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Dec 19, 2016 12:46:50 PM (8 years ago)

Author:

maronga

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theses

@@ -4 +4 @@
 = Ideas for BA/MA theses =
 
-== Untersuchung zum Einfluss der Verwendung von Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie als Randbedingung in LES Modellen ==
-
-'''Description:''' 
-Alle meteorologischen Modelle verwenden MOST als Randbedingung, bei Vorgabe von Oberflächentemperatur und -feucht die turbulenten bodennahen Wärmeflüsse zu bestimmen; sowie zur Bestimmung des bodennahen Impulsflusses aus dem Windprofil sowie der vorgegebenen Rauigkeitslänge. Die dabei verwendeten Ähnlichkeitsfunktionen von Panofsky & Dutton, die in PALM verwendet werden sind dabei relativ alt. Zudem haben vergangene LES Studien gezeigt (Maronga, 2014; Maronga & Reuder, 2017), dass diese Ähnlichkeitsfunktionen nicht mit den aus LES Daten direkt abgeleiteten Funktionen übereinstimmen. Zudem ist nicht abschließend geklärt, in wie weit die exakte Formulierung der Ähnlichkeitsfunktionen Einfluss auf die Modellergebnisse hat. Für rein konvektive Grenzschichten fanden Maronga & Reuder (2017), dass alle herkömmlichen Ähnlichkeitsfunktionen deutliche schwächen aufzeigen und eigentlich nicht verwendet werden sollten.
+== Elaborated ideas ==
+
+=== Untersuchung zum Einfluss der Verwendung von Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie als Randbedingung in LES Modellen ===
+
+'''Author:''' Maronga
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+'''Description:''' 
+Alle meteorologischen Modelle verwenden MOST als Randbedingung, bei Vorgabe von Oberflächentemperatur und -feuchte die turbulenten bodennahen Wärmeflüsse zu bestimmen; sowie zur Bestimmung des bodennahen Impulsflusses aus dem Windprofil sowie der vorgegebenen Rauigkeitslänge. Die dabei verwendeten Ähnlichkeitsfunktionen von Panofsky & Dutton, die in PALM verwendet werden sind dabei relativ alt. Zudem haben vergangene LES Studien gezeigt (Maronga, 2014; Maronga & Reuder, 2017), dass diese Ähnlichkeitsfunktionen nicht mit den aus LES Daten direkt abgeleiteten Funktionen übereinstimmen. Zudem ist nicht abschließend geklärt, in wie weit die exakte Formulierung der Ähnlichkeitsfunktionen Einfluss auf die Modellergebnisse hat. Für rein konvektive Grenzschichten fanden Maronga & Reuder (2017), dass alle herkömmlichen Ähnlichkeitsfunktionen deutliche schwächen aufzeigen und eigentlich nicht verwendet werden sollten.
 
