In dieser Rubrik erläutern wir die Messmethodik die wir verwenden. Klicken Sie auf den entsprechenden Tab um näheres zu erfahren.

Eddy Kovarianz wird mit akustischen Windmessgeräten (sog. sonic anemometer) gemessen, welche sowohl Wind, als auch Temperatur und Feuchte messen können. Zusätzlich können über Infrarot Signale Konzentrationen von Spurengasen, z.B. Kohlenstoff Dioxid (CO₂) gemessen werden.

Dadurch, dass die Messungen zeitlich sehr hoch aufgelöst Daten erfassen (20 Hz), können turbulente Anteile der Strömung und durch Kombination der gemessenen Größen auch netto Transport der turbulenten Strömung (sog. Flüsse) berechnet werden.

Diese Methodik erlaubt direkte Messungen von Energie-, Feuchte-, Impuls- und Konzentrationsflüssen und sind von erheblicher Wichtigkeit für die Quantifizierung von beispielsweise CO₂ Bilanzen.

Doppler Wind Lidar Systeme sind bodengestützte Laser Systeme. Die Instrumente messen das das Laserlicht, welches von Aerosolen in der Atmosphäre zurückgestreut wird. Anhand der Laufzeit des Lichts wird die Entfernung vom Gerät bestimmt, während gleichzeitig die Menge des gestreuten Lichts Informationen über die Menge an Aerosol in der rückstreuenden Schicht liefert. Die Geschwindigkeit, mit der sich die rückstreuende Schicht auf das Instrument zu (oder davon weg) bewegt, lässt sich anhand der Wellenlängen Änderung (sog. Doppler Verschiebung) bestimmen. Da sich das Instrument nicht bewegt, kann diese Verschiebung als Windgeschwindigkeit der rückstreuenden Luftmasse interpretiert werden.

Diese Messtechnik erlaubt es vom Boden Wind und Aerosol bis in mehrere Kilometer Höhe zu vermessen. Sie sind daher besonders geeignet um Wind in Städten zu vermessen, wo oft kein Aufstellen ausreichend hoher Türme möglich ist.

Ceilometer verwenden ähnlich wie Doppler Wind Lidar Systeme Laser, um die vertikale Verteilung von Aerosol in der Atmosphäre zu messen. Anhand der Laufzeit des Lichtsignals zwischen Senden und Empfangen der Rückstreuung wird die Entfernung (Höhe) der rückstreuenden Luftmasse bestimmt vom Instrument. Die Signalstärke gibt Information über die Anzahl der rückstreuenden Partikel. Anhand der Polarisation des empfangenen Lichts lässt sich auch feststellen, ob es sich um Wassertropfen oder Eiskristalle handelt.

In Kombination mit Radiosonden Daten und anderen Profil Informationen stellen Ceilometer ein sehr nützliches Werkzeug dar, um Strukturen der atmosphärischen Schichten abzuleiten.

Klassische meteorologische Wetterstationen erlauben uns, Temperatur, Feuchte, Wind, Niederschlag und je nach Ausstattung auch solare Einstrahlung und Wärmestrahlung der Oberfläche zu messen. Diese Stationen haben vielerlei Einsatzzweck und stellen wichtige Daten für all unsere Analysen bereit.

Das Pluvio Messsystem ist ein klassisches „Eimer“ System, welches Niederschlag sammelt und wiegt. Anhand der Änderung des Gewichts wird dann die die Niederschlagsstärke berechnet. Zum Vergleich: die kleineren Sensoren in klassischen Wetterstationen verwenden oft optische Verfahren, um zu messen, wie viele und wie große Tropfen durch eine Röhre fallen. Für genauere Messung der tatsächlich gefallenen Niederschlagsmenge ist das Wiegeverfahren oft genauer.

Für viele meteorologischen Untersuchungen ist es notwendig, Daten in größerer Höhe über Grund zu erheben. Hierzu verwenden wir einen mobilen 30 Meter hohen Mess-Mast. Der Mast kann pneumatisch ausgefahren werden und muss sicher abgespannt werden. Die maximale Kopflast bei Windstille ist 50 Kilogramm.

In dieser Rubrik erläutern wir die Computer Modelle die wir verwenden. Klicken Sie auf den entsprechenden Tab um näheres zu erfahren.

