Masterarbeiten
M1: Anwendung und Prüfung einer Evaluierungsstrategie für mesoskalige hochauflösende Modelle
Ziel:
Eine Richtlinie zur Prüfung der Güte hochauflösender mesoskaliger Modelle soll bei Nutzung des mesoskaligen Modells METRAS auf ihre Nachvollziehbarkeit und Anwendbarkeit hin geprüft werden. Hierzu muss die Richtlinie praktisch umgesetzt werden, vorgegebene idealisierte und realitätsnahe Simulationen sind durchzuführen und das Modell im Vergleich zu vorgegebenen Lösungen evaluieren. Darüber hinaus soll das Modell in verschiedenen veränderten Konfigurationen gerechnet werden und überprüft werden, ob dann die Evaluierungsvorschrift auch eingehalten wird. Damit kann, bei bekanntermaßen schlechter Modellkonfiguration (z.B. ungenaue Numerik) angegeben werden, ob die Evaluierungsrichtlinie valide von weniger validen Modellen trennen kann.
Aufwand:
- ca. 5 % Literaturrecherche
- ca. 70 % Modellrechnungen und -Auswertung
- ca. 25 % Publikation.
Eingebunden in UBA-Projekt: Referenzimplementierung eines prognostischen mesoskaligen Windfeldmodells für die Ausbreitungsrechnungen nach Anhang 3 der TA-Luft zur Berücksichtigung von Geländeunebenheiten bei Steigungen über 1:5
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, Ronny Petrik
M2: Weiterentwicklung des Modells METRAS für Langzeitintegrationen
Ziel:
Das mesoskalige Modell METRAS wird gegenwärtig nur für Episodenuntersuchungen eingesetzt. In Anbetracht der zunehmenden Rechnerressourcen wird die Langzeitintegration absehbar möglich. In einem ersten Schritt soll METRAS für Langzeitintegrationen weiter entwickelt werden. Dazu sind beispielsweise die Bodenenergie- und -feuchtebilanz zu schließen, eine Schneeparametrisierung zu integrieren oder ein Vegetationswachstumsmodell einzubinden. Die Erweiterung sollen im 1-dimensionalen Modell erfolgen, das für die Langzeitintegrationen mit Re-Analysedaten der vergangenen Jahrzehnte angetrieben werden soll. Die Modellergebnisse sollen mit den Messungen am NDR-Mast evaluiert werden.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturrecherche
- ca. 30 % Modellerweiterung und -Test
- ca. 30 % Modellrechnungen und -Auswertung
- ca. 25 % Publikation.
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, Marita Boettcher
M3: Numerische Simulation der städtischen Wärmeinsel mit detaillierter Stadtstrukturberücksichtigung
Ziel:
Mit dem Modell METRAS soll untersucht werden, welchen Einfluss eine genauere Parametrisierung der Stadtstrukturen auf die errechnete städtische Wärmeinsel hat. Hierzu ist METRAS um eine detaillierte Stadtstrukturparametrisierung zu erweitern (Basis: BEP; Vorarbeiten und Erfahrungen liegen vor). Modellrechnungen sollen für verschiedene Wetterlagen mit und ohne Stadtstrukturparametrisierung durchgeführt werden. Auf Basis der Modellergebnisse soll entschieden werden, für welche Wetterlagen die Stadtstruktur-Parametrisierung signifikant andere Lösungen liefert, oder wann die komplexere Parametrisierung nicht notwendig ist.
Aufwand:
- ca. 20 % Literaturrecherche
- ca. 30 % Modellerweiterung und -Test
- ca. 25 % Modellrechnungen und -Auswertung
- ca. 25 % Publikation.
