Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung des hochauflösenden Atmosphärenmodells ASAMgpu. Dabei handelt es sich um ein sogenanntes Grobstrukturmodell bei dem gröbere Strukturen mit typischen Skalen von Deka- bis Kilometern in der atmosphärischen Grenzschicht explizit aufgelöst werden. Hochfrequentere Anteile und deren Dissipation müssen dabei entweder explizit mit einem Turbulenzmodell oder, wie im Falle des beschriebenen Modells, implizit behandelt werden. Dazu wurde der Advektionsoperator mit einem dissipativen Upwind-Verfahren dritter Ordnung diskretisiert. Das Modell beinhaltet ein Zwei-Momenten-Schema zur Beschreibung mikrophysikalischer Prozesse. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die verwendete thermodynamische Variable, die einige Vorteile herkömmlicher Ansätze vereint. Im Falle adiabatischer Prozesse stellt sie eine Erhaltungsgröße dar und die Quellen und Senken im Falle von Phasenumwandlungen sind leicht ableitbar. Außerdem können die benötigten Größen Temperatur und Druck explizit berechnet werden. Das gesamte Modell wurde in C++ implementiert und verwendet OpenGL und die OpenGL Shader Language (GLSL) um die nötigen Berechnungen auf Grafikkarten durchzuführen. Durch diesen Ansatz können genannte Simulationen, für die bisher Supercomputer nötig waren, sehr preisgünstig und energieeffizient durchgeführt werden. Neben der Modellbeschreibung werden die Ergebnisse einiger erfolgreicher Test-Simulationen, darunter drei Fälle mit mariner bewölkter Grenzschicht mit flacher Cumulusbewölkung, vorgestellt.

Die Längsbiegefestigkeit von kohlenstofffaserverstärktem Reinmagnesium konnte durch eine geeignete Nanostrukturierung der Bornitridgrenzschichten von 1140 auf 1620 MPa erhöht werden. Diese optimale Nanostrukturierung zeichnet sich dadurch aus, dass die atomaren Basisebenen des hexagonalen Bornitrids an den Grenzflächen zu den C-Faserfilamenten parallel zu deren Oberfläche verlaufen und an der Grenzfläche zur Matrix turbostratisch verknäult sind, wodurch einerseits an der inneren Grenzfläche die Haftung moderat eingestellt wird und andererseits an der äußeren Grenzfläche eine gute mechanische Verzahnung zwischen Schicht und Matrix besteht. Somit lässt diese Texturierung mikromechanische Versagensprozesse zu, wie z. B. energiedispersives Filamentdebonding und Abbau von Spannungskonzentrationen an den Rissspitzen, die eine weitgehende Nutzung der hohen Faserfestigkeit im Verbund ermöglichen.

To study especially the influence of a forest canopy on thermodynamic processes in the Atmospheric Boundary Layer (ABL) an one-dimensional model was developed for an ABL including forest as a vertically high resoluted canopy. In contrast to very expensive mesometeorological and LES (Large-Eddy Simulation)-models it is the aim of our study to construct practical simple applicable ABL-model-versions for a rather detailed non steady-state simulation of energy fluxes as well as of windvector, temperature-, humidity- and turbulence-parameter- profiles within and above a forest canopy. The obtained results show clearly that characteristic features of the meteorological fields as temperature are in a general agreement with observations (BEMA). Numerical experiments also describe the considerable influence of the closure approach used and the values for vegetation parameters on the simulation results. / Um den Einfluß eines Waldbestandes auf die thermodynamischen Prozesse in der Atmosphärischen Grenzschicht (AGS) zu untersuchen, wurde ein eindimensionales Modell für eine AGS mit einem Waldbestand als vertikal hoch aufgelöster Vegetationsschicht entwickelt. Im Gegensatz zu den sehr aufwendigen mesoskaligen und LES (Large-Eddy Simulation)-Modellen ist es Ziel dieser Untersuchung, praktisch leicht anwendbare Modellversionen der AGS für die detaillierte instationäre Simulation von Energieflüssen sowie des Windvektors, von Temperatur-, Feuchte- und Turbulenzparameterprofilen inner- und oberhalb des Waldbestandes zu konstruieren. Die erhaltenen Resultate zeigen deutlich, daß die charakteristischen Eigenschaften der meteorologischen Felder, z.B. Temperatur, in genereller Übereinstimmung mit Messungen (BEMA) sind. Die numerischen Experimente geben außerdem den bedeutenden Einfluß der verwendeten Schließungsannahme und der Werte für die Vegetationsparameter auf die Ergebnisse der Simulationen wieder.

