Themen für Bachelor- und Masterarbeiten

In der Arbeitsgruppe Atmosphärenmessungen und Prozessmodellierung sind Bachelor- und Masterarbeiten in der Regel an laufende Forschungsprojekte angebunden. Die untenstehenden Liste gibt einen Überblick über die aktuellen Forschungsprojekte, die Möglichkeiten für Abschlussarbeiten bieten. Mögliche Themen werden nur stichwortartig skizziert – bei Interesse an den Forschungsgebieten bitte einfach mit Felix Ament Kontakt aufnehmen. Dabei sind eigene Ideen zur Gestaltung der angebotenen Themen oder für neue Arbeiten im Bereich der Arbeitsgruppe immer willkommen.

PATTERN – Niederschlagsradare im Netzwerk

Von 2011 bis 2026 hat die Arbeitsgruppe ein Netzwerk von vier selbstentwickelten Niederschlagsradaren im Raum Itzehoe nordwestlich von Hamburg betrieben sowie betreibt heute noch ein Radar auf dem Dach des Geomatikums (wetterradar.uni-hamburg.de bzw. Projektseite) und ein neues im Alten Land. Mit dieser Datenbasis sind eine Reihe von aufschlussreichen Untersuchungen möglich:

• PATTERN-X (Master): Räumlich heterogener Niederschlag führt zu entsprechenden Bodenfeuchtemustern, die über einige Tage hinweg die Verdunstung und damit den unteren Antrieb der Atmosphäre bestimmen. Um diese Gedächtnisfunktion des Bodens experimentell zu erfassen, wurde im Frühjahr 2014 das PATTERN-Netzwerk um vier Energiebilanzstationen ergänzt. In der Arbeit sollen zunächst die Energiebilanzen an den Stationen abgeleitet und verglichen werden. Danach soll der Zusammenhang mit Niederschlagsereignissen bestimmt werden. Alternativ oder ergänzend kann der gleiche Zusammenhang in Modellstudien (Bodenmodelle JSBACH oder TERRA/COSMO) betrachtet werden.
• Zeitliche und räumliche Struktur von Niederschlag (Bachelor und Master): Kaum eine andere meteorologische Größe ist so variabel wie der Niederschlag. Bisherige Arbeiten zur Quantifizierung dieser Eigenschaften nutzen Niederschlagsmessnetze oder operationelle Wetterradare – damit können Zeitskalen von 10 Minuten und mehr und Raumskalen von 1 Kilometer und mehr aufgelöst werden. Die PATTERN-Daten erlauben nun erstmalig einen Blick auf kleinere Skalen (30 Sekunden, 100 Meter)! Wie variabel ist Niederschlag auf diesen Skalen? Wie viele Informationen verpassen die bisherigen Messsysteme?
• Scan-Strategien im Vergleich: Die Wetterdienstradare tasten alle 5 min ein einzelnes Luftvolumen ab. Die PATTERN Radare drehen hingegegen viel schneller - eine Umdrehung dauert nur rund 2,5 Sekunden. D.h. die 30 Sekunden-Werte des PATTERN Radars sind nicht instantan, sondern ein zeitliches Mittel aus etwa 12 Werten. Welche Strategie erfasst besser die Niederschlagsakkumulation? Kann man die unterschiedlichen Strategien in Niederschlagsspektren wiederfinden? Welches System zeigt geringeres Rauschen?
• Erweiterung der Sommerschauer-Statistik aus der Bachelorarbeit von Bastian Kirsch durch Messdaten des neuen Wetterdienst-Radars Boostedt. „Irgendwo regnet es immer – stimmt das?“ Version 2.0.
• Vier überlappende Radarmessungen - viermal das gleiche? (Bachelor): Im PATTERN-Projekt werden seit mehreren Jahren vier Radare mit überlappenden Messgebieten gemessen. Perfekte Radare würden im Überschneidungsbereich das Gleiche messen - reale Radar sind jedoch vor allem von Dämpfung beeinflusst. Wie groß sind die Unterschiede und wie lassen sie sich durch Dämpfung erklären?

