mar750 - Process and System-oriented Environmental Modelling

keine

Die Studierenden besitzen einen großen Überblick über moderne Methoden der prozess- und systemorientierten Modellierung. Sie sind fähig selbständig Modelle unterschiedlicher Komplexität für umweltrelevante Fragestellungen zu entwerfen und auf dem Computer zu implementieren. Neben Simulationsmethoden beherrschen sie Methoden der Modellanalyse. Sie können sich rasch in neue Fragestellungen im Umweltbereich einarbeiten und Lösungsvorschläge auf der Basis von Modellen erarbeiten. Sie besitzen die Fähigkeit interdisziplinär zu denken und zu handeln und stets ganzheitliche Analysen von Umweltsystemen anzustreben.

Die Studierenden besitzen die Fähigkeit, zeitgemäße Analysemethoden und Simulationsverfahren der modernen Umweltforschung nachzuvollziehen und sind durch Selbststudium der aktuellen Literatur in der Lage, auch neueste Ansätze zu begreifen und einzuordnen.

Die Studierenden besitzen die Fähigkeit, Publikationen der Fachliteratur kritisch zu würdigen, prozess- und systemorientierte Umweltsystemmodelle zu verschiedenen Fragestellungen zu konzipieren und die Resultate von Modellstudien im Rahmen einer speziellen Fragestellung zu interpretieren.

Die Kompetenzen, die man in den einzelnen Veranstaltungen erwirbt, sind separat aufgelistet.

Modelle in der Populationsdynamik (VL+Ü) / Ökosystemmodelle (S) / Theorie ökologischer Gemeinschaften (VL+Ü)
Die Studenten besitzen die Fähigkeit einfache Ökosystemmodelle zu erstellen, zu analysieren und auf dem Computer zu simulieren. Sie beherrschen die Grundprinzipien des Aufbaus von Ökosystemmodellen und können diese auch selbst für einfache Probleme erstellen.

Theorie dynamischer Systeme (VL+Ü) / Kritische Zustände im System Erde (S) / Spezielle Methoden der prozess- und systemorientierten Modellierung
Umweltsystemmodelle zu verschiedensten Fragestellungen zu analysieren und die Resultate der Untersuchungen mit Umweltsystemmodellen auf spezielle Fragestellungen anzuwenden.

Dieses Modul vermittelt ein breites Spektrum von Methoden der prozess- und systemorientierten Modellierung einschließlich deren Anwendung in der Ökologie, der Klimadynamik und der Ozeanografie. Die Studierenden können je nach ihren persönlichen Interessen durch die Wahl bestimmter Veranstaltungen eigene Schwerpunkte im Modellierungsbereich wählen

Modelle in der Populationsdynamik (VL+Ü)
Zeitkontinuierliche und zeitdiskrete Modelle (Räuber-Beute-Wechselwirkungen, Konkurrenz, Nahrungsnetze), altersstrukturierte Modelle, räumlich aufgelöste Modelle, adaptive Modelle, stochastische Populationsmodelle, individuenbasierte Modellierung

Theorie dynamischer Systeme (VL+Ü)
Einführung in die Bifurkationstheorie: zeitliche Strukturbildung, Instabilitäten, Bifurkationen von Gleichgewichten und Zylen; Einführung in die Chaostheorie: Attraktoren, Sattel, deren Charakteristika und Bifurkationen; Charakteristische Beipiele aus der Physik, Chemie und Biologie; Spezielle Probleme der Nichtlinearen Dynamik: Multistabilität, Synchronisation, Steuerung, Einfluss von Rauschen

Klimamodelle: Theorie & Praxis (VL+Ü)
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.

Theorie ökologischer Gemeinschaften(VL+Ü)
Vermittlung der grundlegenden theoretischen Modelle für Artenreichtum: Populationsökologie vs. Gemeinschafts-ökologie, 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 Nischen-gradient, MacArthur-Levin-May Modell, Levins Modell und Kolonisierung-Konkurrenz Trade-off, Diversität-Stabilitäts Debatte, Inselbiogeographie und neutrale Theorie der Biodiversität

Fluiddynamik I (VL)
Grundgleichungen: Navier-Stokes-Gleichung, Kontinuitätsgleichung, Bernoulli-Gleichung; Wirbel- und Energiegleichungen; Laminare Flüsse und Stabilitätsanalyse; exakte Lösungen, Anwendungen.

Fluiddynamik II (VL)
Reynolds-Gleichung, Schließungsproblem und Schließungsansätze, Turbulenzmodelle: Kaskadenmodelle – Stochastische Modelle.

