Themen für Masterarbeiten an der Professur für Meteorologie

MSc Topics at the Chair of Meteorology

siehe auch: Bachelorthemenen an der Professur für Meteorologie

Historical and future trends of the soil droughts on a regional and local scale for 'your home country'.

 

Study programs: Hydrology, Meteorology, HSE, Flood Risk Management
Begin: immediately

 

Objective: Understanding and quantification of soil drought is important for different stakeholders (agriculture, forestry, ecologists). This work will expand knowledge of this phenomenon for you home country. Specifically, focusing on a local spatial scale (first hundreds of meters) and looking on different landscapes (i.e. specific crops and forest types) the soil moisture will be modelled with physically-based water balance model for historical and future period. The output will be analysed in order to identify drought periods and gain their statistics. Two time periods will be compared to assess possible land cover changes due to climate and thus soil moisture changes.

 

Working steps:

 

  • Collecting information on the study region (meteorological data, land cover, soil moisture monitoring, etc)
  • Model simulation with modified Global BROOK90 using historical period and climate projections for the selected landscapes
  • Identification of soil drought based on different methods
  • Statistical analysis of droughts (frequency, duration, minimum values, trends, etc.)
  • Comparison of the results with other available studies and datasets
  • Discussion on soil droughts future behaviour as a possible indicator of the land use change
  • Possibility to publish the results

 

Minimum requirements:  intermediate R programming skills; good understanding of statistics

 

Supervisor: 
Vorobevskii Ivan [ivan.vorobevskii@tu-dresden.de]

Effects of the climate change on evaporation partitioning for different landscapes

 

Study programs: Hydrology, Meteorology, HSE, Flood Risk Management
Begin: immediately

 

Objective: Globally, evaporation yields approximately ⅔ of the total precipitation as a water balance component and plays an important role in the hydrological process at multiple spatial scales. However, with the need of higher spatial and temporal resolution, evaporation and its components exposes larger variability. Here, the existing studies are limited and mostly based on the scarce measurement network (eddy-covariance towers, lysimeters). Due co climate change not only the total evaporation will change, but the perturbation of its components is expected. Using a physically-based water balance model and different climate datasets transpiration, interception and soil evaporation will be modelled for several landscapes. The outcome for the future and past periods will be statistically analysed in order to detect the changes in evaporation and its components.

 

Working steps:

 

  • Collecting information (meteorological data, land cover, evaporation, etc) on the study region (could be either Saxony or your country depending on availability of the data)
  • Selection of representative landscapes
  • BROOK90 model parameterization and calibration using evaporation measurements
  • Simulations of evaporation and its components for the past and future periods using different datasets
  • Statistical analysis of the behaviour and sensitivity of different evaporation components in past and future
  • Discussion the results with respect to possible plant adaptation measurements
  • Possibility to publish the results

 

Minimum requirements:  advanced R programming skills; understanding of boundary layer meteorology, plant physiology and soil hydraulics

 

Supervisor: 
Vorobevskii Ivan [ivan.vorobevskii@tu-dresden.de]

Effektive Modellierung der Vegetationsstruktur
(engl.: Effective modeling of vegetation structure)

Studiengänge: Forstwissenschaften, RE-NRM, Geographie, Hydrologie
Beginn: sofort 

Zielsetzung:

Ziel ist die Erstellung eines Katalogs mit generischen Modellen zur dreidimensionalen geometrischen Repräsentation von Stadtbäumen in numerischen Modellen. Allometrische Funktionen beschreiben die räumliche Struktur der Vegetation als Funktion von Baumart, -höhe und Brusthöhendurchmesser. In einem ersten Schritt sollen in der Literatur vorhandene Funktionen gesammelt und verglichen werden. Auf der Basis von Aufnahmen mit einem terrestrischen Laserscanner von fünf typische Stadtbaumarten sollen allometrische Funktionen entwickelt oder vorhandene angepasst werden. Weiterhin sollen Möglichkeiten der Einbindung der an der TU Dresden aufgebauten und frei verfügbaren Datenbank für urbane Gehölze CITREE (https://citree.de) geprüft werden.

