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Bachelorarbeiten

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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).

3D Topographie und Albedo

Bei dem Vergleich von süd- und nordseitig ausgerichteten Hängen wird unmittelbar klar, dass die strahlungsbedingte Erwärmung des Bodens stark unterschiedlich ist. Lokale Unterschiede im Strahlungshaushalt beeinflussen maßgeblich Vegetation und lokale Windsysteme. Bis heute gab es allerdings nur wenige Studien, die Strahlungstransport in komplexem Terrain untersucht haben. Heutige Klima- und Wettermodelle berücksichtigen Strahlungstransport nur für ebene Oberflächen und dann sogar nur für stark vereinfachte (geglättete) Orographie. Das könnte lokal und regional zu großen Fehlern auch in der Dynamik führen.

Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist es räumlich hochaufgelöste Strahlungstransportrechnungen anzustellen, um den Einfluss komplexer Oberflächen-Geometrien auf die Strahlungs- und Energiebilanz der Oberfläche zu bestimmen. Auf lange Sicht möchten wir die Frage beantworten inwiefern die Vernachlässigung von 3D Orographie im Strahlungstransport zu Fehlern in z.B. der Wettervorhersage führt und gegebenenfalls verbesserte Routinen entwickeln.

Arbeitsschritte:

Ansprechpartner: Fabian Jakub

Haloerscheinungen

Haloerscheinungen sind häufig zu beobachten, wenn Zirren den Himmel bedecken. Sie entstehen, wenn Sonnenlicht an Eiskristallen gebrochen und reflektiert wird http://www.meteoros.de/themen/halos/. Haloerscheinungen sind nicht nur beliebte Fotomotive, sondern können auch wertvolle Information über Form und Orientierung der Eiskristalle in den Zirren liefern. Bisher ist es immer noch Gegenstand der aktuellen Forschung welche Eiskristallformen und -orientierung in Zirren dominieren. Kenntnis darüber ist nicht nur wichtig für die Satelliten-Fernerkundung der optischen Eigenschaften von Zirren, wie z.B. optische Dicke und Partikelgröße; abhängig von Eiskristallform und -orientierung können Zirren auch unterschiedlich viel solare Strahlung reflektieren und haben somit einen wichtigen Einfluss auf die Energiebilanz der Atmosphäre.

Um eine kontinuierliche Aufzeichnung von Haloerscheinungen zu ermöglichen, wurde im September 2013 eine Halo-Beobachtungskamera (HaloCam) auf der Dachplattform des MIM aufgebaut. Der mittlerweile große Datensatz an Haloerscheinungen soll Aufschluss darüber geben welche Halos lokal am häufigsten sind und wie groß der Anteil der Zirren ist, die Halos erzeugen. Der Kern dieser Bachelorarbeit besteht in der Auswertung dieses Datensatzes.

Diese Statistik kann wertvolle Information darüber liefern, welche Eiskristallformen und -orientierungen die Zirren dominieren. Außerdem wird vermutet, dass es einen Zusammenhang zwischen Haloerscheinungen und bestimmten Wettersituationen gibt. Zum Beispiel treten Halos häufig beim Aufzug einer Warmfront auf, die sich meist mit der Bildung von Zirren ankündigt.

Um den großen Datensatz an Bildern nicht manuell auswerten zu müssen, wurde bereits ein erster Algorithmus zur automatischen Erkennung von Haloerscheinungen aus den Kamerabildern entwickelt. Dieser soll im Rahmen der Arbeit getestet und eventuell weiter verbessert werden (je nach Programmierkenntnissen). Ziel der Arbeit ist es dann den Datensatz an Haloerscheinungen statistisch auszuwerten und damit folgende Fragen zu beantworten:

Ansprechpartner: Linda Forster

Lidar: Ableitung optischer Eigenschaften von Aerosolen

Inversion in Bezug auf Rückstreu- und Extinktionskoeffizienten anhand der MIM-Auswertesoftware und der SCC (Single Chain Calculus). Diskussion eines Vergleichs der beiden Verfahren für ausgewählte Beispiele.

  1. Einarbeitung in die Lidarfernerkundung und Darstellung des Meßprinzips.
  2. Diskussion der Verfahren zur Bestimmung der verwendeten optischen Eigenschaften
  3. Beschreibung des Datensatzes
  4. Anwendung; Auswerte-Programm stehen zur Verfügung (eigene, kleine Modifkationen denkbar)
  5. Interpretation (Vergleich der Verfahren und Schlussfolgerungen)

Ansprechpartner: Matthias Wiegner

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 / Matthias Wiegner

SSARA-Z: Bestimmung der optischen Dicke des Aerosols

SSARA-Z ist ein multispektrales Sonnenphotometer, mit dem man neben der direkten Strahlung auch diffuse Himmelsstrahlung aus beliebigen Richtungen messen kann. Es ist seit November 2011 auf der Umweltforschungsstation Schneefernerhaus im Einsatz.

Im Rahmen einer Bachelorarbeit sollen die Daten des SSARA-Z (kontinuierliche Messungen) vorverarbeitet werden (Qualitätskontrolle, Umformatierung) und einer Kalibration unterzogen werden. Anschließend kann so die Aerosol optische Dicke (AOD) abgeleitet werden. Der Einfluss von Fehlern in der Kalibrationskonstanten, in der Bestimmung von Gasabsorption und der Rayleighstreuung auf die abgeleitete AOD soll bestimmt werden. Die Zeitreihe der AOD soll interpretiert werden.

Programme für die einzelnen Auswerteschritte sind vorhanden; Modifikationen könnten aber nützlich sein.

