Bachelor/Masterarbeit
Einfluss des Coronavirus-Lockdowns im Frühjahr 2020 auf die Luftqualität in Europa
Ausschreibungsdatum: 09.01.2023
Während der Lockdowns und anderer Maßnahmen im Frühjahr 2020 hat sich in vielen Ländern das Bewegungsprofil der Menschen geändert. Durch deutlich verringerten Arbeits- und Reiseverkehr, aber auch industrielle Produktion haben sich die Schadstoffemissionen abrupt stark verändert. In kurzer Zeit gab es dazu viele Studien. Viele dieser Studien haben aber nur die gemessenen Schadstoff-Konzentrationen direkt vor und während der Lockdowns betrachtet, ohne jahreszeitliche Effekte oder Einflüsse unterschiedlicher Wetterlagen ausreichend zu berücksichtigen. Im Gegensatz dazu bieten Simulationen mit Atmosphärenmodellen die Möglichkeit, verschiedene Emissionsszenarien unter gleichbleibenden meteorologischen Bedingungen zu untersuchen.
Das Ziel der Arbeit ist zum einen, einen guten Überblick über Studien mit Atmosphärenmodellen zum Thema zusammenzustellen. Darüber hinaus kann die Arbeit auch Vergleiche zwischen am TROPOS angefertigten Simulationen und gemessenen Schadstoffkonzentrationen beinhalten. Für letzteres sind Programmierkenntnisse hilfreich, aber nicht zwingend erforderlich. Je nach eigenen Vorstellungen kann die Wichtung der beiden Arbeitsbereiche angepasst werden. Vorhandene Analyseprogramme (Python) zur Auswertung der Modell- und Messdaten können verwendet werden.
Kontakt:
Dr. Roland Schrödner, Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Eis-Multiplikation – Welche Mechanismen in Wolken können potentiell zur sekundären Erhöhung der Eiskristallanzahl beitragen?
Ausscheibungsdatum: 09.01.2023
In Mischphasenwolken (bestehend aus Eiskristallen und unterkühlten flüssigen Tröpfchen) können mehr Eiskristalle vorhanden sein als durch das bloße Gefrieren flüssiger Tröpfchen erwartbar wäre. In den letzten Jahren wurden verschiedene Mechanismen zur Erklärung des Phänomens vorgeschlagen. Die Gesamtheit dieser Prozesse wird als Eismultiplikation (engl. ‚ice multiplication‘ oder auch ‚secondary ice production’) bezeichnet. Vorstellbar sind zum Beispiel Kollisionen zwischen zwei Eiskristallen oder das Zerbrechen gefrierender Tropfen, bei denen kleinere Eissplitter entstehen und somit mehr Eispartikel vorhanden sind als vorher.
Das Ziel der angebotenen Arbeit ist, einen guten Überblick über die in der Fachliteratur vorgeschlagenen Prozesse der Eismultiplikation zu erstellen. Dem können auch eigene Anwendung zum Vergleich der verschiedenen gefundenen Prozesse hinzugefügt werden. Die Arbeit bietet einen Einstieg in mikrophysikalische Prozesse in Wolken und deren Beschreibung für z. B. Wettermodelle.
Kontakt:
Dr. Roland Schrödner, Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Wie vertrauenswürdig sind kostengünstige Feinstaubmessgeräte im Vergleich zu konventionellen Messinstrumenten?
Ausschreibungsdatum: 09.01.2023
Das TROPOS betreibt seit Juli 2022 in Leipzig-Lindenau ein Messnetzwerk bestehend aus 22 kostengünstigen Geräten, welche die Feinstaubkonzentration von Partikeln mit Durchmessern kleiner 2,5 µm (PM2.5) bzw. kleiner 10 µm (PM10) messen. Diese Messgeräte kosten deutlich weniger als vergleichbare Geräte, die an amtlichen Luftqualitäts-Monitoring-Stationen verwendet werden, erreichen aber nicht deren Qualität. Für wissenschaftliche Untersuchungen (z. B. räumliche Inhomogenitäten, räumliche Repräsentanz bestehender Luftqualitäts-Monitoring-Stationen) als auch für den gesetzlichen Auftrag zur Überwachung der Luftqualität haben solche kostengünstigen Messgeräte dennoch enormes Potential, sofern die Datenqualität ausreichend ist.
