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Bachelorarbeiten

Externe Arbeiten

Form

Themen für Bachelorarbeiten am MIM / DLR

Die meisten Themen sind als Master- oder Bachelorarbeit durchführbar. Abhängig von der verfügbaren Zeit (und der Motivation des Studenten) kann man die Datenmenge, die wissenschaftlichen Tiefe, die Zahl der Parameter etc. wählen. Der Umfang muss bei Interresse dann letztendlich individuell diskutiert werden, und ergibt sich z.T. vielleicht auch erst im Laufe der BA (wenn die Zeit knapp werden sollte).

Cloud modelling: Collisional Breakup in Lagrangian Cloud Models

To initiate precipitation in warm clouds, droplets need to grow large enough by diffusion, enabling them sediment and collide and coalesce with smaller droplets. Creating these so-called precipitation embryos is a well-known bottleneck in cloud microphysics. However, once a small number of very large drops are created by collision and coalescence, they might break up into several smaller ones. If these newly created droplets are large enough to collide and coalesce with other droplets, they may start a positive feedback that dissipates a cloud quickly by precipitation.

In this thesis, we want to implement a representation of collisional breakup in a Lagrangian microphysical model and evaluate its effects on the development of a cumulus cloud. This thesis can be split up into a numerical part, in which the implementation of collisional breakup will be developed and evaluated, as well as a part that will investigate the role of collisional breakup in clouds. Accordingly, this thesis is of interest to students interested in clouds, microphysics, and numerical modeling.

Responsible: Fabian Hoffmann

Cloud modelling: Stratocumulus Liquid Water Steady States

Stratocumulus clouds play an essential role in the global radiation budget. Due to their high albedo, stratocumulus reflect large amounts of incident shortwave radiation back to space. This ability is predominantly determined by the stratocumulus liquid water path, the vertically integrated liquid water content.

While it is accepted that the stratocumulus liquid water path is a result of longwave radiative cooling and entrainment warming/drying, it is disputed whether this liquid water path is in a steady state, i.e., is constant in time. Based on a theoretical mixed-layer approach, we were able to determine analytical solutions for the steady-state liquid water path and the entrainment velocity in stratocumulus (Hoffmann et al. 2020). These analytical solutions have been compared successfully to a wide range of (idealized) large-eddy simulations.

In this thesis, we want to go a step further and compare the solutions to reanalysis data of the ECMWF or satellite measurements, covering a much wider range of realistic stratocumulus clouds, including their transition to cumulus convection. This thesis is of interest to students interested in clouds, climate, and dynamical systems theory.

Responsible: Fabian Hoffmann

Strahlung: Wasserdampf-Strahlungs-Feedback im thermischen Spektralbereich

Wasserdampf ist das wichtigste Treibhausgas welches über den natürlichen Treibhauseffekt Leben auf der Erde ermöglicht. Wasserdampf hat aber weitere wesentliche Eigenschaften in der Atmosphäre. Der größte Anteil an Wasserdampf befindet sich in den unteren Schichten der Atmosphäre, der Troposphäre. Wasserdampf weist innerhalb der Troposphäre nicht nur vertikale sondern auch horizontale Variabilität auf und akkumuliert in der Umgebung von Wolken. Der Wasserdampfgradient um Wolken kann starke Abkühlungsraten verursachen (Abbildung unten). Aktuell wird dieses Thema in der wissenschaftlichen Gemeinschaft stark diskutiert. Eine der offenen Fragen ist beispielsweise, ob die oben erwähnte Abkühlung durch den Wasserdampf die Bildung von konvektiven Systemen/Gewittern in sogenannten “Strahlungs-Gleichgewichts-Simulationen” beeinflussen kann. Die Stärke dieser durch Wasserdampf verursachten Abkühlung in der Umgebung von Wolken ist nicht im Detail bekannt. Außer der stärkeren Abkühlung in der Umgebung, kann der Wasserdampf die Ausstrahlung der Wolken teilweise abschirmen und damit die Abkühlung verringern.

Ziel dieser Arbeit ist es die Höhe der wasserdampfbedingten Abkühlen mit 1D und 3D Strahlungstransportsimulationen und die mögliche Reduktion der Wolkenabkühlung zu bestimmen.

Arbeitsschritte:

Die Abbildung zeigt einen horizontalen Querschnitt durch ein Wasserdampf- und Abkühlungsratenfeld in einer bestimmten Höhe. Die Abkühlungsraten wurden mit 1D Strahlungstransport berechnet. Die schwarzen Konturen zeigen Wolken.