Interesse an einer Bachelorarbeit mit Niederschlagsradaren? Bitte einfach Kontakt mit Felix Ament  oder Marco Clemens aufnehmen!

Wetterstationen– Stadtklima in Hamburg

Ein Messnetz aus zehn meteorologischen Stationen in Hamburg liefert seit 2010 Messdaten zum Wetter in der Stadt. Aufgebaut im Rahmen des Projekts „Hamburg Urban Climate Observatory“ (HUSCO), bestand es zwischenzeitlich zusätzlich aus 16 Bodenmessstationen und zwei Eddy-Kovarianz-Stationen. Die damit generierten langjährigen Messreihen liefern daher zahlreiche spannende Möglichkeiten, sich mit dem Wetter und Kurzzeit-Klima in Hamburg auseinander zu setzen (wetterstationen.uni-hamburg.de).

Variabilität der solaren Einstrahlung in Hamburg (Bachelor): Seit 2014 sind alle Messstationen mit Pyranometern ausgestattet. Diese lassen erstmals einen Einblick in die Unterschiede der solaren Einstrahlung über Hamburg zu. Die Auswertung kann auch mit Schätzungen des Bedeckungsgrads (Wolkenkamera, Ceilometer) verknüpft werden. Wie oft ist es eigentlich in ganz Hamburg gleichzeitig bedeckt? Gleichzeitig lohnt es sich, die einzelnen Messstandorte zu charakterisieren: Wieviel Schatten geben Bäume, Gebäude etc. ab  und wieviel ist auf Wolken zurückzuführen - eine Analyse mit der Fischaugenkamera lohnt!

• Licht und Schatten über Hamburg (Bachelor bis Master): Aus dem Wolkenkamerabild am Geomatikum oder Wettermast lässt sich die Wolkenverteilung über Hamburg bestimmen. Dies kann man umrechnen in eine Karte, die zeigt, wo aktuell in Hamburg die Sonne scheint und wo nicht. Dieses Verfahren soll entwickelt und erprobt werden.
• Windbremse Hamburg (Bachelor und Master): Am Wettermast hinter der Stadt Hamburg ist die Windgeschwindigkeit im Mittel um ein Viertel geringer als in Fuhlsbüttel im Luv der Stadt. Diese Bremswirkung soll genauer untersucht werden. Hierzu stehen zusätzlich Profilmessungen eine Sodars in der Nähe Itzehoe und Messungen auf der Nikolai-Kirche zur Verfügung. Damit kann der Bremseffekt auch in der Vertikalen und nicht nur im 10m-Niveau analysiert werden.
• Zur Energiebilanz gibt es eine Vielzahl von spannenden Fragen (Bachelor): Schließung der Bilanz; Wie gut lassen sich Verdunstung und sensibler Wärmestrom parameterisieren? Betrachtung des Bodenwärmestroms; … mehr im direkten Gespräch :-)

Interesse an Arbeiten zum Stadtklima in Hamburg? Bitte einfach Kontakt mit Felix Ament aufnehmen!

Der Wettermast Hamburg mit seinem Datenarchiv aus mitterweile über 25 Jahren Messbetrieb bietet viele Möglichkeiten zu Forschungsarbeiten im Bereich der urbanen Grenzschicht. Beispielsweise könnten folgende Themen bearbeitet werden:

• Das Phänomen der nächtlichen Ostwinde bei stabiler Schichtung (Bachelor):
  In Nächten mit stabiler Schichtung und niedrigen Windgeschwindigkeiten in Bodennähe kommt es am Wettermast Hamburg regelmäßig zu östlichen Windrichtungen, auch wenn der Wind in den höheren Schichtungen aus Westen kommt. In einer ersten Bachelorarbeit wurde dieses Phänomen bereits statistisch charakterisiert und mit Messungen am Mast in Verbindung gebracht. Zwei weitere Arbeiten haben sich mit der räumlichen Verbreitung des Phänomens in Hamburg sowie den meteorologischen Bedingungen während des Phänomens am Mast selbst beschäftigt. Darauf aufbauend wird es künftig sicherlich weitere interessante Fragen zu bearbeiten geben.
• Zeitreise am Wettermast: Die erste meteorologische Ausrüstung des Sendemasts mit Wind- und Temperatursensoren fand in den 1960er Jahren im Rahmen des „3-Türme-Projekts“ statt, die Ergebnisse wurden, u. a. von G. Manier, in den 1970ern umfassend dokumentiert. Seitdem hat sich vieles verändert: Die Instrumentierung, Dauer und zeitliche Auflösung der Messungen, sogar die Höhe der obersten Windmessung. In einer Bachelorarbeit sollen die Ergebnisse von damals mit modernen Methoden und neuen Daten nachvollzogen werden. Welche Unterschiede gibt es? Was wusste man damals schon? Was können wir heute mehr oder besser?
• Zeitliche Variabilität der Turbulenz, Turbulenzspektrogramme/Wavelets (Bachelor):
  Aufbauend auf der Bachelorarbeit von Jan Arndt über Turbulenzspektren des Windes am Wettermast sollen stunden- oder tageweise die Turbulenzsprektren aus den Rohdaten berechnet und dargestellt werden. Wie ändert sich das Turbulenzspektrum mit der Zeit (im Tages-, Wochen-, Jahresverlauf)? Kann man einen mittleren Tagesgang erstellen? Vergleich unterschiedlicher Höhen.
• Böen und Beschleunigungen am Wettermast (Bachelor): Schäden an Gebäuden und Strukturen werden sowohl von hohen Windgeschwindigkeiten (Böen, v), als auch von hohen Beschleunigungen (dv/dt) verursacht. Aufbauend auf mittlerweile über zehn Jahren Windaufzeichung mit einer Messrate von 20 Hz soll eine Böen- und Beschleunigungsstatistik erstellt werden.
• Stabilitätsmaße 1/L, Ri_f, Ri_g und Temperaturgradient (Bachelor): Für viele statistische Untersuchungen muss der Zustand der Grenzschicht in Stabilitätsklassen (stabil, neutral, labil, durchaus mit weiteren Abstufungen) eingeteilt werden. Die verschiedenen Maße sind sich jedoch nicht immer einig. Es soll ein Vergleich der am Wettermast verfügbaren Stabilitätsmaße erstellt werden. Welche Bedingungen sind gut, welche weniger gut berechenbar?
• Einfluss der Mastschwankungen auf die Turbulenzmessungen (Bachelorarbeit): Nach Angaben des NDR hat der Mast eine mechanische Eigenschwingungsfrequenz von 1,5 Hz. Wo finden sich diese Mastschwankungen in den Daten? Charakterisierung der Schwankungen (Richtung, Frequenz, Abhängigkeit von Messhöhe, Windrichtung, Windgeschwindigkeit, Böigkeit, …). Inwieweit haben diese Mastschwankungen Einfluss auf die Wind- und besonders Turbulenzmessungen?
• Methodik der CO₂- und Wasserdampfflussmessungen am Wettermast (Bachelor):   CO₂ und Wasserdampf einerseits und der Windvektor andererseits werden je für sich mit 20 Hz gemessen. Daraus kann man nach der Eddy-Kovarianz-Methode z. B. den vertikalen turbulenten latenten Wärmefluss und den vertikalen CO₂-Fluss bestimmen. Streng genommen finden die Messungen aber weder am selben Ort noch zur selben Zeit statt. Wie wichtig ist die Gleichzeitigkeit der Messungen beider Geräte, wieviel räumlicher Versatz ist akzeptabel? Was bedeutet das für unseren Messaufbau?
• Evaluierung von MPI-Modellen am Wettermast (Master): Teil 1 (bereits in Bearbeitung): Der Wettermast stellt detaillierte Antriebs- und Vergleichsdaten für das Landoberflächenmodell JSBACH des MPI-M zur Verfügung. Diese sollen genutzt werden, um Stärken und Schwächen von JSBACH zu identifizieren und um zu klären, welchen Einfluss die Aktualisierungsfrequenz der Antriebsdaten auf die Modellierung hat. Teil 2: Erweitert man JSBACH mit einem Single-Column-Modell der Grenzschicht (z. B. mit ICON Single Column) kann zusätzlich auch die Grenzschichtentwicklung evaluiert werden. Damit kann geklärt werden, ob das Modell den Übergang zur stabilen Schichtung realistisch wiedergeben kann.
• Windrichtungsdrehung am Wettermast (Bachelor): Eine Besonderheit der Windprofile am Wettermast Hamburg ist die Drehung des Windes mit der Höhe, die schon im unteren Teil der Grenzschicht, der Prandtl-Schicht stattfindet. Dies widerspricht der klassischen Grenzschichttheorie, in der die Windrichtungsänderung erst oberhalb, in der Ekman-Schicht, stattfindet. Ziel der Arbeit soll sein, zunächst das Vorkommen dieser Fälle von Windrichtungsscherung zu identifizieren. Tritt dies zu bestimmten Zeitpunkten oder Wetterlagen auf? Ist dieser Effekt nur in mittleren Profilen zu erkennen? Ist diese Drehung ein Stadteffekt und nur am Wettermast Hamburg zu beobachten? Wie sehen die vergleichbaren Profile am Messstandort Hungriger Wolf bei Itzehoe aus? Die Antworten hierauf sollen im nächsten Schritt verwendet werden, mögliche Erklärungen für diesen Effekt zu finden.
• Aufbau eines Evaluierungspakets (in nahezu Echtzeit) von Simulationen von mesoskaligen Modellen (COSMO-Modell des DWD, ICON usw.)  (Bachelor).
• Wolkenkamera am Wettermast I (Bachelor): Entwicklung eines Verfahrens zu Ableitung des Bedeckungsgrads und Vergleich mit Ceilometermessungen und Augenbeobachtungen.
• Wolkenkamera am Wettermast II (Bachelor): Bestimmung der Geschwindigkeit und Zugrichtung von Wolken aus Bildsequenzen der Wolkenkamera. Ein erstes Verfahren extistiert bereits, kann aber noch zur operationellen Reife weiterentwickelt werden.