 '''Notes:''' 
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+=== Kopplung des Wassermodells FLake and PALM und Evaluierung des Modellsystems ===
+
+'''Author:''' Maronga
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+'''Description:''' 
+Das existierende Seen-/Gewässermodell FLake soll an PALM gekoppelt werden um die Randbedingungen für Wasseroberflächen besser repräsentieren zu können. Bisher verfügt PALM nur über die einfachste Parametrisierung mit festgehaltener Wassertemperatur während des Modelllaufs. Es ist jedoch bekannt, dass die Oberflächenwassertemperatur während eines Tagesgangs stark variieren kann und damit einen nennenswerten Einfluss auf Die bodennahen turbulenten Flüsse von Temperatur und Feuchte haben kann. 
+
+In der Arbeit soll das gekoppelte Modellsystm für verschiedene Konfigurationen getestet und mit geeigneten Messdaten evaluiert werden. Es gibt bisher kein LES-Modell, welches die Komplexität von Seen und damit die Wechselwirkung mit der Atmosphäre berücksichtigt (stimmt das?).
+
+'''Notes:'''
+* Könnte im Rahmen von MOSAIK-2 gemacht werden
+
+'''Literature:'''
+* FLake papers of D. Mironov
+
+'''Possible candidates:'''
+-
+----
+
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+=== Implementierung einer Parametrisierung für Gefrierprozesse in Eisrinnen ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+Es soll eine einfache Parametrisierung für die Gefrierprozesse in Eisrinnen in PALM implementiert werden um die Wechselwirkungen zwischen Atmosphäre und Eisrinnen zu untersuchen. Details fehlen!
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+'''Notes:'''
+* Könnte im Rahmen von MOSAIK-2 gemacht werden
+
+'''Literature:'''
+* Alam & Curry (1998) – 1D Modell (horizontal)
+* Abba et al. (2006) – Zweiphasenmodell / LES
+
+
+'''Possible candidates:'''
+-
+----
+
+
+=== Turbulenzauflösende Simulation von Nebelteufeln ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+Nebelteufel (eng.:  fog devils / steam devils) sind kleinräumige Wirbel (ähnlich der Staubteufel) und können sich unter bestimmten Bedingungen sowohl über Seen, Ozeanen oder über Landoberflächen formen. Sie entstehen typischerweise während Kaltluftausbrüchen über großen Seen und Ozeanen, während das überströmte Wasser relativ warm ist. Es wurden jedoch auch Nebelteufel über Landoberflächen beobachtet. Die Vorraussetzung für Nebelteufel ist auf jeden Fall das Vorhandensein einer feuchten Luftschicht und Konvektion. Man geht davon aus, dass Nebelteufel einen wichtigen Beitrag zum Vertikaltransport von Feuchtigkeit leisten. Bislang gibt es keine Studie, die sich mit der Simulation von Nebelteufeln befasst. Die Entstehungsmechanismen sind daher noch nicht bekannt.
+
+In dieser Studie soll untersucht werden, wie Nebelteufel entstehen und welche Auswirkung sie auf den Vertikaltransport der Feuchte haben. Dazu folgende Arbeitshypothesen:
+
+1. Der Entstehungsmechanismus gleicht dem von Staubteufeln. Sie treten daher nur bei Schwachwindsituationen auf
+2. Es gibt zwei Entstehungstypen:
+1. Typ 1: Entstehung über einer relativ warmen Wasseroberfläche (z.B. bei Kaltluftausbruch). Es ist bekannt, dass die Wirbelstrukturen häufig in der konvektiven Grenzschicht auftreten. In diesem Fall bildet sich die Nebelstruktur entweder durch Verdunstung von Wasser an der Oberfläche und anschließende vertikale Durchmischung (Mischungsnebel), oder, bei vorhandener Bodennebelschicht, durch den Einsaugeffekt des Wirbels.
+2. Typ 2: Nebelteufel bilden sich unter einer abgehobenen Nebeldecke in den Morgenstunden, wenn die Konvektion unterhalb der Nebeldecke bereits eingesetzt hat. Der Einsaugeffekt des Wirbels am Oberrand bewirkt die Sichtbarmachung des Wirbels.
+3. Einfluss von Heterogenitäten: in einem zweigeteilten Gebiet hat sich in dem einen Teil eine Nebeldecke bereits aufgelöst und die Sonneneinstrahlung löst Konvektion aus, während in dem anderen Teil noch eine abgehobene Nebeldecke vorhanden ist (z.B. durch Abschattungseffekte). Über dem wolkenfreien Gebiet bilden sich die Wirbel aus und ziehen durch einen Konvergenzeffekt (warm-kalt) unter die Nebeldecke --> Einsaugeffekt)
+4. Nebelteufel können auch bei Kaltluftausbrüchen mit signifikanter Windgeschwindigkeit entstehen. Der Entstehungsmechanismus ist ein anderer als bei Staubteufeln.
+
+'''Notes:'''
+* Starker Bezug zu laufendem DFG Projekt (Micha Gryschka)
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+'''Literature:'''
+* Zurn-Birkhimer and Sorbjan (2004)
+* Bluestein (1990)
+
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+'''Possible candidates:'''
+-
+----
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+=== Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie als Randbedingung für LES Modelle ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+In PALM wird MOST als untere Randbedingung verwendet. Dabei wird angenommen, dass MOST zwischen der Oberfläche (Höhe z0) und dem ersten Gitterpunkt gilt. Es ist jedoch bekannt, dass LES Modelle gerade an den ersten Gitterpunkten große Probleme haben, da hier die Turbulenzparametrisierung die Strömung dominiert und die Windprofile entsprechend ungenau sind. Weiterhin wird dadurch eine Gitterweitenabhängigkeit induziert. Eine Studie hat gezeigt, dass es stattdessen auch möglich ist eine feste Höhe zu verwenden, in der die Strömung bereits ausreichend aufgelöst ist. Dies wurde allerdings nur für neutrale Schichtung gezeigt.
+