Arbeitsschritte:
  • Literaturstudium zu allometrische Funktionen
  • Vorortbegehung der fünf Straßenzüge in Dresden
  • Datenauswertung und Funktionsanpassung
  • Analyse der Anwendungsmöglichkeiten
Betreuer:
Dr. Ronald Queck [ ronald.queck@tu-dresden.de]

Bestimmung der Pflanzenoberfläche mit optischen Verfahren
(engl.: Assessment of the plant area determined by optical methods)

Studiengänge: Hydrologie, Geographie, Forstwissensch, RE-NRM
Beginn: sofort

Zielsetzung:
Der Leaf Area Index, LAI, hat als die wesentliche Umsatzfläche eine große Bedeutung für den Energie-, Wasser- und Stoffhaushalt der Erdoberfläche. Die exakte Bestimmung des LAI ist dabei nur durch exemplarische Einzelmessung (in Zeit- und Raum) möglich. Häufiger werden zerstörungsfreie optische Verfahren, das heißt Messungen des Strahlungstransfers durch den Pflanzenbestand eingesetzt. Dabei wird genau genommen der Plant Area Index PAI bestimmt (gesamte Pflanzenoberfläche). Das dabei zugrunde gelegte Lambert-Beersche Gesetz gilt streng genommen nur für eine homogene Verteilung der absorbierenden Substanz, vernachlässigbare Variation des Absorptionskoeffizienten, vernachlässigbare Mehrfachstreuung und Eigenemission sowie niedrig konzentrierte „Lösungen“. Diese Bedingungen sind insbesondere in hohen Waldbeständen kaum erfüllt. In der Arbeit sollen verschiedene Methoden zur Bestimmung des PAI verglichen werden (LAI2000, Strahlungsmessungen, Laserscanning). Weiterhin soll die prinzipielle Anwendbarkeit des Lambert-Beersche Gesetzes untersucht werden und anhand eines künstlichen Bestandes mit einem alternativen Modell verglichen werden.

Arbeitsschritte:
  • Literaturstudium
  • Durchführung eigener LAI2000 Messungen
  • Vergleich der verschiedenen Messverfahren
  • Vergleich des Lambert-Beerschen Gesetzes mit einem alternativen Modell und Bewertung der Ansätze

Betreuer:
Dr. Ronald Queck [ronald.queck@tu-dresden.de]

 

Strahlungstransfer durch Baumkronen und Parametrisierung der Verdunstungsmodelle von Waldbeständen
(engl.: Radiation transfer within forest canopies and parameterisation of models evapotranspiration

Studiengänge: Hydrologie, Geographie, Forstwissenschaften, RE-NRM
Beginn: sofort 

Zielsetzung:

Die Verdunstung des Unterwuchses von Wäldern mit ausgeprägtem Stammraum ist weitgehend durch die Strahlung gegeben. Diese wird in Abhängigkeit von der Kronenstruktur (Bedeckung, Dimension der Krone, Blattfläche) beschrieben. Die besondere Herausforderung liegt dabei in der korrekten Behandlung der raum-zeitlichen Dynamik des Strahlungsangebots, die z.B. zeitlich durch den Blattaustrieb und räumlich durch Lichtflecken gegeben ist. Für die Abbildung der resultierenden Verdunstungsdynamik soll ein vorhandenes Mehrschichtmodell genutzt werden und mit dem Zweischichtmodell Brook90 verglichen werden. Für die Arbeit stehen Daten an den Forststandorten Ankerstation Tharandt (Fichte, seit 1996) und Buchhübel (Buche, seit 2005) aus unterschiedlichen Messhöhen zur Verfügung, die durch Zusatzmessungen während der Arbeit ergänzt werden können.