Das Ziel der ausgeschriebenen Arbeit ist die Datenqualität der eingesetzten Messgeräte durch Vergleiche mit Referenzmessungen (Forschungsstation Melpitz, bestehende Luftqualitäts-Monitoring-Stationen) zu untersuchen. Da das Messsignal der kostengünstigen Geräte von Umgebungsbedingungen (relative Feuchte, Temperatur) abhängt, könnte ein konkretes Ziel sein, einen vertrauenswürdigen Bereich für diese Umgebungsbedingungen zu finden.
Neben dem Erlernen des Umgangs mit größeren Datensätzen, bietet die Arbeit Einblicke in das verwendete Messprinzip und das Thema Luftqualität.
Kontakt:
Dr. Roland Schrödner (TROPOS), Tel.: +49 (0)341 2717 7388, eMail: roland.schroedner[at]tropos.de
Grenzschicht-Aerosol und Eisbildung in Wolken
Ausschreibungsdatum: 03.01.2023
Biogenes Aerosol aus Böden und Vegetation führt nachweislich zur heterogenen Eisbildung in Wolken bei relativ warmen Temperaturen. Zur Identifikation solcher Prozesse kann man neben dezidierten Laborstudien aktive Fernerkundung und Radiosondenprofilierung nutzen. Hierbei separiert man gemäß Griesche et al. (2020) Wolken, die über die Grenzschicht mit dem Boden gekoppelt sind von solchen, die aufgrund einer Temperatur-Inversion ungekoppelt sind. Dabei lässt sich feststellen, bei welchen Temperaturen die Eisbildung für beide Situationen stattfindet. Ziel der Arbeit ist es, diese boden-induzierte Eisbildung auf der Basis einer mehrjährigen Zeitserie von vertikal aufgelösten Atmosphären- und Wolkenzuständen des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg (MOL) des Deutschen Wetterdienstes genauer zu untersuchen. Mithilfe von Trajektorienrechnungen soll dabei auch der Beitrag aus ferntransportiertem biogenem Aerosol separiert werden, der auch im ungekoppelten Fall "warmes Eis" produzieren kann. Bei Interesse kann ein Teil der Arbeit direkt am MOL durchgeführt werden.
Kontakt: Prof. Andreas Macke, TROPOS, macke[at]tropos.de , Dr. Patric Seifert, TROPOS; Dr. Volker Lehmann (DWD)
Langjährige Trends in Strahlungsflüssen und im Wolkenstrahlungseffekt
Ausschreibungsdatum: 06.12.2022
Das Meteorologische Observatorium Lindenberg (MOL) des Deutschen Wetterdienst besitzt eine der längsten und genauesten Zeitserie der solaren und terrestrischen Einstrahlung am Boden sowie des Vertikalprofils der bewölkten Atmosphäre. Der aus den Strahlungsdaten berechnete Wolkenstrahlungseffektes zeigt über die letzten 25 Jahre scheinbar widersprüchliche Trends im solaren und terrestrischen Spektralbereich. Ebenfalls ergaben die Strahlungstrends in der wolkenfreien Atmosphäre große Unsicherheiten. Ziel der Arbeit ist es, diese Diskrepanzen und Unsicherheiten mit Hilfe der verfügbaren detaillierten Wolkeninformationen aus aktiver und passiver bodengebundener Wolkenfernerkundung genauer zu untersuchen und ggf. aufzulösen. Bei Interesse kann ein Teil der Arbeit am MOL durchgeführt werden.
Kontakt: Prof. Andreas Macke (TROPOS) macke[at]tropos.de
Bachelorarbeiten
Analyse von Extremwerten in der UV-Strahlung auf Basis von Beobachtungen in Melpitz
Ausschreibungsdatum 10.01.2023
Die solare UV-Strahlung ist der energiereichste Teil im Spektrum der Sonnenstrahlung und hat einen starken Einfluss auf den Menschen und die Umwelt. Die am Boden einfallende UV-Strahlung wird in Deutschland seit einigen Jahren in einem Messnetz erfasst, zu dem TROPOS durch Messungen an seiner Forschungsstation Melpitz beiträgt. Das Ziel der Arbeit ist es, die zeitlich hochaufgelösten Messungen zu analysieren und statistische Kenngrößen zur Beschreibung der Messungen abzuleiten. Ein möglicher Schwerpunkt der Arbeit kann die Untersuchung von Extremwerten in der Strahlung in Situationen mit durchbrochener Bewölkung sein. Es sollen Kenngrößen identifiziert und genutzt werden, um vergleichbare Situationen zu klassifizieren (z.B. wolkenfreie Fälle, durchbrochene Bewölkung). Die Beobachtungen sollen auch mit Prognosen des UV-Index vom DWD verglichen werden.