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: David Grawe, Heinke Schlünzen
M4: Emission und Ausbreitung von Birkenpollen
Ziel:
Die Ausbreitungsdistanzen – und Konzentrationen sollen am Beispiel von Birkenpollen untersucht werden. Dazu ist ein Blühmodell für Birken auf Basis von Literaturrecherchen und eigenen Datenanalysen zu entwickeln. Das Blühmodell soll in das numerische Modell METRAS implementiert werden, eine Blühphase nachgerechnet und schließlich dahingehend analysiert werden, dass mögliche Gründe für Veränderungen in der Ausbreitungsdistanz und Ablagerung aufgezeigt werden können.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturrecherche
- ca. 20 % Datenanalyse
- ca. 15 % Modellerweiterung
- ca. 25 % Modellrechnung und -Auswertung
- ca. 25 % Publikation.
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP.
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe
M5: Einfluss der Stadtstruktur auf die meteorologischen Parameter über einer Stadt
Ziel:
Der Einfluss der internen Heterogenität einer Stadt auf meteorologische Parameter soll in Abhängigkeit von der meteorologischen Situation über quantifiziert werden. Hierzu sind unterschiedliche idealisierte Stadtstrukturen auf Basis der Stadtstruktur der Metropolregion Hamburg zu erstellen. Sensitivitätsstudien sollen für idealisierte meteorologische Situationen mit dem Modell METRAS durchgeführt werden. Quantifiziert werden soll, ob z.B. für die Geschwindigkeitsverminderung einfache Abhängigkeiten zu Oberflächenbedeckungen abgeleitet werden können und in welche Höhe diese reichen.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturrecherche
- ca. 60 % Modellrechnungen und -Auswertung
- ca. 25 % Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe
M6: Untersuchung der Auswirkungen von Anpassungsmaßnahmen auf das Stadtklima
Ziel:
Die Auswirkungen verschiedener Anpassungsmaßnahmen sollen mit dem numerischen Modell METRAS untersucht werden. Dazu werden z. B „weiße Dächer“ oder veränderte Vegetation im Modell implementiert und mit idealisierten Simulationen quantifiziert. Dabei sollen verschiedene Jahreszeiten betrachtet werden.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturstudie
- ca. 40 % Implementieren der Anpassungsmaßnahmen, Durchführung der Modellrechnungen
- ca. 25 % Auswertung
- ca. 20 % Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, Marita Boettcher
M7: Untersuchung des Einflusses von Off-Shore Windkraftanlagen auf die atmosphärische Schichtung sowie auf die Land-See-Wind Zirkulation
Ziel:
Mit dem mesoskaligen Modell METRAS soll durch idealisierte Simulationen der Einfluss von Windkraftanalgen auf die atmosphärische Schichtung und die Austauschprozesse zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre untersucht werden. Die unterschiedlichen Einflüsse bei verschieden Schichtungen sollen analysiert werden. Die Erkenntnisse aus diesen Simulationen sollen bei der Untersuchung des Einflusses von Windkraftanlagen auf die Land-See-wind Zirkulation angewendet werden.
Aufwand:
- ca. 10 % Literaturstudie
- ca. 30 % Auswahl und Durchführung der Modellrechnungen
- ca. 40 % Auswertung
- ca. 20 % Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, Marita Boettcher
M8: Is the COPS experiment an evaluation basis for mesoscale models applied by consultants?
The COPS experiment in the Black forest region was one of the most comprehensive measurement campaigns in Germany in the last decades. The scope of the COPS was to get a deep insight into convective processes (e.g. initiation and life cycle of convective systems) which take place in complex and heterogeneous terrain. The lack in forecasting convective systems should be better understood. A huge amount of measurement data was collected during the period of June to August 2007. The master student shall examine how far the COPS data can also be used as evaluation data within the framework of quality assurance and performance measures for mesoscale models, in particular the models applied by consultants. These models are used for preparing expert assessments and therefore should fulfill evaluation criteria defined by the so-called VDI guidelines (“Verein Deutscher Ingenieure”).
The potential candidate should work on three main tasks:
1. Identify specific measurement periods during the COPS campaign (so-called IOPs) suitable for the evaluation of consultant applied models and analyze the data for spatial and temporal representativeness
2. Perform model simulations with different model types (prognostic, diagnostic) and investigate the quality of the model results with respect to thermodynamic and hydrodynamic processes in the planetary boundary layer
3. Examine the model results for its sensitivity to model initialization, idealized / realistic forcing, …
The tasks can be modified according to the interests of the student.
