mar400 - Schwerpunktfach Physik/Modellierung (Vollständige Modulbeschreibung)

BKMU

Vermittlung von vertieften Kenntnissen (i) in der physikalischen Ozeanographie einschließlich ihrer numerischen Behandlung in Klimamodellen sowie regionaler Besonderheiten von Küsten und Schelfmeeren, (ii) in der theoretischen Ökologie sowie (iii) Vermittlung grundlegender methodischer Herangehensweisen und die Analyse der Dynamik von Umweltsystemen in Modellen und Beobachtungsdaten. Durch zusätzliche Übungen und das Modellierungspraktikum können die Studierenden einfache Umwelt-Modelle unterschiedlicher Komplexität erarbeiten und auf dem Computer implementieren. Sie können diese Modelle mit gemessenen Daten vergleichen und aus diesem Vergleich eine Parametrisierung erstellen. Darüber hinaus können sie gezielte Simulationsexperimente entwerfen, um spezifische Fragestellungen zur Umweltdynamik zu untersuchen. Sie haben gelernt, ihre Ergebnisse in einer wissenschaftlichen Darstellung zusammenzufassen, darstellen und zu diskutieren.

VL Modelle in der Populationsdynamik
Modellierung von Wachstumsprozessen, Räuber-Beute-Beziehungen, Konkurrenz, Analyse der zeitlichen Dynamik der Populationen, alters- und stadienstrukturierte Modelle (Matrixmodelle), Populationen mit räumlicher Migration (Metapopulationsmodelle), stochastische Populationsdynamik, adaptive Modelle

Ü Modelle in der Populationsdynamik
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

VL Theorie ökologischer Gemeinschaften
Vermittlung der grundlegenden theoretischen Modelle für Artenreichtum. Inhalt: Populationsökologie vs. Gemeinschaftsökologie, Statistische Maße der Biodiversität, Rang-Abundanz Kurven, Konkurrenzmodelle: Lotka-Volterra Model vs. ressourcenbasierte Konkurrenz, Konkurrenz auf zwei Ressourcen, ökologische Nische, Mechanismen der Koexistenz, limitierende Ähnlichkeit, Konkurrenz auf einem Nischengradient, MacArthur-Levin-May Modell, Levins Modell und Kolonisierung-Konkurrenz
Trade-off, Diversität-Stabilitäts Debatte, Inselbiogeographie und neutrale Theorie der Biodiversität.

Ü Theorie ökologischer Gemeinschaften
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

SE Theoretische Ozeanographie:
Vertiefung der theoretischen Grundlagen der hydrody-namischen Grundgleichungen in der Ozeanographie, Kontinuumshypothese, Erhaltungsgesetze, Bilanz-gleichungen für Impuls, Temperatur, Salzgehalt, Druck und Dichte. Methoden der Störungsrechnung am Beispiel von Wellen. Schall-, Kapillar- und Oberflächenschwerewellen, sowie Wellen die durch die Rotation der Erde geprägt sind (Rossby- und Kelvinwellen). Geostrophische Strömungen und Satellitenmessungen. Reibungs- und Vermischungs-prozesse. Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean (Impuls, Wärme, Frischwasser). Ausgewählte Themen der theoretischen Ozeanographie.

VL Meeresphysik
Geostrophie, Winderzeugte Strömungen, Aufbau und Wassermassen der Ozeane, Wellen, Gezeiten. Experimentelle Methoden für in-situ Messungen und Fernerkundung

Ü Meeresphysik
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

VL Zeitreihenanalyse
Charakteristika eines stochastischen Prozesses und deren Schätzer, Komponentenmodell, Trendbereinigung, spektrale Methoden, Filterung, lineare Prozesse, nichtlineare Prozesse, Einbettungsverfahren, Dimensionen, Lyapunovexponent, symbolische Dynamik, nichtlineare Rauschreduktion.

Ü Zeitreihenanalyse
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

VL Stochastische Prozesse und ihre Anwendungen in der Modellierung
Elementare Konzepte der Wahrscheinlichkeitsrechnung, Charakterisierung stochastischer Prozesse in Zeit- und Frequenzbereich, Wiener-Khinchin Theorem, Farbe des Rauschens, Markov-Prozess, Chapman-Kolmogorov Glg.,
Master Glg., Fokker-Planck Glg., Langevin Glg. mit additivem und multiplikativem Rauschen, Randbedingungen und asymptotische Lösungen, Anwendungen: Zufallsbewegung, neuronale Dynamik, stochastische Populationsdynamik

Ü Stochastische Prozesse und ihre Anwendungen in der Modellierung
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

VL Statistische Ökologie
Schätzung von Populationsanteilen, Capture-Recapture Experimente, Transekt- und Abstandsverfahren, Versuchsplanung, Erfassung von Arten, Diversitätsindizes