Daily analyses of the zonal and meridional prevailing wind at the mesopause ( - 95 km height) are investigated with respect to planetary wave scale oscillations with periods ranging between 2 and 18 days. A mean climatology of the years 1983 - 1994 is presented. Time series of planetary wave activity show a significant increase during this period, which is in accordance with results from literature. / Tägliche Analysen des zonalen und meridionalen Grundwindes in der Mesopausenregion (- 95 km Höhe) werden hinsichtlich planetarer Wellenaktivität im Periodenbereich von 2 bis 18 Tagen untersucht. Es wird eine mittlere Klimatologie der Jahre 1983 - 1994 dargestellt. In diesem Zeitraum ist eine signifikante Zunahme der Wellenaktivität zu verzeichnen, die in Übereinstimmung mit Literaturangaben steht.

Results of total reflection mesopause wind measurements, carried out at the Collm Observatory of the University of Leipzig in 1994 are presented with special regard to the CRISTA period in November 1994. Height-time cross-sections of the prevailing wind and the semidiumal tidal amplitude and phase show the variation of these parameters during the course of the year. In autumn and early winter oscillations of the prevailing wind with a period of about 2 - 3 weeks are found. They are partly due to an overshooting of the parameters while the circulation adjusts to its winter conditions. A comparison of the zonal prevailing wind in 1994 with the values measured since 1982 shows a solar cycle dependence. / Ergebnisse von Windmessungen in der Mesopausenregion mit Hilfe der Reflexion von Funkwellen, die am Observatorium Collm der Universität Leipzig durchgeführt wurden, werden vorgestellt, wobei besonderes Gewicht auf die Zeit der CRISTA-Satellitenmission im November 1994 gelegt wird. Höhen-Zeit-Schnitte des Grundwindes und der Amplitude des halbtägigen Gezeitenwindes zeigen die Änderung dieser Parameter im Lauf des Jahres. Im Herbst und frühen Winter werden Oszillationen mit Perioden von 2 - 3 Wochen festgestellt. Diese sind zu Teil durch ein Überschießen bedingt, daß mit der Anpassung an die Winterbedingungen zusammenhängt. Ein Vergleich des zonalen Grundwindes 1994 mit des Werten aus anderen Jahren gibt Hinweise auf eine Abhängigkeit von der solaren Aktivität.

Aus täglichen Analysen des sommerlichen zonalen Grundwindes im Mesopausenbereich, der am Observatorium Collm der Universität Leipzig gemessen wurde, werden niederfrequente Variationen im Zeitbereich planetarer Wellen (10 - 20 Tage) bestimmt. Obwohl die direkte Ausbreitung derartiger Wellen durch die stratosphärischen und mesosphärischen Ostwinde verhindert wird, werden in manchen Jahren trotzdem Oszillationen gemessen, die mit planetaren Wellen im Zusammenhang stehen können. Dies unterstützt die Theorie, daß sich planetare Wellen von der Winterhalbkugel entlang der Zonen schwachen Windes bis in die Mesopausenregion mittlerer und polarer Breiten ausbreiten. Betrachtet man die interanuelle Variabilität dieser Wellen, fällt eine Abhängigkeit von der äquatorialen quasi 2-jährigen Schwingung (QBO) auf, wobei während der Ostphase der QBO die Wellenaktivität gering ist, während sie in der Westphase der QBO stärker sein kann. Der Einfluß der QBO auf die sommerliche Wellenaktivität wird vom 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus moduliert, wobei während des solaren Maximums stärkere Aktivität zu verzeichnen ist. / From daily estimates of the summer mesopause region zonal prevailing wind measured at the Collm Observatory of the University of Leipzig long-term variations in the period range of planetary waves (10-20 days) are detected. Although the direct propagation of these waves from lower layers into the mesosphere is not possible because of the wave filtering in the summer stratospheric and mesospheric easterlies, in some years oscillations are found that can be connected with planetary waves, supporting the theory of the propagation of these waves from the equatorial region to the midlatitude and polar upper mesosphere along the zero wind line. The interannual variability of these waves shows a dependence on the equatorial quasi-biennial oscillation (QBO), so that in general during the east phase of the QBO the planetary wave activity is small, while during the QBO west phase it can be larger. The influence of the QBO on the planetary wave activity is modulated by the I I-year solar cycle, so that the strongest signal is found during solar maximum.

