Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2004--Darmstadt.

In der vorliegenden Arbeit wurden 3D-Strömungszustände und die Bewegung an der Badoberfläche in Abhängigkeit von den Betriebsparametern mit der LDA-Methode im 1:2 Modell einer Stranggießkokille mit Fr-Zahl als Ähnlichkeitskriterium untersucht. Auf Basis der Messdaten wurde der obere Kokillenbereich in 7 Teilräumen stromabwärts unterteilt. Der Verlauf der Freistrahlausbreitung wurde durch eine Exponentialfunktion beschrieben. Nahe am Tauchrohraustritt wurde das Medium sowohl in den austretenden Strahl als auch in das Tauchrohr hinein eingesaugt. Die Frequenz und die Amplitude der Oberflächenschwankungen wurden nach der Leitfähigkeitsmethode gemessen. Dort dominierten drei Frequenzbereiche. In der Strömungsgeschwindigkeit beim Austritt des turbulenten Freistrahles wurden auch entsprechende nieder- und hochfrequente Anteile gemessen. Die Badoberflächenschwankungen wurden an vier Positionen gleichzeitig bestimmt. Mit steigender Fr-Zahl nahm der Mittelwert der Badoberflächenschwankung zu. Zwischen den Fr-Zahlen und den normierten Amplituden der Badoberflächenschwankungen (Mittelwert der Amplitude / hydraulischer Durchmesser der Tauchrohraustrittsfläche), konnte ein linearer Zusammenhang festgestellt werden. Die numerischen Ergebnisse (Fluent), die mit unterschiedlich definierten Randbedingungen des Strahlaustrittes berechnet wurden, ergaben eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen, wenn die Randbedingungen am Tauchrohraustritt auf experimentellen Messdaten basierten. Liegen diese Messdaten nicht vor, dann kann das Ergebnis einer numerischen Untersuchung verbessert werden, indem die stromaufwärts liegenden Systemteile in die Rechensimulation einbezogen werden.

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.

ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Dissertation befasst sich mit den komplexen physikalischen und biologischen Prozessen in Flachlandflüssen, die mit der saisonalen Entwicklung submerser aquatischer Vegetation im Zusammenhang stehen. Vorrangige Ziele der durchgeführten Arbeiten waren sowohl Untersuchungen zum Einfluss elastischer submerser Vegetation auf die Struktur der turbulenten Strömung, als auch die damit verbundenen Effekte auf Transport- und Mischungsprozesse sowie mögliche Auswirkungen auf Morphodynamik und Ökologie. Erkenntnisse zur Struktur der turbulenten Strömung, die sich über Beständen submerser elastischer Vegetation entwickelt, konnten aus originären Feldexperimenten gewonnen werden. Die Resultate wurden mit der hydrodynamischen Modellierung der Entwicklung einer Mischungsschicht verglichen. Theoretische Analysen der Mischungsschicht über submerser Vegetation führten zu einer Erweitung des Modells. Dabei zeigt sich, in welcher Weise die Interaktion zwischen Strömung und Pflanzen die Entwicklung der Scherschicht und der Turbulenz beeinflusst. Die abgeleiteten theoretischen Lösungen stehen in engem Zusammenhang mit der theoretischen Beschreibung der biomechanischen Eigenschaften elastischer Vegetation. Die Dissertation beschäftigt sich vorwiegend mit Effekten der Wechselwirkung von Strömung und Bewuchs in Bezug auf eindimensionale Ansätze der Modellierung von Transport und Vermischung in Flüssen. In der Arbeit werden quantitative Ansätze zur Modellierung der longitudinalen Dispersion für einen bestimmten Typ von Vegetation vorgeschlagen, die die komplexe Struktur der Strömung bei Bewuchs berücksichtigen. Darüber hinaus wird gezeigt, wie die entwickelte Theorie zur Wechselwirkung von Strömung und Vegetation mit einem phänologischen Modell für das Wachstum der Pflanzenbiomasse gekoppelt werden kann, womit ein nahezu geschlossener Lösungsansatz für die behandelte Fragestellung vorliegt. Schlagwörter: Makrophyten, Flussströmung ,Turbulenz, longitudinale Dispersion. / SUMMARY The thesis is focused on complex physical and biological processes occurring in natural lowland streams due to the seasonal development of submerged aquatic vegetation. The primary goal of the studies was an exploration of the effects that submerged flexible vegetation sets upon turbulent flow structure, their consequences for transport and mixing processes, and implications for morphodynamics and ecology. A deeper insight into the structure of turbulent flow evolving over a patch of flexible submerged vegetation was gained completing an original field experimental study which results were examined in a context of a hydrodynamic model of the mixing layer. The model was expanded by theoretical analysis of evolution of the mixing layer over the vegetation patch yielding knowledge on how do interactions of flow and vegetation produce the velocity shear and turbulence across the flow. The obtained theoretical solutions are linked to the theoretical description of biomechanical properties for flexible buoyant vegetation. The thesis is concentrated on examining the consequences of flow – plants interactions in respect to the one-dimensional approach to the modeling of transport and mixing in rivers. In this study the longitudinal dispersion model was re-examined to account for the complex structure of flow in vegetation mosaic and possible quantitative approaches are proposed to infer the model parameters for a known type of vegetation. It was also shown how the developed theory of flow-plants interactions can be coupled with a phenological model of biomass growth providing a nearly complete approach to the problem. Keywords: macrophytes, river flow, turbulence, longitudinal dispersion.

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.

