwerkraft nach oben hin ab. Die Stabilität einer solchen Schichtung hängt jedoch auch vom Verlauf der Temperatur und den Konzentrationen verschiedener Komponenten ab, aus denen das Fluid besteht. Zwei Fälle sind für die Ozeanographie und für die stellare Astrophysik von besonderem Interesse.
1. Fällt die Temperatur nach oben hin rasch ab, kann dies einen Auftrieb erzeugen, bei dem heißeres, leichtes Material nach oben hin aufsteigt (Konvektion). Solche konvektiv instabilen Schichtungen treten in Wolken auf ebenso wie in Ozeanen und in den äußeren 30% unserer Sonne. Wirkt diesem Auftrieb ein stabilisierender Gradient des mittleren Molekulargewichts entgegen (salzarmes Wasser über salzigerem Wasser, wasserstoffreiches über heliumreichem Plasma), kann es zur sogenannten „Semikonvektion“ kommen.
2. Nimmt die Temperatur nach oben hin zu, kann dies eine zunächst stabile Schichtung erzeugen. Wirkt nun dem stabilisierenden Temperaturgradienten ein destabilisierender Gradient des mittleren Molekulargewichts entgegen
(salzigeres Wasser über salzarmem Wasser), so können die sogenannten „Salzfinger“ entstehen.
Da die Wärmediffusion, das Mischen von Material mit verschiedenem Molekulargewicht (Salz, Wasserdampf, Helium, etc.) und die Konvektion selbst auf sehr unterschiedlichen Zeit– und Längenskalen ablaufen und auch miteinander wechselwirken, bereitet die numerische Simulation dieser Klasse von Strömungen besondere Schwierigkeiten. Ziele des Projektes sind hochaufgelöste numerische Simulationen mit Gitterverfeinerung, die ein besseres Verständnis der Mischungsvorgänge bei dieser so genannten diffusiven und doppelt–diffusiven Konvektion ermöglichen sollen, wie auch die Überprüfung der Parametrisierung dieser Mischungsvorgänge in Turbulenzmodellen. Diese sind für globale Simulationen wichtig, etwa von Ozeanströmungen, Klimaentwicklung, oder auch bei der Sternentwicklung.
Originator:
Dr. Juan-Pedro Mellado, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Prof. Dr.-Ing. Heiko Schmidt, Cottbus
Juniorprofessur für Strömungsmodellierung
Brandenburgische Technische Universität Cottbus
Professor Bjorn Stevens, Hamburg
Max-Planck-Institut für Meteorologie
Projekt:
Analyse und numerische Simulation von Stratocumulus Wolken
http://www.zib.de/Numerik/projects/MetStroem/project.frameset.de.html
Zusammenfassung:
Stevens stellt in [47] die Bedeutung von cumuliformer, stratiformer und Stratocumulus Konvektion für Wetter und Klima zusammenfassend dar. Jüngste Arbeiten deuten darauf hin, dass die korrekte Darstellung flacher Cumulus Konvektion der entscheidende Grund für Unterschiede in Klimasensitivitätsstudien ist [1]. Leider ist unser Verständnis dieser Wolken sehr limitiert. Dies ist zum Teil auf die begrenzten Möglichkeiten zurückzuführen, diese Wolken mit großer Genauigkeit zu simulieren. Das übergeordnete Ziel dieses interdisziplinären Projektes ist, die Expertise aus Numerik, Strömungsmodellierung und Turbulenztheorie zu vereinen, um eine vernünftige Darstellung von Stratocumulus Wolken in Klimamodellen und anderen Formen großskaliger Modelle zu entwickeln.
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Originator:
Professor Dr. Klaus Dieter Beheng, Karlsruhe
Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK)
Forschungsbereich Troposphäre (IMK-TRO) (funded in MetStroem-period I/II)
Professor Dr. Wolfgang Polifke, Garching
Technische Universität München
Fakultät für Maschinenwesen
Lehrstuhl für Thermodynamik
Privatdozentin Dr. Ulrike Wacker, Bremerhaven
Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in der Helmholtz-Gemeinschaft
Project:
Skalenübergreifende Modellierung der Populationsdynamik von Hydrometeoren mit Momentenverfahren
Summary:
Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Modellierung der Populationsdynamik von Hydrometeoren. Ziel des Projekts ist es, eine Methode zur Beschreibung der räumlich-zeitlichen Entwicklung z.B. von Tropfenpopulationen zu entwickeln, die so effizient ist, dass sie in meteorologischen Vorhersagemodellen eingesetzt werden kann.
