SPP 1276:
Skalenübergreifende Modellierung in der Strömungsmechanik und Meteorologie
Fachliche Zuordnung
Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
Geowissenschaften
Mathematik
Physik
Förderung
Förderung von 2007 bis 2016
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 25965762
Erstellungsjahr
2016
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des SPP 1276 war es, ein für die numerische Strömungssimulation zentrales, konzeptionelles und bis heute im Wesentlichen offenes Problem auf die deutsche und internationale Forschungsagenda zu bringen und konkrete Lösungsansätze zu erarbeiten. Es besteht eine eklatante Diskrepanz zwischen gängigen Methoden der numerischen Mathematik zur approximativen Lösung partieller Differentialgleichungen einerseits und der modellierungstechnischen Realität der Strömungssimulation andererseits. Gängige numerische Verfahren beruhen auf dem Prinzip der Konvergenz von Approximationen im Limes hoher Auflösung. In der Praxis sind Auflösungen, die selbst eine nur grobe Annäherung an die Konvergenz erlauben, auch auf Supercomputern unerreichbar. Die Effekte von auf dem Rechengitter nicht darstellbaren Prozessen werden daher durch ad-hoc eingebundene Schließungen (Parameterisierungen) ersetzt. In der Konsequenz ergibt sich eine aus wissenschaftlicher Sicht unhaltbare Situation: Für die zur Strömungssimulation eingesetzten Rechenverfahren und -modelle gibt es keine theoretische Rechtfertigung. In Zusammenarbeit von ExpertInnen aus Meteorologie, Ingenieurwesen und angewandter Mathematik sollten neue Konzepte zur Überbrückung dieser konzeptionellen Lücke erarbeitet werden, die den Qualitätsstandards aller drei der beteiligten Disziplinen genügen sollten.
Wie im folgenden dokumentiert, war das Programm insofern erfolgreich als es in Deutschland eine neue interdisziplinäre Brücke zwischen den drei beteiligten wissenschaftlichen Disziplinen schlagen konnte; als es international eine klare Vorreiterrolle einnahm; als es eine Kohorte von NachwuchswissenschaftlerInnen trainiert hat, die die neue interdisziplinäre Kooperation nun weitertragen; als es eine Fülle für sich sehr interessanter und für die Bearbeitung des oben geschilderten Kernproblems höchst relevanter Experiment- und Simulationsdaten generiert hat und als es innovative neue Ansätze hervorbrachte, die vom technologischen Standpunkt her Beobachtungs- und Simulationsdaten und deren detaillierte Analyse in kohärenter Weise zusammenbringen. Einige Projekte haben sich der oben skizzierten Kernproblematik direkt gestellt und bemerkenswerte Ergebnisse und neue Konzepte hervorgebracht. Eine Vielzahl von Projekten haben insgesamt ebenfalls wichtige, aber enger fokussierte und eher inkrementelle Beiträge geleistet. Aus der persönlichen Sicht des Sprechers wurden im Verlauf der drei Begutachtungsprozesse mitunter Chancen zu weiterreichenden Innovationen vergeben, wenn pragmatischen, eher traditionell disziplinär ausgerichteten Projekten der Vorzug vor ambitionierteren, direkt auf die Mission des Schwerpunktes zielenden, dafür aber auch risikoreicheren Projekten gegeben wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Voxel space analysis of terrestrial laser scans in forests for wind field modelling, IAPRS XXXVIII, Part 5, 92-97, 2010
Bienert, A., Queck, R., Schmidt, A., Bernhofer, C., Maas, H.-G.
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Measurement and simulation of a droplet population in a turbulent flow field, Comput. & Fluids, 66, 52-62, 2012
Bordas, R., John, V., Schmeyer, E., Thevenin, D.
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Simultaneous PIV- and thermography measurements of partially blocked flow in a heated rotating annulus, Exp. Fluids, 52, 1077-1085, 2012
Harlander, U., Wenzel, J., Alexandrov, K., Wang, Y., Egbers, C.
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Comparison between adaptive and uniform discontinuous Galerkin simulations in dry 2D buttle experiments, J. Comp. Phys, 235, 371-393, 2013
Müller, A., Giraldo, F.X., Wirth, V.
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On the Accuracy of High Order Discretizations for Underresolved Turbulence Simulations, Theor. Comp. Fluid Dyn., 27, 221-237, 2013
Gassner, G.J., Beck, A.D.
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Using a Moving Mesh PDE for Cell Centres to Adapt a Finite Volume Grid. Flow, Turbulence and Combustion, 90(4), 785- 812, 2013
Hertel, C., Schümichen, M., Lang, J., Fröhlich, J.
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Entrainment and mixing at the interface of shallow cumulus clouds: Results from a combination of observations and simulations, Meteorol. Z., 23, 349-368, 2014
Hoffmann, F., Siebert, H., Schumacher, J., Riechelmann, T., Katzwinkel, J., Kumar, B., Götzfried, P., Raasch, S.
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Error estimation and adaptive chemical transport modeling, Meteorol. Z., 23(4), 341-348, 2014
Braack, M., Schlünzen, H., Taschenberger, N., Uphoff, M.
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Gravity Wave Emission in an Atmospherelike Configuration of the Differentially Heated Rotating Annulus Experiment. J. Fluid Mech., 758, 287-311, 2014
Borchert, S., Achatz U., Fruman, M.D.
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Modeling artifacts in the simulation of the sedimentation of raindrops with a Quadrature Method of Moments, Meteorol. Z., 23(4), 369-385, 2014
Jasor, G., Wacker, U., Beheng, K.D., Polifke, W.