Um unsere Erkenntnisse für die Gesellschaft nutzbar zu machen, entwickeln wir Ursache-Mechanismus-Wirkung Modelle, die auf Daten und Simulationen aufbauen. Digitale Informations-Werkzeuge (sog. GIS-Plugins) dienen dazu, dass Daten komplexer Modelle für Stakeholder nutzbar visualisiert werden können, um die Entscheidungsfindung zu unterstützen. Diese Werkzeuge werden gemeinsam mit unseren Partnern entwickelt und verbessert, um auf die Bedürfnisse der unterschiedlichen Stakeholder einzugehen.

Um die Erkenntnisse der Empirie übertragbar zu machen, entwickeln wir konzeptionelle Modelle, basiert auf beobachtbaren Daten und mathematischen Zusammenhängen der physikalischen Systeme, die wir untersuchen. Ohne Gleichungen und Formeln, die mathematisch oder empirisch ermittelt werden, können beispielsweise Computermodelle keine Vorhersagen machen. Hierzu arbeiten wir mit Differenzialgleichungen, iterativen numerischen Verfahren, algebraischen empirischen Formeln und Algorithmen, sowie Signalprozess Techniken wie wavelet- und cluster- Analysen.

Das PALM Model System ist ein modernes Mikroskalen Modell für meteorologische Anwendungen, unter anderem in Städten. Das Modell simuliert eine virtuelle Landoberfläche und die Atmosphäre, die damit wechselwirkt. Hierzu werden Austauschprozesse mit urbanen Oberflächen, Vegetation, Wasser simuliert, sowie physikalische Prozesse, die in der Atmosphäre selbst stattfinden: Impuls, Energie, Feuchte, aber auch Spurengase, Pollen und andere Aerosole.

Seit 2016 ist unsere Gruppe an der Entwicklung und Evaluation des Modells beteiligt. Wir verwenden das Modell aktuell hauptsächlich für die Untersuchung lokaler Repräsentativität: Wie präzise, genau und korrekt lässt sich ein urbaner Raum simulieren (und vermessen) und was bedeutet das für unsere Kampagnen Konzepte und die Überprüfbarkeit von Maßnahmen (z.B. Begrünung in Straßen)? Indem wir diese Grenzen finden und kennenlernen können wir Methoden entwickeln, diese zu erweitern oder umgehen.

Das Weather Research and Forecast (WRF) Modell ist ein etabliertes Computermodell für Meteorologie und Klimaforschung, welches auch für Vorhersagen verwendet wird. In unserer Arbeitsgruppe verwenden wir es hauptsächlich, um geeignete Anfangs- und Randbedingungen für PALM zu berechnen, indem wir Reanalysen Daten (z.B. vom European Center for Medium Range Forecasts, ECMWF) mit einem sog. dynamischen downscaling Prozess auf repräsentative Skalen herunter rechnen. Regionale physikalische Prozesse werden explizit simuliert, um die Ergebnisse der globalen Modelle repräsentativer zu machen. Die Ergebnisse dieses Prozesses evaluieren wir anhand unserer Daten, bevor wir sie für PALM aufbereiten. Hierdurch entsteht eine Modell-Kette: globale, datengestützte Reanalyse Modelle in kontinentale und regionale Prozessmodelle. Diese füttern dann in lokal repräsentative Mikroskalen Modelle. Von globalen (tausende Kilometer) zu menschlichen Skalen (wenige Meter).

In dieser Rubrik erläutern wir unsere Beteiligung an Forschungs Netzwerken. Klicken Sie auf den entsprechenden Tab um näheres zu erfahren.

Das Integrated Carbon Observation System (ICOS) ist ein Europäisches Netzwerk mit dem Ziel, Kohlenstoff Dioxid Flüsse über Europa quantitativ zu erfassen. Wir betreiben aktuell zwei ICOS Associated Stations: Graswang und Fendt. Die Daten fließen in die Datenpipeline des Ökosystem Thematischen Zentrums (ETC) und dann ins das zentrale ICOS Carbon Portal.

Das TERrestrial Environmental Observatories (Tereno) Netzwerk ist ein Helmholtz Forschungsinfrastruktur, in der wir im Prä-Alpinen Observatorium mitwirken. Die Stationen Graswang, Fendt und Schechenfilz werden von unserer Gruppe instandgehalten und die Daten fließen in das Tereno Datenportal.