+In dieser Studie soll untersucht werden, welchen Einfluss die bisherige Annahme in PALM (erster Gitterpunkt) auf die Simulation verschiedener Grenzschichten haben kann (labil, neutral, stabil, heterogen geheizt) und ob mit einer neuen Parametrisierung bessere Ergebnisse erzielt werden können (z.B. durch Wahl einer festen Höhe oder eines Gitterpunktes bei ca. 6*dz).
+
+'''Notes:'''
+* Siehe auch Idee weiter oben
+
+'''Literature:'''
+* Khanna & Brasseur
+* Brassuer & Wei
+
+
+'''Possible candidates:'''
+-
+----
+
+
+=== Implementierung einer verbesserten Wolkenphysik für PALM (Eisphase + prognostische Gleichungen für n_c ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+Das implementierte Zweimomentenschema prognostiziert derzeit lediglich den Wolkenwasser gehalt (q_c) und das Regen-Anzahltropfenkonzentration (n_r), während die Wolkentropfenanzahlkonzentration (n_c) eine feste, vorgegebene Größe und der Regenwassergehalt (q_r) eine diagnostische Größe ist. Für viele Wolkenarten, wie z.B. Nebel kann n_c jedoch zeitlich stark variieren. Es ist entsprechend notwendig, das bisherige Wolkenschema um prognostische Gleichungen für n_c und q_r zu erweitern. Weiterhin ist für die Simulation von Gewitterwolken die Berücksichtigung der Eisphase essentiell. Derzeit wurde jedoch nur eine Parametrisierung für warme Wolken implementiert.
+
+In der Studie sollen die bereits durchgeführen Simulationen für bewölkte Grenzschichten (d.h. BOMEX, RICO, Cabauw-Nebel, Cumulunombus) mit der verbesserten Wolkenphysik wiederholt werden um Defizite bei der bisherigen Parametrisierung zu identifizieren.
+
+'''Notes:'''
+* Wird im Rahmen von DFG-INCITEFOG behandelt
+
+'''Literature:'''
+
+'''Possible candidates:'''
+* Johannes Schwenkel
+----
+
+
+
+=== Untersuchungen zur Performance und Skalierbarkeit von LES Modellen zur Simulation der atmosphärischen Grenzschicht auf Hochleistungsrechnern ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+In dieser Studie soll Eigenschaften von etablierten LES Modellen hinsichtlich Geschwindigkeit und Parallelisierung untersucht werden. Dazu sollen zunächst Modell wie PALM, WRF-LES, DALES, UCLALES, Meso-NH, NCAR-LES, MetOffice UM und EULAG auf dem HLRN-III installiert werden. Es sollen geeignete Szenarien definiert werden, die mit allen Modellen möglich identisch realisiert werden können. Die Untersuchung umfasst zunächst den qualitativen Vergleich der Modellergebnisse zur Plausibilitätsprüfung. Anschliessend soll eine detaillierte Analyse der Modelllaufzeiten für verschiedene Prozessoranzahlen untersucht werden um Aussagen über den Optimierungszustand und den Parallelisierungsgrad treffen zu können.
+
+'''Notes:'''
+
+
+'''Literature:'''
+
+
+'''Possible candidates:'''
+-
+----
+
+
+
+=== How fine is fine enough? Analysis of the required grid spacing for large-eddy simulation studies ===
+
+'''Author:''' Maronga
+
+'''Description:''' 
+Die Gitterweite ist eine elementarer Parameter für Large-eddy Simulationen. Sie muss so gewählt werden, dass die dominierenden Wirbel der Strömung richtig aufgelöst werden. Die Größe dieser Wirbel hängt jedoch stark von der zu simulierenden Strömung ab. In der konvektiven Grenzschicht sind die größten Wirbel in der Größenordnung der Grenzschichthöhe, so dass Gitterweiten (je nach zu untersuchendem Phänomen) von 100 m ausreichen können. Um kleinräumige (bodennahe) Phänomen aufzulösen (z.B. Staubteufel) sind jedoch deutlich geringere Gitterweiten notwendig. In der nächtlichen stabilen Grenzschicht hingegen sind die dominierende Wirbel nur wenige Meter groß, so dass kleinere Gitterweiten im Bereich von 1 m oder weniger notwendig sind. In dieser Arbeit sollen Konvergenzkriterien bestimmt werden, auf dessen Grundlage ein Verfahren zur Bestimmung der nötigen Gitterweite entwickelt wird. Dazu sollen passende Strömungsparameter (z.B. die Richardsonzahl) identifiziert und für verschiedene Szenarien gestestet werden.
+
+'''Notes:'''
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+
+'''Literature:'''
+
+
+'''Possible candidates:'''
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+== General ideas ==
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+== How fine is fine enough? Analysis of the required grid spacing for large-eddy simulation studies ==
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+'''Author:''' Maronga
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+'''Description:''' 
+Die Gitterweite ist eine elementarer Parameter für Large-eddy Simulationen. Sie muss so gewählt werden, dass die dominierenden Wirbel der Strömung richtig aufgelöst werden. Die Größe dieser Wirbel hängt jedoch stark von der zu simulierenden Strömung ab. In der konvektiven Grenzschicht sind die größten Wirbel in der Größenordnung der Grenzschichthöhe, so dass Gitterweiten (je nach zu untersuchendem Phänomen) von 100 m ausreichen können. Um kleinräumige (bodennahe) Phänomen aufzulösen (z.B. Staubteufel) sind jedoch deutlich geringere Gitterweiten notwendig. In der nächtlichen stabilen Grenzschicht hingegen sind die dominierende Wirbel nur wenige Meter groß, so dass kleinere Gitterweiten im Bereich von 1 m oder weniger notwendig sind. In dieser Arbeit sollen Konvergenzkriterien bestimmt werden, auf dessen Grundlage ein Verfahren zur Bestimmung der nötigen Gitterweite entwickelt wird. Dazu sollen passende Strömungsparameter (z.B. die Richardsonzahl) identifiziert und für verschiedene Szenarien gestestet werden.
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+'''Notes:'''
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+'''Literature:'''
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+'''Possible candidates:'''
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