Neben der Abnahme des Schalldruckes bzw. der Schallintensität mit zunehmender Entfernung von einer Schallquelle (Kugelwellendivergenz) spielt bei der Schallausbreitung in der atmosphärischen Grenzschicht der Einfluss der höhenveränderlichen meteorologischen Größen, speziell der Temperatur und des Windvektors, auf die Geschwindigkeit und Richtung der Schallwellen eine entscheidende Rolle. Da in den bisherigen Richtlinien zur Erstellung von Lärmkatastern (über einen bestimmten Zeitraum gemittelte Schalldruckpegelverteilung in einem Gebiet) oder zur Messung der Schallimmission in der Umgebung von Schallquellen aktuelle meteorologische Informationen nicht einfließen, wird in dieser Studie untersucht, inwieweit ein entsprechend erweitertes Konzept bzw. Modell zu modifizierten Ergebnissen führt. Die Untersuchungen münden in ein Verfahren, das die Schallausbreitungsbedingungen an einem Ort für einen einzelnen Zeitpunkt bzw. während eines bestimmten Zeitraumes entsprechend der aktuellen thermischen Atmosphärenschichtung und den Vertikalprofilen von Windgeschwindigkeit und –richtung bestimmt. Die dafür benötigten Eingangsinformationen können durch Atmosphärenmodelle jederzeit und für beliebige Gitterpunkte bereitgestellt werden. / Except for the decrease of the acoustic pressure and the acoustic intensity with increasing distance between sound source and receiver (spherical divergence) the sound propagation and thereby the velocity and direction of sound waves inside the atmospheric boundary layer will be mainly influenced by the height-variable meteorological quantities, especially temperature and wind vector. Because actual meteorological information are ignored by the existing rules to create a noise register (averaged sound-pressure level distribution during a definite time interval and over a fixed region) or for the measurement of noise in the environment of sound sources, it will be investigated in this study whether an extended concept and model for the sound propagation will lead to modified results or not. The investigations lead to a technique which quantify the local conditions of sound propagation for one time or for a definite period corresponding to the vertical profiles of the air temperature as well as of wind speed and wind direction. The needed input data can be provided anytime and for any grid point by an atmospheric model.

Turbulente Austauschprozesse in der atmosphärischen Grenzschicht spielen eine Schlüsselrolle beim vertikalen Impuls-, Energie- und Stofftransport in der Erdatmosphäre. In meso- und globalskaligen Atmosphärenmodellen sind turbulente Austauschprozesse jedoch subskalig und müssen unter Verwendung geeigneter Schliessungsansätze parametrisiert werden. Hierbei spielt die Spezifikation der charakteristischen Turbulenzlängenskala in Abhängigkeit vom Stabilitätszustand der Atmosphäre eine entscheidende Rolle. Gegenwärtig verwendete Ansätze, die auf der Verwendung der turbulenten Mischungslänge für neutrale Schichtung sowie dimensionsloser Stabilitätsfunktionen basieren, zeigen vor allem Defizite im oberen Bereich der konvektiven Grenzschicht sowie in der Entrainmentzone, wo starke vertikale Gradienten auftreten. In der vorliegenden Arbeit wurden hochaufgelöste dreidimensionale Grobstruktursimulationen der trockenen und feuchten Grenzschicht für ein weites Spektrum von Labilitätsbedingungen durchgeführt. Erste und zweite Momente atmosphärischer Strömungsvariablen wurden aus den simulierten hydro- und thermodynamischen Feldern berechnet und diskutiert. Die Spektraleigenschaften turbulenter Fluktuationen der Strömungsvariablen, das raumzeitliche Verhalten kohärenter Strukturen sowie charakteristische Turbulenzlängenskalen wurden abgeleitet. Eine Verifizierung der charakteristischen Turbulenzlängenskalen erfolgte durch Vergleich mit Ergebnissen früherer numerischer Simulationen, mit Turbulenzmessungen in der atmosphärischen Grenzschicht sowie mit Laborexperimenten. Mit Hilfe der nichtlinearen Datenmodellierung wurden leicht verwendbare Approximationen der charakteristischen Turbulenzlängenskalen abgeleitet und deren statistische Signifikanz diskutiert. Unter Verwendung dieser Approximationen wurde ein existierendes Parametrisierungsmodell revidiert und mit Hilfe von Grobstruktursimulationen verifiziert. Desweiteren wurde der Einfluß der turbulenten Mischungslänge auf die Prognose mesokaliger Felder untersucht. Hierzu wurde mit dem Lokal-Modell des Deutschen Wetterdienstes eine entsprechende Sensitivitätsstudie durchgeführt. Anhand von Satellitendaten und Analysedaten aus der 4D-Datenassimilation wurden die Simulationsergebnisse verifiziert.