Ansprechpartner: Bernhard Mayer

Sonnenphotometer SSARA-P: Sensitivitätsstudie zur Polarisationsgrad in Abhängigkeit vom Aerosol

SSARA-P ist ein multispektrales Sonnenphotometer, mit dem man neben der direkten Strahlung auch diffuse Himmelsstrahlung aus beliebigen Richtungen messen kann. Nach einem Umbau ist es auch möglich, den Polarisationsgrad der gestreuten Strahlung zu bestimmen. Erstmals eingesetzt wird das Gerät im Rahmen von SALTRACE im Sommer 2013 auf Barbados.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit soll systematisch der Depolarisationsgrad in Abhängigkeit der Aerosolbelastung berechnet werden. Und zwar für verschiedenen Messrichtungen und verschiedene Wellenlängen. Das Potenzial bestimmter Messkombinationen (Winkel/Wellenlänge), Aerosolinformationen ableiten zu können, soll in Form einer Sensitivitätsstudie untersucht werden.

Responsible: Claudia Emde

Detection of biosignatures on exoplanets

The aim of this project is to investigate the detectability of biosignatures on exoplanets given the instrumentation currently available at VLT (Very Large Telescope) and in the near future at ELT (Extremely Large Telescope). Direct observations of Earth-like exoplanets in the solar neighbourhood will be most probably be gathered in the near future using e.g. the instruments HARPS and CRIRES.

Using the Monte Carlo radiative transfer model MYSTIC, which is developed at MIM, spectra in the near-infrared spectral region shall be simulated for planetary atmospheres with various different atmospheric compositions to answer the question, whether e.g. water vapor, oxygen, methane and ozone could be detected.

The project will be carried out in close collaboration with the European Southern Observatory (ESO) located in Garching.

Responsible: Claudia Emde

Ableitung der Ceilometer-Rücksstreuung aus Chemie-Transport-Modellsimulationen

„Ceilometer“ wurden entwickelt um die Höhe der Wolkenuntergrenze zu bestimmen. Ein Ceilometer schickt einen Laserimpuls senkrecht nach oben in die Atmosphäre und berechnet anhand des zurückgestreuten Signals die Wolkenuntergrenze. Mittlerweile kann man aus Ceilometermessungen auch ein komplettes Vertikalprofil des Rückstreukoeffizienten ableiten. Chemie-Transport-Modelle (z. B. WRF-Chem, COSMO-ART) sind erweiterte Wettervorhersagemodelle, die zusätzlich die Ausbreitung von Spurengasen und Staub berechnen. Am MIM läuft seit November 2014 eine operationelle Vorhersage mit solch einem Modell. Die Prognosen dieses Modells (Vertikalverteilung der Massen- und Anzahlkonzentrationen von Staub und Wolkenwasser) liefern alles was benötigt wird um das Signal zu berechnen das ein Ceilometer zum gleichen Zeitpunkt liefern würde. In dieser Bachelorarbeit genau dies gemacht werden, und dann die Modellresultate mit den Ceilometer-Messungen am MIM verglichen werden. Ziel ist es auf der einen Seite die Modellprognosen gegen Ceilometermessungen zu validieren, und auf der anderen Seite mithilfe der Modellresultate (in denen bekannt ist, welche Partikel / Wolken für das Signal verantwortlich sind) Erklärungen für eine Ceilometerbeobachtungen zu liefern.

Ansprechpartner: Christoph Knote

Spurengase: Bildgebendes DOAS

Diese Arbeit beschäftigt sich mit einer bildgebenden Variante der Differentiellen Optischen Absorptionsspektroskopie (DOAS), um horizontale und vertikale Verteilungen von Stickoxidkonzentrationen in Großstädten zu bestimmen. Diese Messmethode verwendet die differentiellen Absorptionsstrukturen verschiedener Spurengase, wie z.B. Ozon oder NO2, um deren Konzentrationen durch spektrale Aufnahmen zu bestimmen. DOAS kann in verschiedenen Setups eingesetzt werden, einmal als aktive Messmethode, wenn eine künstliche Lichtquelle verwendet wird, oder passiv, wenn das Sonnenlicht, das in der Atmosphäre gestreute und teilweise absorbiert wurde, verwendet wird. Dabei kann das Teleskop des Instruments in verschiedene Richtungen zeigen, und wenn das Instrument einen Sichtbereich in zwei Dimensionen abscannt, kann ein Bild sogenannter schräger Säulendichten erzeugt werden (imaging DOAS genannt). Diese Säulendichten repräsentieren entlang aller möglicher Lichtwege integrierte Konzentrationen. Diese Messungen wurden bereits für die Hongkong Skyline durchgeführt und die Messdaten müssen ausgewertet und dargestellt werden. Das Messscript sollte bezüglich der räumlichen und zeitlichen Auflösung variiert werden, um weitere Messungen durchführen zu können. Das scannende DOAS Instrument ist mit einer Webcam ausgestattet, und die Bilder dieser Kamera sollen im Rahmen dieser Arbeit ausgewertet werden, um die Blickrichtung des Teleskops zu überprüfen um so ein konsistentes NO2 Bild zu erstellen.