Responsible: Matthias Wiegner

Abgehobene Aerosolschichten: Vergleich Ceilometermessung - Transportmodellierung

Aerosolpartikel können über tausende von Kilometern transportiert werden, zum Beispiel findet man „oft“ Saharastaubwolken über München. Die Ausbreitung dieser Schichten wird mit Transportmodellen vorhergesagt, unter anderem die Höhe und die vertikale Erstreckung dieser Schichten sowie die Verweildauer über München.

Diese Angaben können mit Hilfe von Ceilometermessungen überprüft werden, solche Messungen stehen am MIM seit Juni 2009 kontinuierlich zur Verfügung. Im Rahmen der Bachelorarbeit soll (aufbauend auf einer früheren Arbeit) die Güte der Modellvorhersagen überprüft und diskutiert werden.

Responsible: Matthias Wiegner

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

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 in ein Auto oder auf ein 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. Messungen im Englischen Garten durchgeführt werden und Untersuchung des Einflusses von biogenen Emissionen in Verbindung mit NO2-Konzentrationen auf die Ozonproduktion untersucht werden.

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

Bestimmung der Sichtweite aus Bildsequenzen

Im Rahmen dieser Bachelorarbeit sollen Bildsequenzen in Hinblick auf Sichtweiten ausgewertet werden. Dabei sollen verschiedene Objekte in verschiedenen Entfernungen, wie z.B. Hochhäuser oder Kirchtürme untersucht und optische Parameter bestimmt werden, die von den Sichtverhältnissen abhängen. Mögliche Parameter wären z.B. die lokale Variabilität (Siehe Abb. auf der rechten Seite) oder die Differenz der Intensitäten eines Gebäudes und des angrenzenden Himmels (siehe rechts), welche dann mit gleichzeitigen Messungen der Aerosol Optischen Dicke verglichen werden können (siehe rechte Spallte für ein Beispiel einer ausgewerteten Bildserie im Vergleich mit Aeronet- und DOAS-Daten). Sollte die Methode erfolgreich sein, kann sie auch auf andere Webcams angewendet werden.

Die einzelnen Arbeitsschritte sind wie folgt:

  1. Automatische Ausrichtung der einzelnen Bilder der Bildsequenzen falls die Kamera bewegt wurde
  2. Bestimmung geeigneter Objekte im Sichtbereich der Kamera
  3. Berechnung von Kontrastverhältnisse zwischen den Objekten und des Himmels
  4. Bestimmung von Strukturparametern, z.B. lokale Variabilität
  5. Experimentieren mit weiteren optischen Parametern und digitalen Bildverarbeitungsoparatoren
  6. Untersuchung der Abhängigkeit der berechneten Parameter von Aerosolparametern, die gleichzeitig gemessen wurden

Ansprechpartner: Mark Wenig und Matthias Wiegner

Anwendung einer neuen Gridding-Methode auf OMI NO2 Satellitendaten

Die Gruppe von Prof. Wenig hat vor Kurzem eine neue Gridding-Methode zur Erzeugung von realistischeren Satellitenkarten entwickelt. Klassische Gridding-Methoden bilden die Messdaten von Satelliteninstrumenten als sogenannte Kacheln ab, d.h. jeder Messwert wird als konstanter Wert innerhalb des Bodenpixels des Sichtbereichs des Satelliten in eine Karte eingezeichnet. Die neu entwickelte Methode versucht die zwangsläufig entstehenden unrealistischen Kanten und Sprüngen der gängigen Gridding-Methode zu vermeiden und kontinuierliche Verteilungen der gemessenen Größe zu erzeugen, und gleichzeitig die über die Bodenpixel gemittelten Messwerte korrekt zu reproduzieren. Dies geschieht üblicherweise auf einem Gitter mit einer räumlichen Auflösung, die höher als die des Satelliten ist, so dass sich Details, z.B. in Ballungszentren mit lokal variierendem Verkehrsaufkommen, besser abbilden lassen. Inhalt dieser Bachelorarbeit ist es, diese Methode auf Daten des Ozone Monitoring Instruments (OMI), welches sich an Bord des NASA Aura Satelliten befindet, anzuwenden. Es sollen hochaufgelöste Karten für verschiedene Teile der Erde erstellt werden und nach räumlichen Features gesucht werden, die sich mit der klassischen Gridding-Methode nicht beobachten lassen. Desweiteren sollen diese Konzentrationskarten nach Wochentagen sortiert und jeweils für einen längeren Zeitraum gemittelt zu erzeugen, um so wochenzyklische Schwankungen sichtbar zu machen. In Europa ist z.B. eine Verringerung der Konzentrationen an Sonntagen zu beobachten, in anderen Teilen der Erde zum Teil an anderen Wochentagen, z.B. in Israel an Samstagen, in islamischen Städten an Freitagen. Dieser Effekt kann z.B. durch Differenzbildung dieser erzeugten Karten sichtbar gemachen und räumlich zu analysieren werden.

Die einzelnen Arbeitsschritte sind wie folgt:

  1. Einarbeitung in die Messmethode des OMI Instruments und der neuen Gridding-Methode
  2. Anwendung der Gridding-Methode auf OMI NO2 Daten
  3. Experimentieren mit den Einstellungen der Gridding-Methode, z.B. räumliche Auflösung, zeitliche Mittelung
  4. Visualisierung und Analyse der Wochenzyklen von NO2

Ansprechpartner: Mark Wenig

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 und Matthias Wiegner

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

Verteilung von Hagelzugbahnen in Deutschland und Europa aus Radardaten

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.

Ansprechpartner: Tobias Zinner, Martin Hagen

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September 2015