Die Implementierung und Anwendung von Soil-Vegetation-Atmosphere-Transport-Modellen (SVAT) in der Landwirtschaft erfordert die Kenntnis der aerodynamischen Eigenschaften der Unterlage. Diese sind die Verschiebungslänge d, die Rauhigkeitslänge z0 und weitere Parameter welche den Effekt der Rauhigkeitsschicht unmittelbar über dem Pflanzenbestand beschreiben, wie die Schichthöhen für den Transfer von Impuls Zm* und Skalaren Zs*. Umfangreiche Literaturangaben über einen weiten Bereich von Bestandsmerkmalen wurden zur Entwicklung und Ableitung neuer Schätzfunktionen der genannten Parameter genutzt. Ein neues Modell wird für d als Funktion der Bestandeshöhe hc und dem Plant Area Index PAI vorgeschlagen. Ein semi¬empirisches Vorhersagemodell wird für die Längenskale Ls in Abhängigkeit von hc, PAI, der relativen Kronenhöhe und dem mittleren Abstand zwischen Rauhigkeitselementen entwickelt. Mit Schätzwerten für d, Ls, Zm* und anderen Inputs wurde eine Gleichung für z0 entwickelt und geprüft. Unter Berücksichtigung der Rauhigkeitsschicht werden geschlossene analytische Lösungen für die Schubspannungsgeschwindigkeit, das Windprofil und den aerodynamischen Widerstand präsentiert. Es wird ein Energiebilanzmodell für teilweise mit Folien bedeckten Erddämmen vorgestellt. Bekannte Vorgehensweisen aus der Literatur wurden hinsichtlich der Effekte des peripheren Strahlungsanteils der Sonne, der Modifizierung des kurzwelligen und langwelligen Strahlungstransfers durch den Damm selbst und der winkelabhängigen Transmission und Reflexion von Folien erweitert. Nur 3 Parameter mussten aus stündlichen Messwerten der Bodentemperatur über einen Monat bestimmt werden. Beim Gesamttest des Modells zeigte sich eine mittlere quadratische Abweichung zwischen Simulationen und Messungen der Dammtemperatur von 1.5-1.9 K in Abhängigkeit vom Standort. Testsimulationen zeigten, dass für strahlungsundurchlässige Folien eine präzise Darstellung der winkelabhängigen Reflexion nicht notwendig ist. Für transparente Folien sind zur Beschreibung von Transmission und Reflexion auch einfache Ansätze ausreichend. Nur wenige Inputs sind zur Simulation erforderlich wie die Gehalte an Humus, Sand und Ton, die Dammgeometrie und die Transmissions- und Reflexionsgrade der eingesetzten Folien. / Implementation and application of Soil Vegetation Atmosphere Transport Models (SVAT) in agriculture require knowledge of aerodynamic properties of the exchanging surface. These are the zero plane displacement d, the roughness length for momentum z0, and additional parameters describing the roughness layer just above the canopy as the height of the roughness layer for momentum and scalars (Zm*, Zs*), and parameters of the modified diffusivity profile functions. Several data summaries from the literature on aerodynamic properties over a broad range of plant canopies are used to develop and test predictive models for a number of needed aerodynamic parameters. A new model for d is presented as a function of canopy height hc and Plant Area Index PAI. A semi-empirical equation for the canopy length scale Ls is derived from hc, PAI, fractional crown height, and inter-element spacing of roughness elements. Having estimates of d, Ls, Zm* and other inputs one can derive predictive equations for z0. Closed form analytical expressions are given for the friction velocity, the horizontal wind speed profile and the aerodynamic resistance, which account for both stability and roughness layer effects. An energy balance model for a two-dimensional ridge surface partly covered by a plastic mulch is presented. Previous approaches are modified and extended to include (1) the circumsolar part of diffuse radiation and (2) the altered interception of diffuse short- and long-wave radiation due to horizon obstructions and surface slope and (3) the directional dependence of transmissivity and reflectivity of plastic mulches. Only three parameters had to be estimated from data taken over one month at one site. Overall, simulated data fitted with the whole data set on soil temperatures, with root mean square errors of 1.5 K and 1.9 K for both sites, respectively. Test simulations established that for opaque plastics, detailed analysis of directional radiative properties is not necessary, and for transparent plastics, rather simpler approaches are sufficient. Only a few inputs have to be provided to apply the model: the soil humus content and texture, the shape of the ridge, and the transmissivities and reflectivities of the used plastic mulches in the short-wave and long-wave range.

Bei Entscheidungen über abzulösende oder neue Anwendungssysteme kann mit Hilfe funktionaler Anforderungen immer nur der gegenwärtige oder vorhersehbare Bedarf ermittelt werden. In einem turbulenten Umfeld sind die Anwendungssysteme jedoch häufig langere Zeit im Einsatz als die Anforderungen gültig sind, mit Hilfe derer sie ausgewählt wurden. An der Universität Potsdam wird im Rahmen des BMBF-Projektes CHANGE eine Vorgehensweise zur Ermittlung der Zukunftsfähigkeit unternehmensweiter Anwendungssysteme entwickelt, deren wesentliche Merkmale in diesem Beitrag beschrieben werden. / A process model for determination of future suitability of business application systems: <br><br> Before decisions concerning reinvestments or additional usage of business application systems can be made, functional requirements depending on the actual or foreseeable demand are collected. In turbulent circumstances business application systems like ERP systems are longer used than the requirements for their choice are valid. At the university of Potsdam within the german research project CHANGE a process model was developed which is able to determine the future suitability of business application systems investigating possible turbulences on the market and around the company. <br> ---------<br> © GITO mbH Berlin

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