Die einzelnen Arbeitsschritte sind wie folgt:

  1. Einarbeitung in DOAS
  2. Auswertung der DOAS Messungen mittels Standard-DOAS-Software
  3. Erweiterung der Messscripte
  4. Analyse der parallel aufgenommen Bilder um die Blickrichtung zu bestimmen
  5. Verknüpfung der DOAS Messergebnisse mit den berechneten Blickrichtungen zu einem konsistenten NO2-Bild

Ansprechpartner: Mark Wenig

Spurengase: Cavity Enhanced DOAS Messungen

Diese Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Durchführung und Auswertung von cavity-enhanced Differentiellen Optischen Absorptionsspektroskopie (CE-DOAS) Messungen. CE-DOAS ist eine DOAS-Variante bei der der Lichtweg, der dazu benutzt wird, die Absorption des zu messenden Spurengases zu messen, in einem Hohlraumresonator zusammengefaltet wird und somit Punktmessungen erlauben. Aufgrund der hohen zeitlichen Auflösung von wenigen Sekunden, die diese Messmethode erlaubt, ist dieses Instrument besonders gut für mobile Messungen geeignet, es passt bequem auf einen Fahrradanhänger. Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollen mobile Messungen in München durchgeführt werden um die räumliche Verteilung der NO2 Konzentrationen zu bestimmen. Dabei könnten z.B. auch untersucht werden, wie sich die Konzentrationen mit der Höhe verändern. Dabei sollen verschiedene Einsaughöhen getestet werden, um z.B. erwachsene Fahrer und Kinder zu unterscheiden und somit herauszufinden, ob Kinder höheren Stickoxidbelastungen ausgesetzt sind, als Erwachsene.

Die einzelnen Arbeitsschritte sind wie folgt:

  1. Einarbeitung in DOAS
  2. Auswertung der gemessenen Spektren mittels Standard-DOAS-Software
  3. Erzeugung von NO2 Konzentrationskarten und Höhenprofilen
  4. Analyse der Messdaten und Vergleich mit anderen Messungen

Ansprechpartner: Mark Wenig

Luftchemie: Wie beeinflusst Ozon in der Troposphäre die Photolyseraten und damit die Luftqualität?

Photolyse, die Aufspaltung von Molekülen durch solare Strahlung, ist der Hauptantrieb für chemischen Prozesse in der Atmosphäre und beeinflusst direkt die Konzentrationen von Luftschadstoffen wie Ozon oder Stickstoffdioxid (NO2). Allerdings absorbieren diese Spurengase auch solare Strahlung, und dämpfen dadurch die Menge an Strahlung die in tieferen Schichten der Atmosphäre für Photolyse zur Verfügung steht, was wiederum die Luftschadstoffkonzentrationen selbst beeinflusst. Chemie-Transport-Modelle wie WRF-Chem oder COSMO-ART werden verwendet um die Ausbreitung von Spurengasen und Partikeln auf der Basis eines numerischen Wettervorhersagemodells zu berechnen und daraus z.B. Luftqualitätsprognosen oder auch effiziente Mitigationsstrategien abzuleiten. Solche Modelle beinhalten Module zur Berechnung von Photolyseraten, berücksichtigen aber bis jetzt nicht den Einfluss troposphärischer Spurengaskonzentrationen. In dieser Bachelorarbeit würden Sie zuerst den Einfluss troposphärischen Ozons auf die Photolyseraten mit einem simplen Boxmodell abschätzen, und dann das regionale Chemie-Transport-Modell WRF-Chem um diesen Effekt erweitern. Mittels Simulationen auf kontinentaler Skala berechnen Sie den Einfluss diese Prozesses unter realistischen Bedingungen.

Ansprechpartner: Christoph Knote

Niederschlagsradar: Verteilung von Hagelzugbahnen in Deutschland und Europa

Die Verteilung (Häufigkeit und Größe) von Zugbahnen von Gewittern, Starkregen, und Hagel in Europa ist für die Allgemeinheit von großem Interesse. Bei diesem Thema sollen Zugbahn-Verteilungen aus Radardaten abgeleitet werden. Auf Basis von vorhandenen Daten für mehrere Jahre sollen vorhandene Tracking oder Clustering Methoden und Ideen angewandt werden, um Regionen besonders starker Radarechos sinnvoll einem Ereignis (einer Zugbahn) zuzuordnen.

Nach Vorarbeiten aus einer vorangegangenen Bachelorarbeit sollen ältere Radardaten einbezogen werden, die Analyse bzgl Wettersituation verfeinert und evtl Europaweite Daten ausgewertet werden.

Ansprechpartner: Tobias Zinner, Martin Hagen

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Januar 2018