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On the theory of mass conserving transformations for Lagrangian methods in 3D atmospherechemistry models, Meteorol. Z., 23, 441-447, 2014
Grewe, V., Brinkop, S., Jöckel, P., Shin, S., Reich, S., Yserentant, H.
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Controlling entrainment in stratocumulus clouds using level set-based front tracking, Meteorol. Z., 23, 661-674, 2015
Dietze, E., Mellado, J.P., Stevens, B., Schmidt, H.
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Goal-oriented adaptivity for idealised tropical cyclones: A binary interaction scenario, Meteorol. Z., 2015
Baumann, M., Heuveline, V., Scheck, L., Jones, S.C.
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Large-scale turbulence modelling via α-regularisation for atmospheric simulations, Journal of Turbulence, 16(4), 367-391, 2015
Aizinger, V., Korn, P., Giorgetta, M., Reich, S.
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Semi-convection in the ocean and in stars: A multi-scale analysis, Meteorol. Z., 24(3), 343-358, 2015
Kupka, F., Losch, M., Zaussinger, F., Zweigle, T.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Internationaler Bezug
Großbritannien, Österreich, Schweiz, USA
Projekte
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Analyse und numerische Simulation von Stratocumulus Wolken
(Antragsteller
Mellado, Juan Pedro
;
Schmidt, Heiko
;
Stevens, Bjorn B.
)
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Angepasste Raum-Zeit-Regularisierungen für das Atmosphären-Zirkulationsmodell ICON, Kennwort: STAR
(Antragsteller
Giorgetta, Marco A.
;
Reich, Sebastian
)
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Der Einfluss des turbulenten Entrainments und Mischens auf die Feinstruktur der Wolkenturbulenz
(Antragsteller
Raasch, Siegfried
;
Schumacher, Jörg
;
Siebert, Holger
)
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Die turbulente Wechselwirkung zwischen skalenseparierten Schwerewellen und zwischen Schwerewellen und synoptischskaliger Strömung
(Antragsteller
Achatz, Ulrich
;
Hickel, Stefan
)
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Diskret-kontinuierliche Hybridmodelle auf der Basis der integralen Erhaltungsprinzipien
(Antragsteller
Horenko, Illia
;
Klein, Rupert
;
Munz, Claus-Dieter
)
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Ein hybrides Frontverfolgungs-Verfahren für Stratocumulus-Wolken unter Berücksichtigung instationärer "Entrainment"-Prozesse
(Antragsteller
Schmidt, Heiko
)
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Entwicklung eines Lagrangeschen Kerns für Klimamodelle
(Antragsteller
Grewe, Volker
;
Reich, Sebastian
;
Yserentant, Harry
)
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Erzeugung zeitlich und räumlich hochaufgelöster Validierungsdaten für LES-Simulationen turbulenter Strömungs- und Transportphänomene
(Antragsteller
Leitl, Bernd
)
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Large Eddy Simulation mit adaptiven bewegten Gittern zur Lösung meteorologischer Fragestellungen
(Antragsteller
Fröhlich, Jochen
;
Lang, Jens
)
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MetStröm Koordination
(Antragsteller
Klein, Rupert
)
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Modellierung diffusiver und doppelt-diffusiver Konvektion im Ozean und in Sternen
(Antragsteller
Losch, Ph.D., Martin
;
Spruit, Hendrik C.
)
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Modellierung und Approximation feuchter atmosphärischer Strömungen unter Berücksichtigung topographischer Effekte
(Antragstellerinnen / Antragsteller
Gaßmann, Almut
;
Helzel, Christiane
;
Knoth, Oswald
;
Wensch, Jörg
)
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Parallel adaptive Auflösung von Multiskalen-Phänomenen und transparente Randbedingungen für atmosphärische Strömungen
(Antragsteller
Baldauf, Michael
;
Kröner, Dietmar
)
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Referenzexperiment für Untersuchungen der Dynamik und Koexistenz von großräumigen und kleinskaligen Strömungsstrukturen am Beispiel barokliner und Schwerewellen
(Antragsteller
Egbers, Christoph
)
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Referenzexperimente im mehrphasigen Windkanal, numerische Simulationen und Validierung
(Antragsteller
John, Volker
;
Thévenin, Dominique
)
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Skalenübergreifende Modellierung der Populationsdynamik von Hydrometeoren mit Momentenverfahren
(Antragstellerinnen / Antragsteller
Polifke, Ph.D., Wolfgang
;
Wacker, Ulrike
)
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Turbulente Austauschprozesse zwischen Waldflächen und der Atmosphäre
(Antragsteller
Bernhofer, Christian
;
Maas, Hans-Gerd
;
Stiller, Jörg
)
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Turbulenzstruktur in der urbanen Rauigkeitsschicht: LES-Referenzstudien und Vergleiche mit Windkanal-, Skalenmodell- und Feldmessungen
(Antragsteller
Raasch, Siegfried
)
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Untersuchungen zu Tropfenwachstum und Niederschlagsbildung in Wolken
(Antragsteller
Beheng, Klaus Dieter
;
Etling, Dieter
;
Schröder, Wolfgang
)
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Wechselwirkung von kleinen und großen dynamischen Skalen in einem adaptiven numerischen Modell für atmosphärische Feuchtkonvektion
(Antragsteller
Behrens, Jörn
;
Wirth, Volkmar
)
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Zielfunktional-orientierte Aktivität und Reduktion von atmosphärischen Chemietransportmodellen
(Antragstellerinnen / Antragsteller
Braack, Malte
;
Schlünzen, Katharina Heinke
)
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Zielorientierte Adaptivität für tropische Wirbelstürme
(Antragstellerinnen / Antragsteller
Heuveline, Vincent
;
Jones, Sarah C.
)