The work is related to the UBA project UFOPLAN (reference implementation of a prognostic mesoscale model for dispersion modelling).
The effort of this work is distributed as follows:
- about 15 % for literature study about the COPS measurements and the related uncertainties
- about 30 % for the investigation of single COPS IOPs and the representativeness of the data sets
- about 30 % for model setup, simulation and evaluation
- about 25 % for writing the thesis
The work of the student will be guided by Heinke Schlünzen and Ronny Petrik.
M9: Resolving the radiation effect / the drag of trees in a mesoscale model
During the last years the demand for high-resolution model simulations was growing continuously. For instance, to furnish an expert opinion for the air quality in cities located in mountainous regions, a consultant has to consider the advection of cold air originating from the neighboring mountains and valleys. Since the advection of cold air often takes place only in the lowest few meters of the atmosphere, one needs model simulations with a highly-resolved planetary boundary layer.
The model’s vertical resolution near the Earth Surface is limited due to the fact, that the sub-grid scale physical processes close to the surface are parameterized using the Monin-Obukhov similarity theory. To get physically reasonable turbulent fluxes the lowest model level is often chosen to be far away from roughness elements (like trees) at the ground, i.e. the lowest model layer in WRF, COSMO or METRAS is at least 20 meters thick. The master student shall examine how to incorporate explicitly the trees in a mesoscale model. Apart from the buildings the trees show the highest degree of surface roughness and prevent using small vertical grid sizes near the surface.
The potential candidate should work on three main tasks:
1. Find a parameterization suitable for mesoscale models which describes the drag induced by trees (the student can fall back to the expertise of the MEMI group in resolving buildings in mesoscale / microscale models and trees in microscale models)
2. Examine the radiation effect of the leaf canopy: here the student shall consider how the leaves of a forest influence the shortwave and longwave radiation and, if there is time, how to take these impacts into account in a model
3. Study how to define the input parameter for different types of trees and how to keep the number of parameters as small as possible
4. Implement the parameterization developed for trees and evaluate it using idealized and realistic test beds
The tasks can be modified according to the interests of the student.
The work is related to the UBA project UFOPLAN (reference implementation of a prognostic mesoscale model for dispersion modelling).
The effort of this work is distributed as follows:
- about 20 % for literature study about the parameterization of trees in atmospheric models
- about 35 % for the development and the implementation of a tree parameterization
- about 20 % for testing and evaluating the tree parameterization
- about 25 % for writing the thesis
The work of the student will be guided by Heinke Schlünzen and Ronny Petrik.
M10: Untersuchung der Feinstaubbelastung in Hamburg während eines Silvesterfeuerwerks
Ziel:
Unter Verwendung des mesoskaligen Transportmodells METRAS soll untersucht werden, inwieweit die durch Feuerwerkskörper ausgelöste Emission von gesundheitsgefährdenden Feinstaubpartikeln wie Metallen oder Dioxinen die Stadt Hamburg belasten. Dazu soll in einem ersten Schritt das Sylvesterfeuerwerk 2012 untersucht werden. Unter Zuhilfenahme von Abschätzungen über die freigesetzten Emissionen soll in Bezug auf die damals vorherrschende meteorologische Situation die Ausbreitung und die räumliche Verteilung der Belastung durch Feinstaubpartikel (Auftreten von Grenzwertüberschreitungen) untersucht werden. Eine Evaluation der Ergebnisse soll anhand der Luftmessstationen erfolgen. Darüber hinaus kann anhand weiterer selbstgewählter meteorologischer Situationen untersucht werden, wie stark sich die Belastung durch Feuerwerksemissionen in Abhängigkeit von z.B. der Windgeschwindigkeit verändert und ob kritische Level existieren.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturstudie und Datenrecherche
- ca. 20 % Entwicklungen von Methoden zur Modellinitialisierung und -forcing
- ca. 45 % Durchführung und Auswertung von Modellrechnungen
- ca. 20 % Anfertigung der Masterarbeit und eventuelle Publikation
Eingebunden in Projekt: Excellenzcluster CliSAP (Climate System Analysis and Prediction)
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe, Ronny Petrik
M11: Untersuchung des Einflusses von Anfangswerten auf Ergebnisse eines Mikroskalamodells
Ziel:
Die Bandbreite von mikroskaligen Modellergebnissen aufgrund ungenauer Anfangswerte soll mit einem Mikroskalamodell ermittelt werden. Dazu sollen Sensitivitätsstudien bei verschiedener atmosphärischer Schichtung und Hinderniskonfiguration durchgeführt werden. Als numerisches Modell wird das Modell MITRAS verwendet, welches die Strömungs- und Stoffausbreitung um Hindernisse simuliert. Empfehlungen zur notwendigen Genauigkeit von Anfangswerten sind abzuleiten.