Kontakt:
Dr. Rico Hengst, TROPOS, E-Mail: hengst[at]tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Das Thema könnte bei Interesse entsprechend modifiziert auch als Masterthema bearbeitet werden.
Analyse der kleinskaligen Variabilität der Solarstrahlung mittels eines engmaschigen Messnetzes während einer Kampagne im Herbst 2022 in Bad Lauchstädt
Ausschreibungsdatum: 10.01.2023
Im Rahmen der Bachelor-Arbeit soll der Informationsgewinn eines engmaschigen Messnetzes für die Analyse der kleinskaligen Variabilität des solaren Strahlungsfelds gegenüber Einzelmessungen untersucht werden. Als Datenbasis dienen Beobachtungen mit einem am TROPOS entwickelten autonomen Pyranometermessnetz während einer Kampagne in Bad Lauchstädt im Herbst 2022 sowie aus weiteren Messkampagnen. Durch die zunehmende Verbreitung von Photovoltaikanlagen im städtischen Raum sind die hier entwickelten Erkenntnisse auch für Solarenergieanwendungen und die Kurzfristvorhersage der mittels Solarzellen erzeugten Leistung relevant.
Konkret können eine oder mehrere der folgenden Fragen bearbeitet werden:
- Welche Skalenabhängigkeit weist die kleinskalige Variabilität der Solarstrahlung für unterschiedliche synoptische Situationen auf?
- Wie wirkt sich die Wechselwirkung der Strahlung mit Vegetation auf die Variabilität des solaren Strahlung aus?
- Wie können solche Beobachtungen für die Kurzfristvorhersage der solaren Strahlung genutzt werden?
Kontakt: Dr. Hartwig Deneke, TROPOS, E-Mail: deneke@tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Das Thema könnte bei Interesse entsprechend modifiziert auch als Masterthema bearbeitet werden.
Ableitung des langwelligen Strahlungseffekts von Wolken aus Strahlungstransportberechnungen und Beobachtungen während MOSAIC oder aus dem DWD-Meßnetz
Ausschreibungsdatum 10.01.2023
Das Ziel dieser Arbeit besteht in der Analyse von Pyrgeometer-messungen aus der MOSAIC Expedition oder dem DWD-Stationsnetz und der Vergleich mit modellierten langwelligen Strahlungsflüssen basierend auf dem ECRAD Modell und meteorologischen Reanalyse-Feldern.
Folgende Aspekte können dabei untersucht werden:
- Könnnen wolkenfreie Situationen auf Basis der Beobachtungen zuverlässig identifiziert werden?
- Wie genau sind modellierte langwellige Strahlungsflüsse in wolkenfreien Situationen?
- Wie genau lässt sich die langwellige Strahlungswirkung von Wolken bestimmen? Welchen Einfluss haben Wolkenunterkantenhöhe und Bedeckungsgrad auf den langwelligen Strahlungseffekt?
- Wie vergleicht sich der abgeleitete langwellige Wolkenstrahlungseffekt mit der ERA5-Reanalyse
Kontakt:
Dr. Hartwig Deneke bzw. Dr. Carola Barrientos-Velasco, TROPOS, E-Mail: deneke[at]tropos.de /barrientos@tropos.de, Telefon: 0341-2717-7168
Das Thema könnte bei Interesse entsprechend modifiziert auch als Masterthema bearbeitet werden.