In dieser Rubrik erläutern wir unsere Arbeiten an verschiedenen Forschungsprojekten und Messkampagnen. Klicken Sie auf den entsprechenden Tab um näheres zu erfahren.

Das Verbundprojekt Klimawandelanpassung auf regionaler Ebene (KARE) konzentriert sich auf die transdisziplinäre Entwicklung, Erprobung und Verbreitung neuer Methoden zur Erstellung und Bereitstellung relevanter Informationen für den Umgang mit Starkniederschlägen und extremen Hitzeereignissen. Darüber hinaus sollen die Einflüsse des Klimawandels auf künftige Hochwasserereignisse auf kommunaler Ebene im Oberland anhand der verbesserten regionalen Klimaprojektionen quantifiziert werden.

Gemeinsam mit regionalen Akteuren in der Region Oberland erarbeitet KARE praktisches Wissen darüber, wie Kommunen besser für aktuelle und zukünftige Starkniederschlags- und extreme Hitzeereignisse planen können. Dazu wird ein Mix aus quantitativen und qualitativen Methoden und verschiedenen Modellierungstechniken eingesetzt. KARE kombiniert Methoden aus den Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften sowie Methoden aus der empirischen Sozialforschung.

Wir sind verantwortlich für die Bereitstellung von regionalisierten und lokal verfeinerten Klimainformationen und Clusterkarten zu hydrometeorologischen Extremen (Starkniederschlag und Hitze) auf der Basis vorhandener Klimadaten und Daten aus dem Querschnittsprojekt (NUKLEUS). Aus den Klimadaten werden mit Hilfe von nicht-stationären Extremwertanalysen Veränderungen in der Starkniederschlags- und Hitzestatistik im Oberland abgeleitet. Diese sind entscheidend für eine verbesserte hydraulische Modellierung und Schwammstadtmodelle. Ziel der Informationen ist es, die Bevölkerung und die Kommunen des Oberlandes für die Folgen des Klimawandels zu sensibilisieren, auf die kommunale Ebene veredelte Daten für die Klimafolgenanalyse bereitzustellen, gemeinsam mit Akteuren aus Politik, Wirtschaft und Gesellschaft praxisnahe Instrumente für ein kommunales Starkregen-Risikomanagement zu entwickeln und zu erproben sowie konkrete Klimainformationsprodukte (Wärme- und Starkregen-Klimakarten) für die digitale Informationsplattform bereitzustellen.

Das Projekt wurde von der deutschen Bundesregierung gefördert.

Im Rahmen des Projekts Pilot Applications in Urban Landscapes (PAUL, auch bekannt als ICOS Cities) untersuchten wir, was erforderlich ist, um bestehende Methoden zur Messung von Treibhausgasen über Ökosystemen auf städtische Systeme auszuweiten. Wir haben Pilotkampagnen in Zürich, Paris und München durchgeführt und die Methoden getestet und bewertet. Wir haben Eddy-Kovarianz- und Doppler-Wind-Lidar-Messsysteme in den drei Pilotstädten betrieben und die Auswertungsdaten dem ICOS Carbon Portal zur Verfügung gestellt.

Das Projekt wurde von der Europäischen Union finanziert.

Das Young Investigator Group Preparation Program (Yig Prep Pro) richtet sich an Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler, die eine eigene unabhängige Forschungsgruppe am KIT aufbauen wollen.

Dr. Hawwa Kadum trat dieser Initiative im Jahr 2021 mit dem Forschungsthema Land - Atmosphere Feedback over Heterogeneous Surfaces bei.

Im Projekt Stadtklima im Wandel ([UC]²) haben wir zur Entwicklung und Evaluierung des Modellsystems PALM beigetragen. In den Jahren 2017 und 2018 haben wir in Stuttgart mit Doppler-Wind-Lidar- und Ceilometer-Systemen Evaluierungsdaten gesammelt, die wir später zur Bewertung der Windbedingungen und der allgemeinen Dynamik der Grenzschichtstruktur innerhalb des Modells verwendet haben. Darüber hinaus leistete unsere Gruppe wesentliche Beiträge zur Entwicklung der Module für Atmosphärenchemie, biogene Emissionen von Gasen und Pollen sowie Gebäudeemissionsprozesse.

Das Projekt wurde von der deutschen Bundesregierung finanziert.