Interesse an Arbeiten rund um den Wettermast? Bitte einfach Kontakt mit Felix Ament oder Ingo Lange aufnehmen!

[UC]²-3DO - Stadtklima im Wandel

Der Klimawandel sowie der stetige Zuwachs an Einwohnern in den großen Metropolregionen stellt insbesondere Großstädte wie Hamburg vor große Herausforderungen. Gesundheitliche Belastung durch Luftschadstoffe, häufiger auftretende Extreme wie Hitzewellen oder Starkniederschläge, geänderte klimatische Bedingungen oder aber auch neue Infrastrukturentwicklungen wie bspw. Drohnen sind hierbei nur einige der zu bewältigenden Aufgaben für die Zukunft. Ein besseresVerständnis der lokalen atmosphärischen Bedingungen und Besonderheiten einer Stadt ist daher elementar für die Lösung dieser Probleme. Welche Maßnahmen können getroffen werden, um den Wohnkomfort und die Durchlüftung zu verbessern? Und können die atmosphärischen Bedingungen kurzfristig prognostiziert bzw. abgeschätzt werden? Diese und viele weitere Themenbereiche werden innerhalb von [UC]² weiter erforscht.

Bei Interesse oder auch eigenen Ideen, bitte einfach Felix Ament kontaktieren!