Aufwand:
- ca. 10 % Literaturstudie und Auswahl der Testfälle
- ca. 50 % Durchführung der Modellrechnungen, Erstellung eines Vergleichsprogramms
- ca. 40 % Bewertung der Modellergebnisse und Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe
M12: Landschaftsplanung zur Verbesserung des Gebäudeklimas
Ziel:
In windigen Gegenden sind Gebäude durch den Wärmeaustausch mit der Umgebung erheblichen Abkühlungen (Winter) oder Erwärmungen (Sommer) ausgesetzt. Eine gut geplante Umgebung kann diese Effekte reduzieren. Dazu zählen Bäume und Büsche, und die Umgebungsbebauung. Das mikroskalige Modell MITRAS soll in Hinblick auf die Wärmeeffekte durch Gebäudewände weiter entwickelt werden und genutzt werden, um die Einflüsse unterschiedlicher Vegetationsverteilungen und anderer Gebäude auf die Wärmeflüsse an Gebäudewänden zu untersuchen.
Aufwand:
- ca. 10 % Literaturrecherche
- ca. 40 % Modellentwicklung
- ca. 40 % Modelltests und Bewertung
- ca. 10 % Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP, Bereich Urban Systems – Test Bed Hamburg: Hoch aufgelöste Re-Analyse unter Einschluss von Stadtwachstumsmodell
Themen-orientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe
M13: Modellierung der Ausbreitung emittierter Stoffe aus Punkt- und Linienquellen in orographisch gegliedertem Gelände
Ziel:
Unter Variation der Quellverteilung (Punktquelle, Linienquelle) sollen mit dem mesoskaligen Transport- und Strömungsmodell METRAS die Ausbreitungsbedingungen in einem Talwindsystem unter verschiedenen meteorologischen Bedingungen untersucht werden: Welche Ausmaße kann eine isolierte Emissionsfahne in einem abgeschlossenen Tal annehmen und welche Immissionswerte sind am Boden zu erwarten? Welchen Einfluss hat die Quellposition? Unter welchen meteorologischen Bedingungen sind die höchsten Konzentrationen quellnah oder quellfern zu erwarten?
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturstudie, Datenrecherche
- ca. 50 % Wahl der meteorologischen Situationen und Modellrechnungen
- ca. 35 % Auswertung und Publikation
Eingebunden in das Excellenzcluster CliSAP
Themen-orientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe
M14: Modellierung der langwelligen Strahlungsflüsse zwischen Gebäuden und ihr Einfluss auf das Mikroklima
Ziel:
Die langwellige Abstrahlung von Gebäuden beeinflusst maßgeblich das Temperaturfeld in Gebäudenähe. In der Literatur gibt es verschiedene Berechnungsmethoden, die im mikroskaligen Modell MITRAS getestet werden sollen. Untersucht werden soll, wie die langwellige Abstrahlung das Temperaturfeld beeinflusst und welche Methode am effektivsten genutzt werden kann.
Aufwand:
- ca. 15 % Literaturrecherche
- ca. 35 % Modellentwicklung
- ca. 40 % Modelltests und Bewertung
- ca. 10 % Publikation.
Themenorientierte Betreuung: Heinke Schlünzen, David Grawe