Theoretische Ozeanographie (S)
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

Schelfmeer- und Küstenozeanographie (VL)
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.

Kritische Zustände im System Erde (S)
Diskussion aktueller Originalarbeiten aus der Umweltforschung, die vorrangig auf konzeptionellen Prozess-Modellen basieren (z.B. El Nino, thermohaline Zirkulation, Algenblüten, Wechsel von Wetterlagen, Dansgaard-Oeschger Ereignisse)

Klimadynamik (S)
Vermittlung der theoretischen Grundlagen der Klimadynamik, und die grundlegenden Gleichungen der Klimasysteme, inklusive Atmosphäre und Ozean. Strahlungsbilanzen und Wechselwirkung Atmosphäre-Ozean. Mittlere Zustände von Atmosphäre, Ozean und Kryosphäre. Energie im klimatischen System und Wasserzyklen. Klimatische Moden und zeitliche Klimaschwankungen vom auf der Skala von Monaten bis Jahrtausenden (NAO und ENSO). Vorhersagbarkeit des klimatischen Systems.

Spezielle Methoden der prozess- und systemorientierten Modellierung (VL, Ü, S)
Spezialvorlesung (teilweise mit Übung) oder Seminar mit wechselnden Inhalten, um aktuelle Forschungsgebiete der prozess- und systemorientierten Modellierung darzustellen. Beispielhafte Inhalte: Numerische Methoden in der Ozeanographie, Gekoppelte Systeme, Synchronisation, Strukturbildung in räumlichen Systemen, Partikel in Strömungen, Biogeochemische Stoffkreisläufe

Seminar Komplexe Systeme und Modellierung (S)
Heranführung an aktuelle Themen in der Umweltmodellierung

Ökosystemmodelle (S)
Diskussion aktueller Arbeiten zur Modellierung von Prozessen in der Umwelt. Modellierung von Nahrungsnetzen, spezielle aquatische und terrestrische Ökosysteme, Ausbreitung von Schädlingen, Modellierung von biogeochemischen und ökologischen Netzwerken, Kopplung biologischer und physikalischer Prozesse, Modelle zur Evolution und Anpassung (evolutionäre Spieltheorie, molekulare Evolution, Modellierung qualitativer Parameter z.B. Fressbarkeit), selbstorganisierte Kritizität.

Modelle in der Populationsdynamik
F. Brauer/C. Castillo-Chavez: Mathematical Models in Population Biology and Epidemiology. Springer, 2001
A.D.Bazykin: Nonlinear dynamics of interacting populations. World Scientific, 2000.
H. Caswell: Matrix Population Models. Sinauer 2001.
L. Edelstein-Keshet: Mathematical Models in Biology. Birkhäuser, 1988.
J.D. Murray: Mathematical Biology I und II. Springer, 2001.

Theorie dynamischer Systeme
J. Guckenheimer und P. Holmes: Nonlinear Oscillations, Dynamical Systems, and Bifurcations of Vector Fields, Springer, 1983.
J. Argyris, G. Faust, M. Haase: Die Erforschung des Chaos, Vieweg, 1994.
E. Ott: Chaos in Dynamical Systems. Cambridge, 2002.
P. Schuster: Deterministisches Chaos. Verlag Chemie Weinheim, 1994.

Klimamodelle: Theorie & Praxis
Aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, die in der Veranstaltung bekannt gegeben werden.

Fluiddynamik
D. J. Tritton: Physical fluid dynamics. Clarendon Press, Oxford, 2003
G. K. Batchelor: An introduction to fluid dynamics. Cambridge University Press, Cambridge, 2002
U. Frisch: Turbulence: the legacy of A. N. Kolmogorov. Cambridge University Press, Cambridge, 2001
J. Mathieu, J. Scott: An introduction to turbulent flow. Cambridge University Press, Cambridge, 2000
P.A. Davidson: turbulence Oxford 2004

Kritische Zustände im System Erde
Aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, die in der Veranstaltung bekannt gegeben werden.

Theoretische Ozeanographie
W. Krauss, 1973 Methoden und Ergebnisse der Theoretischen Ozeanographie, Gebr. Borntraeger
J. Pedlosky, 2003, Waves in the Ocean and Atmosphere, Springer

Klimadynamik
Aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, die in der Veranstaltung bekannt gegeben werden.

Spezielle Methoden der prozess- und systemorientierten Modellierung
Aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, die in der Veranstaltung bekannt gegeben werden.

Ökosystemmodelle
Aktuelle Publikationen aus Fachzeitschriften, die in der Veranstaltung bekannt gegeben werden.

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

G