Ziel der NARVAL-Kampagne im Winter 2013/14 war die Untersuchung von Konvektion  über dem nördlichen Nordatlantik und in der Passatregion. Dazu war das neue Forschungsflugzeug HALO mit Fernerkundungssensoren (Wolkenradar, Mikrowellenradiometer, LIDAR, …) über 130 Flugstunden im Einsatz. Mit diesem einmaligen Datenschatz können beispielsweise folgende Themen bearbeitet werden:

• Wann hat es während der NARVAL-II Kampagne geschneit, wann geregnet? Das so genannte Brightband gibt darüber Aufschluss. Ein Verfahren zur automatischen Erkennung des Brightbands in Wolkenradarmessungen soll entwickelt werden.
• Verknüpfung der Fernerkundungsmessungen mit den in-situ-Profilen, die von Drop-Sonden aufgenommen wurden.
• Welche Wolken sehen unsere Instrumente, welche nicht? Dazu sollen bodengebundenen Messungen von europäischen Supersites mit HALO-Messungen verglichen werden.

Interesse an Arbeiten rund um HALO? Bitte einfach Felix Ament kontaktieren!

Energiemeteorologie

Der zunehmende Anteil von Erneuerbaren Energien im deutschen Strommix und die damit einhergehende Abhängigkeit vom Wetter beeinflusster Energieträger wie Wind und Sonne, erfordern präzise Wettervorhersagen sowie ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse. Genaue Vorhersagen des Windes auf Nabenhöhe, Solarstrahlung, der Variabilität und vielem Weiterem werden essentiell zur Sicherung einer stabilen Stromversorgung. Die umfangreichen Wettermast Hamburg Daten, operationelle ICON Vorhersagen sowie deutschlandweit hochaufgelöste ICON-Simulationen mit bis zu 156 m bieten eine hervorragende Grundlage für die Untersuchung zahlreicher noch ungelöste Forschungsfragen.

• Parametrisierung von Windböen auf Nabenhöhe (Master):
  In der Windenergiebranche nutzbare meteorologische Vorhersagen müssen auch Informationen über Windböen auf Nabenhöhe von Windkraftanlagen liefern können. Aktuelle numerische Wettervorhersagemodelle liefern Böenvorhersagen nur in der Standardhöhe von 10 m über Grund. Der Böenfaktor hängt von der Höhe und der Stabilität der thermischen Schichtung in der atmosphärischen Grenzschicht ab. Basierend auf Messdaten soll eine Böenparametrisierung auf Nabenhöhe zur Anwendung in numerischen Wettervorhersagemodellen entwickelt werden. Die Arbeit wird in enger Zusammenarbeit mit einem großen Windenergieanlagenhersteller durchgeführt.

• Untersuchung von Windtrends in Messungen und Reanalysen (Bachelor/Master):
  Verschiedene Beobachtungsdaten von z.B. Grenzschichtmessungen zeigen einen negativen Windtrend, der in vielen Reanalysedatensätzen nicht vorhanden ist. Die Reanalysen werden jedoch zunehmend für die Standortsuche herangezogen und stellen somit die Grundlage für die Rentabilität von Windenergieanlagen sowie dem übergeordneten Ausbau der Erneuerbaren Energien dar. Verschiedene Reanalysedatensätze wie bspw. die neuen hochaufgelösten COSMO-REA2 Daten als auch weitere Messdaten sollen hierbei untersucht werden.

• Weitere Themen jederzeit möglich! Eigene Ideen?
  Im Bereich der Energiemeteorologie existieren zahlreiche ungelöste Forschungsfragen, die eine ideale Basis für interessante Bachelor- und Masterarbeitsthemen bilden. Kooperationen mit Unternehmen, dem Deutschen Wetterdienst und weiteren Instituten sind jederzeit möglich und bereits etabliert. Je nach eigenem Interesse, schauen wir gerne auch nach weiteren Themen. Gerne jederzeit ansprechen.

Interesse an Arbeiten in diesem Themenfeld? Bitte einfach Felix Ament kontaktieren!