Diese Arbeit stellt das neue Fesselballonsystem 'Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere' (BELUGA) vor, das für die Messung turbulenter Energie- und Strahlungsflüsse in der bewölkten arktischen atmosphärischen Grenzschicht entwickelt wurde. Mit dem Schwerpunkt auf Turbulenz werden der technische Aufbau und die drei Instrumentenpakete von BELUGA sowie Methoden zur Analyse von Turbulenzdaten beschrieben. BELUGA wurde während zweier Feldkampagnen in der Arktis eingesetzt, die auf dem arktischen Meereis im Juni 2017 und in Grönland im März/April 2018 stattfanden. Anhand zweier Fallstudien liefern die BELUGA-Messungen wertvolle Einblicke in die kleinskaligen turbulenten Prozesse und Strahlungsprozesse, die in der arktischen Grenzschicht wechselwirken. Eine erste Studie analysiert eine Inversion der spezifischen Luftfeuchte über einem beständigen Stratocumulus und die turbulente Kopplung zwischen diesen Regionen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein turbulenter Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen der Feuchteinversion und der Wolke durch die stabile Inversionsschicht hindurch möglich ist, wenn sich die Feuchteinversion direkt über der Wolkendecke befindet. Die Bereitstellung von Feuchtigkeit durch turbulenten Transport trägt wahrscheinlich zur Langlebigkeit der arktischen Wolken bei. Die zweite Studie befasst sich mit einem Grenzschichtstrahlstrom, d.h. einem lokalen Windmaximum in niedriger Höhe, der in der spätwinterlichen stabilen arktischen Grenzschicht beobachtet wurde. Der Grenzschichtstrahlstrom zeigt eine charakteristische Vertikalstruktur von Turbulenzparametern wie lokalen Dissipationsraten, die direkt ober- und unterhalb des Windmaximums erhöht sind. Daraus folgt, dass das Vorhandensein eines Grenzschichtstrahlstromes die vertikale Durchmischung in der stabilen Grenzschicht unterstützt, was sich auf die vertikale Verteilung von advehierter Feuchtigkeit, Aerosolpartikeln und anderen Substanzen auswirken kann. Beide Fallstudien unterstreichen die Bedeutung der kleinskaligen Turbulenz für die Entwicklung der Grenzschicht in einer stabilen thermodynamischen Schichtung. Damit tragen die BELUGA-Messungen zu einem besseren Prozessverständnis in einer sich verstärkt erwärmenden Arktis mit vielfältigen Rückkopplungsprozessen bei. / This thesis introduces the new tethered balloon system Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere (BELUGA) that has been developed for collocated measurements of turbulent and radiative energy fluxes in the cloudy Arctic atmospheric boundary layer (ABL). With a focus on turbulence, the technical setup and the three instrument packages of BELUGA are presented together with turbulence data analysis methods. BELUGA was deployed during two field campaigns in the Arctic, which took place on Arctic sea ice in June 2017 and in Greenland in March/April 2018. By means of two case studies, the BELUGA measurements provide valuable insights into the small-scale turbulent and radiative processes interacting in the Arctic ABL. A first study analyzes a specific humidity inversion (SHI) above a persistent stratocumulus and the turbulent coupling between these regions. The results show that turbulent exchange of heat and moisture between the SHI and the cloud is possible through the stable inversion layer, when the SHI is located directly above the cloud top. Providing moisture via turbulent transport probably contributes to the persistence of Arctic clouds. The second study addresses a low-level jet (LLJ) observed in the late-winter stable Arctic ABL. The LLJ is associated with a characteristic vertical structure of turbulence parameters such as local dissipation rates, with enhanced intensity just above and below the jet core. It is concluded that the presence of a LLJ promotes vertical mixing in the stable ABL, which can impact the vertical distribution of advected moisture, aerosol particles, and other substances. Both case studies highlight the importance of small-scale turbulence for shaping the ABL under conditions of stable thermodynamic stratification. Thus, the BELUGA measurements contribute to an improved understanding of interacting atmospheric processes in Arctic amplification.