Insbesondere werden Momentenmethoden aus der Fluiddynamik eingesetzt, die im Hinblick auf die Wolkenphysik ein enormes Entwicklungspotential besitzen. Die Momentenmethoden erlauben, die Wirkung mikroskaliger Vorgänge auf die Entwicklung der Momente zu beschreiben und aus Kenntnis der makroskopischen Momente der Größenverteilung Rückschlüsse auf den Mikrozustand einer Tropfenpopulation zu ziehen. Im beantragten Vorhaben werden Momentenverfahren verschiedener Komplexität eingesetzt und weiter entwickelt. So werden realistische Kollisions- und Break- Up- Kernelfunktionen, die nicht als Polynome darstellbar sind, und eine nichtlineare Tropfenwachstumsgleichung berücksichtigt. Auch sollen bekannte strukturelle Mängel und inhärente Unsicherheiten bisher genutzter Verfahren untersucht bzw. behoben werden. Insbesondere soll geprüft werden, ob durch die neuartigen Momentenmethoden unrealistische Schockwellenlösungen, die bei der Berechnung der Sedimenation mit üblichen Momentenverfahren auftreten, vermieden werden können. Eine Validierung der neuen Verfahren erfolgt anhand null- und eindimensionaler Modelle der Wolkenphysik, in denen die detaillierte spektral-kinetische Gleichung für die Größenverteilung von Hydrometeoren numerisch gelöst wird, sowie anhand experimenteller Ergebnisse.
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Originator:
Professor Dr. Eberhard Bodenschatz, Göttingen
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen (funded in MetStroem-period I/II)
Dr. Haitao Xu
Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen (funded in MetStroem-period I/II)
Originator:
Professor Dr. Siegfried Raasch, Hannover
Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
Institut für Meteorologie und Klimatologie
Professor Dr. Jörg Schumacher, Ilmenau
Technische Universität Ilmenau
Fakultät für Maschinenbau
Fachgebiet Theoretische Strömungsmechanik
Dr. Holger Siebert, Leipzig
Leibniz-Institut für Troposphärenforschung e.V. (IfT)
Project:
Der Einfluss des turbulenten Entrainments und Mischens auf die Feinstruktur der Wolkenturbulenz
Summary:
Das Entrainment von ungesättigter und tropfenfreier Umgebungsluft und deren Mischen mit gesättigter Wolkenluft beeinflusst die Wolkendynamik auf allen Raum- und Zeitskalen. Unser Verständnis dieses, u.a. für die Niederschlagsbildung und den Strahlungshaushalt, fundamental wichtigen Prozesses ist jedoch immer noch unvollständig. Im vorliegenden Projekt möchten wir deshalb experimentelle und numerische Untersuchungen kombinieren, die alle Skalenbereiche des Entrainments in Kumuluswolken überdecken. Unsere Messdaten von jüngst beendeten hubschraubergestützten Wolkenmessungen liefern großskalige Rand- und Anfangsbedingungen für feiner aufgelöste Windtunnelexperimente und Direktsimulationen des Mischens von Umgebungs- mit der Wolkenluft. DasHauptaugenmerk liegt dabei auf der Anfangsphase des Entrainments, in welcher die kleinskalige stark intermittente Turbulenz die Größe und Anzahl der Wassertropfen stark beeinflusst, bevor die Kollisionen schwererer Tropfen bedeutend werden. Unsere Mehrskalenuntersuchungen, die die Dynamik bis zur viskosen Kolmogorovlänge auflösen, werden letztendlich helfen, die ursprünglichen Wolkenmessungen bezüglich homogener und inhomogener Mischszenarien und damit zusammenhängender Zeitskalen der Phasenumwandlung zu re-interpretieren.
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