Abhängigkeit der Niederschlagsrate von Höhe und Temperatur der Wolkenoberkante
Ausschreibungsdatum: 17.12.2020
Die Eigenschaften von Niederschlag am Boden hängen mit der Höhe der Wolke und der Temperatur an der Wolkenoberkante zusammen. Die Temperatur wiederum entscheidet, welche Prozesse der Aerosol-Wolken-Interaktion aktiv sind (Eisnukleation, Eismultiplikation, etc…). Ziel der Arbeit ist es, Entstehungshöhe- und temperatur von Niederschlagsereignissen statistisch zu Erfassen, der in den letzten 10 Jahren mit dem Disdrometer und dem Wolkenradar des Leipzig Aerosol and Cloud Remote Observation System (LACROS) beobachtet wurden. Eine Herausforderung bei der statistischen Untersuchung ist die Tatsache, dass Häufigkeit und Niederschlagsrate der Ereignisse ungleich verteilt sind. Dadurch weist die Statistik für verschiedene Niederschlagsarten und -raten stark unterschiedliche Signifikanz auf. Gegenstand der Bachelorarbeit ist es, den Zusammenhang zwischen Höhe und Temperatur der Wolkenoberkante und der Niederschlagsrate am Boden statistisch aufzuschlüsseln und die Signifikanz der resultierenden mehrdimensionalen Histogramme analytisch abzuschätzen.
Kontakt: Johannes Bühl (TROPOS), buehl[at]tropos.de
Masterarbeiten
Representation of fog and super-cooled low stratus over the Swiss plateau in ICON forecasts
Date of announcement: 05.01.2023
The numerical simulation of fog and low stratus over the Swiss plateau is challenging to due the complex interplay between cloud microphysics, atmospheric radiation and turbulent mixing in a highly structured terrain. It has been realized that Swiss operational weather forecasts tend to dissipate fog to fast and that this can only be partially corrected by adjusting the vertical resolution and the parameterized mixing in the planetary boundary layer. In the proposed work, ICON simulations of fog and super-cooled low stratus will be analyzed and evaluated against available observations. The work is accommodated in a SPP PROM project and part of a research collaboration between TROPOS and ETH Zürich.
Contact: Dr. Fabian Senf, TROPOS, senf@tropos.de, phone: 0341 2727 7170
Sensitivity of Tropical Cyclones to Cloud Microphysics
Date of announcement: 05.01.2023
Tropical cyclones potentially intensity in future as the climate warms, however, significant uncertainties remain. In the proposed work, the development of tropical cyclones is investigated using convection-permitting simulations with the ICON model combined together with satellite observations. The choice of the cloud microphysics scheme plays an important role for the simulation of tropical cyclones because it controls the phase partitioning within the cloud bands and thus the pathways for precipitation formation. Some indications exist that more sophisticated cloud microphysical descriptions can also lead to better topical cyclone forecasts.
Contact: Dr. Fabian Senf, TROPOS, senf@tropos.de, phone: 0341 2717 7170
Chemische Analyse organischer Inhaltsstoffe (Polysaccharide) in marinen Feldproben.
Ausschreibungsdatum: 01.02.2021
Beschreibung: Aerosol- und Meerwasserproben, die auf Schiffskampagnen gesammelt wurden (unter anderem während der arktischen Jahresdrift MOSAiC), sollen auf marine Polysaccharide untersucht werden. Die Polysaccharide nehmen einen wichtigen Anteil im (marinen) Kohlenstoffzyklus ein und können in der Atmosphäre bei der Wolkenbildung eine Rolle spielen. Sie werden im Wasser gebildet und können auf die Aerosolpartikel transferiert werden.
Die chemische Analytik der Polysaccharide erfolgt mittels HPAEC-PAD, (high-performance anion exchange chromatography - pulsed amperometric detection) und einer vorgeschalteten Elektrodialyse zur Entsalzung der Proben. Ggf. erfolgt noch eine zusätzliche Analytik mittels spektrometrischer Methoden auf eine bestimmte Art von Polysacchariden.
In dieser Arbeit sollen, nach einer sorgfältigen Einarbeitung in die analytischen Methoden, die verschiedenen vorhandenen Probenarten diverser Feldkampagnen chemisch analysiert werden. Die Ergebnisse sollen anschließend in Bezug auf die Konzentration und Zusammensetzung der Polysaccharide ausgewertet, verglichen und interpretiert werden.
Kontakt:
Prof. Dr. Hartmut Herrmann (hartmut.herrmann@tropos.de, Tel.: 0341/2717 7024; Dr. Manuela van Pinxteren, manuela.vanpinxteren@tropos.de, Tel.: 0341/2717 7102)
Literatur: Zeppenfeld, S., van Pinxteren, M., Engel, A., and Herrmann, H.: A protocol for quantifying mono- and polysaccharides in seawater and related saline matrices by electro-dialysis (ED) – combined with HPAEC-PAD, Ocean Sci., 16, 817–830, https://doi.org/10.5194/os-16-817-2020, 2020.