Ü Statistische Ökologie
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

VL Theorie dynamischer Systeme
Einführung in die Nichtlineare Dynamik: Langzeitdynamik (Gleichgewichte, Periodizität und Chaos), Charakteristika der Dynamik (Autokorrelation, Lyapunov-Exponenten, Dimensionen), Instabilitäten und dynamische Übergänge (Regimeshifts, Resilienz), zeitliche Strukturbildung, Anwendungen auf Probleme aus Physik, Chemie und Biologie; Spezielle Probleme der Nichtlinearen Dynamik

Ü Theorie dynamischer Systeme
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

PR Modellierungspraktikum
Praktische Übung in der Erstellung von Modellen, deren Parametrisierung und Simulation sowie Analyse von Beobachtungsdaten; wird in jedem Semester von einer der Modellierungs-AGs angeboten, so dass die Studierenden zwischen unterschiedlichen Themen wählen können.

VL Klimadynamik
Theoretische Grundlagen der Klimadynamik und grundlegender Gleichungen der Klimasysteme, inklusive Atmosphäre und Ozean; Strahlungsbilanzen und Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean; mittlere Zustände von Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre; Energie im klimatischen System und in Wasserzyklen; Klimatische Modelle und zeitliche Klimaschwankungen auf der Skala von Monaten bis Jahrtausenden (NAO und ENSO); Vorhersagbarkeit des klimatischen Systems

VL Küstenozeanographie
Zirkulation im Schelfmeer und Küstenbereich; Hydrodynamik von Tideströmungen, Küstenwellen, windgetriebenen Transporten und die thermohaline Zirkulation (inkl. Suspensions-strömungen); Grundlagen von Küsten- und Bodengrenzschichten, ozeanischen Fronten und Wasseraustausch; Zirkulation in Ästuarien, Wattenmeer, Wasserstraßen, fast geschlossene Meeren und Schelfmeeren;Theoretische Anwendungen zum Austausch von Materie zwischen Land und Ozean.

VL Klimamodelle: Theorie & Praxis:
Einführung in die Bedienung komplexerer Klimamodelle.
Vermittlung der mathematischen und physikalischen Grundlagen zum Verständnis der modellierten Prozesse und deren Implementierung in die Modelle. Erstellen von einfacheren Testfällen in den Teilsystemen Ozean und Atmosphäre, sowie Testfälle des gekoppelten Systems Ozean-Atmosphäre. Auswertung und Aufbereitung der Modellergebnisse.

Ü Klimamodelle: Theorie & Praxis:
Vertiefung der Inhalte der zugehörigen VL sowie praktische Übungen

SE Kritische Zustände im System Erde
Es werden aktuelle Originalarbeiten zu unterschiedlichen Themen der Umweltmodellierung, insbesondere im Hinblick auf Instabilitäten, vorgestellt und diskutiert, wie z.B. abrupte Klimaänderungen, Stabilität der Ozeanzirkulation, Regimeshifts, Resilienz von Ökosystemen

SE S

Wird in der Veranstaltung bekannt gegeben.

24 KP | VL; Ü; SE; PR | 2. und 3. FS | Feudel

2 benotete Prüfungsleistungen:

1) Eine mündliche Prüfung im Umfang von 30 Minuten durch zwei in dem Schwerpunktfach prüfungsberechtigte Lehrende, die nicht die benotete Prüfungsleistung nach 2) bewertet haben. Mindestens einer der Prüfungsberechtigten muss ein habilitierter Lehrender sein. Für die mündliche Prüfung ist die vollständige Belegung der notwendigen Lehrveranstaltungen nachzuweisen.

2) Referat, Hausarbeit, Klausur, fachpraktische Übung nach Maßgabe der Lehrenden in einem Gebiet bzw. einer Veranstaltung, die nicht Gegenstand der mündlichen Prüfung ist. Die Festlegung der Prüfungsleistung erfolgt mit den Lehrenden zu Beginn der Lehrveranstaltung, in deren Rahmen sie erbracht wird.

Unbenotete Prüfungsleistungen:
Klausur, Referat, Hausarbeit, fachpraktische Übung, Seminararbeit, Praktikumsbericht, Portfolio oder Präsentation nach Maßgabe der Lehrenden, die mindestens bestanden sein müssen. Dabei darf pro Veranstaltung höchstens eine unbenotete Prüfungsleistung verlangt werden.

Aktive Teilnahme umfasst z.B. die regelmäßige Abgabe von Übungen, Anfertigung von Lösungen zu Übungsaufgaben, die Protokollierung der jeweils durchgeführten Versuche bzw. der praktischen Arbeiten, die Diskussion von Seminarbeiträgen oder Darstellungen von Aufgaben bzw. Inhalten in der Lehrveranstaltung in Form von Kurzberichten oder Kurzreferat. Die Festlegung hierzu erfolgt mit dem Lehrenden zu Beginn des Semesters bzw. zu Beginn der Veranstaltung.

Beide Prüfungsleistungen nach 1) und 2) müssen mindestens mit „ausreichend“ benotet werden und werden mit jeweils 50% für die Gesamtnote des Moduls gewichtet.