Arbeitsschritte:
  • Literaturstudium
  • Überprüfung und Ergänzung der vorhandenen Strahlungsmessungen
  • Auswertung und Analyse der Messungen
  • Erhebung der Modellparameter für den Strahlungstransfer durch Baumkronen
  • Modellvergleich
  • Sensibilitätstest und Modellierung der Verdunstungskomponenten
  • Validierung mit unabhängigen Messungen der Verdunstungskomponenten
Betreuer:
Dr. Ronald Queck [ ronald.queck@tu-dresden.de]

Interception and land use change
(engl.: Effective modeling of vegetation structure)

Studiengänge/Study course: Hydrologie, Geographie, Forstwissenschaften, RE-NRM, GroundwatCh
Beginn/Start: immediately

Zielsetzung/Objectives:

Background: Prospective climate change will cause land use changes with implications on ecosystem water budgets. The current widespread conifer monocultures in Germany/Europe are vulnerable to droughts that are predicted to occur more frequently. Recent droughts in 2018/19 caused direct forest damage (mainly in cities) but showed also effect on forest diseases and pests like the bark beetle (mainly in spruce monocultures). Forest conversion to mixed forests could mitigate the problem but affects the water balance too. A major influence is the change of intercepted rain water.
Problem statement: Interception depends on the plant surface distribution and on evaporation, whereas the conditions for evaporation are also influenced by the plant surface distribution. The question is, how changes the interception and hence the water budget with changing forest structure.
Research Objectives: Determination of the change in water budget by the change of a spruce forest to a mixed forest.

Steps/Methods/Pre-requisites:
  • Use of high resolved 3D vegetation model of a spruce forest stand within the Tharander Wald, which is gained on terrestrial laser scans.
  • Vegetation models of deciduous forests form literature or measurements
  • Application of an interception model with different spatial-temporal resolutions
  • Programming skills (R)
Betreuer/Supervisor:
Dr. Ronald Queck [ ronald.queck@tu-dresden.de]
 

Interpolation von Windmessungen in und über Waldbeständen mittels eines massenkonsistenten Windmodels

Studiengänge: Hydrologie, Geographie, Forstwissensch, RE-NRM
Beginn: sofort

Zielsetzung:

In einem inzwischen weltumspannenden Netz von Messstationen werden über unterschiedlichsten Landnutzungen der Energie- und Stoffaustausch bestimmt. Die dabei verwendeten Methoden setzen weit ausgedehnte homogene Landoberflächen/nutzungen voraus. Diese Bedingung wird gerade in den charakteristischen klein-räumigen Landschaften Mitteleuropas nicht erfüllt. Die Folge davon sind advektive Stoff- und Energieflüsse.
Zur Bestimmung dieser advektiven Stoffflüsse ist die Kenntnis der horizontalen Windgeschwindigkeitsverteilung notwendig. Die Aufgabe der besteht darin, Messungen der Windgeschwindigkeit in und über einem Waldbestand mittels des massenkonsistenten Windmodells MCF zu interpolieren und mit Messungen zu vergleichen.

Arbeitsschritte:
  • Literaturstudium und Einarbeitung in das MCF
  • Anwendung des MCF auf die weitere Umgebung der Ankerstation Tharandter Wald ASTW (2-5 km²) und Vergleich mit bereits vorhandenen Modellierungen
  • Mitarbeit bei der Entwicklung einer Parametrisierung des MCF für Strömungen in Waldbeständen
  • Anwendung des MCF auf die Strömungen in Waldbeständen in unmittelbare Umgebung der ASTW
  • Validierung der Modellergebnisse auf der Basis von vorhandenen Windmessungen

Betreuer:
Dr. Ronald Queck [ronald.queck@tu-dresden.de]

 

 

Solare Einstrahlung an einem Weinberg

Solar irradiation at a vineyard

Studiengänge/study program: Hydrowissenschaften, Geographie, RE-NRM, HSE
Beginn/Start: sofort/immediately

Zielsetzung:

Der solare Strahlungsgenuss an einem Weinberg ist essentiell für die Qualität der Weintrauben. Er hängt insbesondere von der Hanggeometrie (Neigung, Exposition), aber auch von kleinräumigen Heterogenitäten (z.B. Bepflanzung, Stützmauern) ab. Die klimatologische Differenzierung der solaren Einstrahlung an einem Weinberg hängt somit zum einen von der geographischen Position, die den Jahresgang des solaren Einfallswinkels auf den Hang bestimmt, also auch vom Anteil der direkten zur diffusen Strahlung ab. 