In the present thesis it is shown that the most natural choice for a norm for the analysis of the Galerkin FEM, namely the energy norm, fails to capture the boundary layer functions arising in certain reaction-diffusion problems. In view of a formal Definition such reaction-diffusion problems are not singularly perturbed with respect to the energy norm. This observation raises two questions: 1. Does the Galerkin finite element method on standard meshes yield satisfactory approximations for the reaction-diffusion problem with respect to the energy norm? 2. Is it possible to strengthen the energy norm in such a way that the boundary layers are captured and that it can be reconciled with a robust finite element method, i.e.~robust with respect to this strong norm? In Chapter 2 we answer the first question. We show that the Galerkin finite element approximation converges uniformly in the energy norm to the solution of the reaction-diffusion problem on standard shape regular meshes. These results are completely new in two dimensions and are confirmed by numerical experiments. We also study certain convection-diffusion problems with characterisitc layers in which some layers are not well represented in the energy norm. These theoretical findings, validated by numerical experiments, have interesting implications for adaptive methods. Moreover, they lead to a re-evaluation of other results and methods in the literature. In 2011 Lin and Stynes were the first to devise a method for a reaction-diffusion problem posed in the unit square allowing for uniform a priori error estimates in an adequate so-called balanced norm. Thus, the aforementioned second question is answered in the affirmative. Obtaining a non-standard weak formulation by testing also with derivatives of the test function is the key idea which is related to the H^1-Galerkin methods developed in the early 70s. Unfortunately, this direct approach requires excessive smoothness of the finite element space considered. Lin and Stynes circumvent this problem by rewriting their problem into a first order system and applying a mixed method. Now the norm captures the layers. Therefore, they need to be resolved by some layer-adapted mesh. Lin and Stynes obtain optimal error estimates with respect to the balanced norm on Shishkin meshes. However, their method is unable to preserve the symmetry of the problem and they rely on the Raviart-Thomas element for H^div-conformity. In Chapter 4 of the thesis a new continuous interior penalty (CIP) method is present, embracing the approach of Lin and Stynes in the context of a broken Sobolev space. The resulting method induces a balanced norm in which uniform error estimates are proven. In contrast to the mixed method the CIP method uses standard Q_2-elements on the Shishkin meshes. Both methods feature improved stability properties in comparison with the Galerkin FEM. Nevertheless, the latter also yields approximations which can be shown to converge to the true solution in a balanced norm uniformly with respect to diffusion parameter. Again, numerical experiments are conducted that agree with the theoretical findings. In every finite element analysis the approximation error comes into play, eventually. If one seeks to prove any of the results mentioned on an anisotropic family of Shishkin meshes, one will need to take advantage of the different element sizes close to the boundary. While these are ideally suited to reflect the solution behavior, the error analysis is more involved and depends on anisotropic interpolation error estimates. In Chapter 3 the beautiful theory of Apel and Dobrowolski is extended in order to obtain anisotropic interpolation error estimates for macro-element interpolation. This also sheds light on fundamental construction principles for such operators. The thesis introduces a non-standard finite element space that consists of biquadratic C^1-finite elements on macro-elements over tensor product grids, which can be viewed as a rectangular version of the C^1-Powell-Sabin element. As an application of the general theory developed, several interpolation operators mapping into this FE space are analyzed. The insight gained can also be used to prove anisotropic error estimates for the interpolation operator induced by the well-known C^1-Bogner-Fox-Schmidt element. A special modification of Scott-Zhang type and a certain anisotropic interpolation operator are also discussed in detail. The results of this chapter are used to approximate the solution to a recation-diffusion-problem on a Shishkin mesh that features highly anisotropic elements. The obtained approximation features continuous normal derivatives across certain edges of the mesh, enabling the analysis of the aforementioned CIP method.