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Muster und Strukturen in Boden-Pflanzen-Atmosphären-Systemen: Erfassung, Modellierung und Datenassimilation

Der Boden, die Vegetation und die untere Atmosphäre sind wichtige Kompartimente des Erdsystems, in dem fast alle menschlichen Aktivitäten stattfinden. Dieser Bereich ist durch komplexe Muster, Strukturen und Prozesse auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen charakterisiert. Während Energie, Wasser und Kohlenstoff kontinuierlich ausgetauscht werden, sind die entsprechenden Flüsse zeitlich und räumlich sehr heterogen und variabel. Deshalb stellt die quantitative Vorhersage des Systemverhaltens eine große Herausforderung dar, besonders im Hinblick auf den globalen Klimawandel.

Traditionell haben sich Geophysik, die Boden- und Pflanzenwissenschaften, die Hydrologie und Meteorologie in ihrer Forschung mit Erfolg auf einzelne Kompartimente konzentriert. Deren Interaktion wirft allerdings noch eine Reihe von Fragen auf, welche in dieser Forschungsinitiative adressiert werden.

Im Vordergrund steht der Einfluss von Mustern und Strukturen in den physikalischen und chemischen Eigenschaften und Flüssen auf das Verhalten des Boden-Vegetations-Atmosphärensystems. Unsere Hypothese ist, dass eine explizite Berücksichtigung von Mustern und Strukturen zu einer verallgemeinerungsfähigen Methode führt, die Verständnis und Vorhersagevermögen des Boden-Vegetations-Atmosphärensystems verbessert. Forschergruppen der Aachener, Bonner und Kölner Universitäten sowie des Forschungszentrums Jülich arbeiten unter diesem neuen Paradigma zusammen.

Wir verbessern das Verständnis über die Mechanismen, die zu den räumlichen und zeitlichen Mustern in den Energie- und Massenflüssen des Boden-Vegetations-Atmosphärensystems führen. Im Gelände werden diese Muster kontinuierlich mit existierenden und neuartigen geophysikalischen and fernerkundlichen Methoden auf lokaler und regionaler Skala gemessen, unter anderem mittels Georadar, induzierter Polarisation, Radiomagnetotellurik, geoelektrischer Tomografie, Scintillometrie, Lidar-Techniken, Mikrowellenradiometrie und polarimetrischen Niederschlagsradaren.

Eine Reihe hochmoderner Methoden zur Simulation und Datenassimilation, die in den verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen entwickelt wurden, werden derzeit evaluiert, verbessert und in das Modellierungskonzept unter dem neuen Paradigma integriert.

 

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