Für einen Abschnitt der Weinhänge in Radebeul soll der Jahresgang der solaren Einstrahlung auf Basis von Klimadaten und einem Strahlungsmodell bestimmt werden. Dazu sollen die hochaufgelösten DEM und DSM (1m) von Sachsen verwendet werden.

Aufgaben:

  • Literaturrecherche: Strahlungsmodelle für kleinräumiges Gelände, Vorarbeiten zu Strahlungseinträgen an Weinbergen
  • Datenerfassung: DSM und DEM Sachsen,  Landnutzungskarten, Auswahl Untersuchungsgebiet, notwendige Klimainputdaten aus der Region, Auswahl Strahlungsmodell 
  • Simulation eines durchschnittlichen und extremen Jahresgangs der solaren Einstrahlung im  Untersuchungsgebiet
  • Diskussion der Ergebnisse, Zuordnung zu spezifischen Indices zur Bestimmung der Weinsorte und -qualität

 

Objective:
 
Solar irradiance at a vineyard is essential for grape quality. It depends in particular on the slope geometry (inclination, exposure), but also on small-scale heterogeneities (e.g. planting, retaining walls). Thus, the climatological differentiation of solar irradiance at a vineyard depends, on the one hand, on the geographical position, which determines the annual variation of the solar incidence angle on the slope, thus also on the proportion of direct to diffuse radiation. 
For a section of the vineyard slopes in Radebeul, the annual course of the solar irradiation is to be determined on the basis of climate data and a radiation model. For this purpose, the high-resolution DEM and DSM (1m) of Saxony are to be used.
 
Tasks:
  • Literature research: radiation models for small-scale terrain, preliminary work on radiation inputs to vineyards.
  • Data acquisition: DSM and DEM Saxony, land use maps, selection of study area, necessary climate input data from the region, selection of radiation model 
  • Simulation of an average and extreme annual cycle of solar irradiance in the study area
  • Discussion of the results, assignment to specific indices for the determination of wine variety and quality and potentials for the transfer to other vineyard locations
 

Betreuer/Supervisors:
Dr. Valeri Goldberg [valeri.goldberg@tu-dresden.de]

PD Dr. Barbara Köstner 

 

 

Einfluss der Moosschicht auf das Mikroklima in Bergwiesen

Moss layer impacts on the microclimate in mountain meadows

Studiengang: Hydrowissenschaften, Geographie, RE-NRM, HSE
Beginn: sofort

Zielsetzung:

Dieses Thema ist Teil eines Projekts, das sich mit der Frage beschäftigt, inwieweit die funktionelle Vegetationszusammensetzung das Mikroklima innerhalb von Wiesen modifizieren und es damit besonders bei Extremereignissen (Hitze und Trockenheit) stabilisieren kann. Umgekehrt untersuchen wir auch, inwieweit sich Änderungen im Mikroklima auf die Vegetation auswirken. Es finden meteorologische
Untersuchungen statt, deren Daten für die Auswertung mit zur Verfügung stehen. Moose können eine mehrere Zentimeter mächtige und sehr dichte Schicht am Boden bilden und dadurch Wachstum und Keimung höherer Wiesenpflanzen behindern. Zudem zeichnen sich Moose durch ihre Fähigkeit aus, einerseits lange Trockenperioden zu überdauern und andererseits auch viel Wasser zu speichern. In unseren Untersuchungsflächen werden die Wiesen regelmäßig gestriegelt, was unter anderem der Entfernung des Moos- und Streufilzes dient. Die Flächen zeichnen sich dadurch durch große Unterschiede in der Moosschicht aus. Unter Berücksichtigung topografischer Gegebenheiten
(Hangneigung/Exposition) soll durch ein Manipulationsexperiment (Entfernung des Mooses) der Einfluss der Moosschicht auf das Mikroklima innerhalb der Wiese untersucht werden.

 

Aufgaben:
Entlang eines Heatload-Gradienten sollen Plots ausgewählt und untersucht werden. Es soll jeweils ein Subplot manipuliert werden während ein weiterer als Kontrolle dient. In den Kontrollen entwickeln Sie eine Meßmethode, das Moosvorkommen in Form von kontinuierlichen Variablen zu erfassen. Wir haben die Möglichkeit, dauerhaft Sensoren für die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit von Luft und Boden zu platzieren. Als ein weiteres Standbein ist sinnvoll, auch die Reaktion der Vegetation aufzuzeichnen, wobei wir hier den Umfang flexibel anpassen können. Außerdem ist auch die Verbreitung der Moosschicht entlang des Heatload-Gradienten interessant. Es ist möglich, diese Fragestellungen mit einer/m weiteren Master-StudentIn komplementär zu bearbeiten.

Hinweis: Die Arbeit kann auch in englischer Sprache abgefasst werden. (The Thesis can be written in English)

Sie werden in den Flächen in enger Zusammenarbeit mit anderen Projektmitarbeitenden arbeiten, die Daten jedoch selbständig erheben. Ein eigenes Fahrzeug ist vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. Eine Vorbesprechung ist jederzeit möglich. Eine verbindliche Zusage wird bis spätestens Ende Februar, früher März 2022 benötigt.

Betreuerin/ Ansprechpartnerin:
Dr. Sabine Haenel [haenel@htw-dresden.de]

Stefanie Fischer [stefanie.fischer@tu-dresden.de]

 

Nichtlokale Einflüsse auf Eddy-Kovarianz-Messungen von CO2-Flüssen über einem Binnengewässer

Eng.: Non-local Impacts on Eddy-Covariance Air–Lake CO2 Fluxes

Studiengänge: Hydrowissenschaften, Geographie, RE-NRM, HSE
Beginn: sofort

Zielsetzung:

 

Binnengewässer bilden die größte natürliche Kohlenstoffquelle für die Atmosphäre. Um diesen Beitrag zum atmosphärischen 
Kohlenstoffkreislauf zu untersuchen, werden Eddy-Kovarianz-Flussmessungen an Seestandorten immer häufiger durchgeführt. 
Für ausschließlich lokale Prozesse von der Oberfläche (See) wird die Eddy-Kovarianz-Methode abgeleitet. 
Nicht-lokale Prozesse, wie z. B. Entrainment oder Advektion, würden fehlerhafte Beiträge zu den Werten des 
Eddy-Kovarianz-Flusses hinzufügen. Hier verwenden wir Eddy-Kovarianz-Messungen von Kohlendioxid von der 
Talsperre Bautzen.

Arbeitsschritte:
  • Literaturstudium
  • Einarbeitung in die Analyse von Zeitreihen atmosphärischer Turbulenz (mit R oder ähnlicher Skriptsprache)
  • Statistische Auswertung
  • Schlussfolgerungen im Hinblick auf mögliche Fehler bei den Eddy-Kovarianz-Messungen
Betreuer/Ansprechpartner:
Prof. Matthias Mauder [matthias.mauder@tu-dresden.de]
Dr. Uwe Spank [uwe.spank@tu-dresden.de]

 

In progress (Evaluation of a model for boundary layer evolution using backscatter lidar data over a semi-arid forest in Israel)

De: Evaluierung eines Modells für die Grenzschichtentwicklung anhand von Backscatter-Lidar Daten über einem semi-ariden Wald in Israel 

Studiengänge: Hydrowissenschaften, Geographie, RE-NRM, HSE
Beginn: sofort

Zielsetzung:

Afforestations in semi-arid regions have the potential to sequester carbon in areas currently not used for agriculture. To prevent overheating,
they have to apply cooling strategies that do not rely on the transpiration of water. One of these strategies is the so-called canopy convector 
effect, which transfers the excess energy in form of sensible heat by turbulent transport. This, in turn will enhance the growth of the 
boundary layer height. This develepment can be modelled based on station measurements and nearby radiosoundings. However, these models
require the assumption of homogeneous land cover, which is not fulfilled for such isolated afforestations as Yatir forest in Israel. The objective
is an evaluation of a boundary-layer growth model based on measurements of the boundary layer structure using a backscatter lidar/ceilometer.
Data for this project will be provided by the Weizmann Institute of Science, Rehovot, Israel.

Tasks:
  • Literature study
  • Familiarisation with the analysis of time series of atmospheric turbulence (with R or similar scripting language)
  • Statistical evaluation
  • Conclusions with regard to possible errors/limitations in models for boundary layer height and eddy-covariance measurements
Advisor/Contact person:
Prof. Matthias Mauder [matthias.mauder@tu-dresden.de]

 

 

 

 

Eignung von ERA5 Reanalysedaten zur Modellierung Dispersiver Flüsse und Energiebilanzschließung in Eddy Kovarianz Messungen

Eng.: Suitability of ERA5 reanalysis data for modeling dispersive fluxes and closing the energy balance in eddy covariance measurements

Studiengänge: Hydrowissenschaften, HSE
Beginn: sofort

Zielsetzung:

Die Eddy Kovarianz Methode wird weltweit zur Quantifizierung der Flüsse von Energie, Wasserdampf und Treibhausgasen zwischen Ökosystemen und Atmosphäre verwendet. Eine systematische Lücke in der Energiebilanz weist jedoch auf eine Unterschätzung dieser Flüsse durch Eddy Kovarianz Messungen hin. Als einer der Hauptgründe hierfür wurde der Transport durch mesoskalige Sekundärzirkulationen identifiziert, der an einzelnen Stationen definitionsgemäß nicht mit der Eddy Kovarianz Methode erfasst werden kann. Ein neues Modell des sogenannten dispersiven Flusses, der den Transport durch Sekundärzirkulationen beschreibt, kann unter Verwendung von ERA5 Reanalysedaten zur Korrektur der atmosphärischen Flüsse von fühlbarer und latenter Wärme an nahezu allen Eddy Kovarianz Stationen weltweit verwendet werden. Damit wurden bereits Messungen an 16 Eddy Kovarianz Stationen der CHEESEHEAD19 Messkampagne in Wisconsin, USA, korrigiert.

Im Rahmen der CHEESEHEAD19 Messkampagne wurden eine Vielzahl zusätzlicher meteorologischer Messungen durchgeführt. Diese sollen in dieser Masterarbeit verwendet werden, um zu untersuchen, wie gut sich die ERA5 Reanalysedaten an zur Modellierung der dispersiven Flüsse eignen. Hierzu sollen die ERA5 Reanalysedaten mit den CHEESEHEAD19 Messungen verglichen werden. Außerdem können die CHEESEHEAD19 Messungen anstelle der ERA5 Reanalyse für die Modellierung der dispersiven Flüsse verwendet werden. Die daraus resultierenden dispersiven Flüsse sollen mit den Modellergebnissen basierend auf ERA5 Reanalysedaten verglichen werden.

Schritte:

  • Literaturstudium
  • Aufbereitung der CHEESEHEAD19 Messungen*
  • Anwendung des bereits entwickelten Modells zur Vorhersage dispersiver Flüsse*
  • statistische Auswertung*
  • Diskussion der Ergebnisse, Schlussfolgerungen zur Eignung von ERA5 Reanalysedaten mit Hinblick auf mögliche Fehlerquellen und Einschränkungen
    *mit R oder ähnlicher Skriptsprache

Sprache: Englisch oder Deutsch

Betreuerin/Ansprechpartnerin:

Luise Wanner [luise.wanner@tu-dresden.de]