(NTH) Bericht 2011–2012 - TU Clausthal

Die Untersuchung von Austauschprozessen an der
Obergrenze der atmosphärischen Grenzschicht
Noch vor 50 Jahren wussten wir über physikalische
Prozesse, die in den unteren tausend Metern
der Atmosphäre stattfi nden, viel weniger als über
den inneren Aufbau eines Atoms. Dabei sind die
Prozesse in der sogenannten atmosphärischen
Grenzschicht von entscheidender Bedeutung
für das Wetter- und Klimageschehen. Die Luftströmung
ist in diesem Bereich in der Regel turbulent.
Durch die Reibung der Luftströmung an
der Erdoberfl äche sowie durch Auftriebskräfte als
Folge der Erwärmung der Erdoberfl äche durch die
Sonneneinstrahlung werden Luftwirbel mit Durchmessern
von bis zu einem Kilometer erzeugt, die
aufgrund von Instabilitätsmechanismen in immer
kleinere Wirbel zerfallen. Diese Turbulenz spürt
Konvektive Grenzschicht mit Kumulus-Bewölkung
(“Schönwetterwolken”).
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man als Böigkeit der Luftströmung. Die turbulenten
Wirbel sorgen unter anderem für den Transport
der bodennah erwärmten und durch Verdunstung
angefeuchteten Luft in größere Höhen. Die
zeitliche Änderung von Temperatur und Feuchte
hängen wesentlich von der Stärke dieser turbulenten
Transporte ab. Turbulenz ist deshalb ein
entscheidender Faktor für die Wetter- und Klimavorhersage.
Turbulenz kann in den entsprechenden
Vorhersagemodellen aufgrund ihrer kleinen
räumlichen Abmessungen aber nicht direkt simuliert
werden und muss durch empirische Ansätze
beschrieben werden, die teilweise noch erhebliche
Ungenauigkeiten aufweisen.
Auch wenn sich unser Wissensstand über atmosphärische
Turbulenz in den letzten Jahrzehnten
insbesondere durch bodengestützte Messungen
kontinuierlich verbessert hat, liegen die Prozesse
an der Obergrenze der Grenzschicht immer
noch weitgehend im Dunkeln. Diese Obergrenze
ist insbesondere an schönen Tagen mit kräftiger
Sonneneinstrahlung durch fl ache, nach oben hin
deutlich begrenzte Kumulusbewölkung erkennbar.
Die von der Erdoberfl äche her erwärmte Luft kann
dort nicht weiter aufsteigen, weil sich oberhalb
der Grenzschicht noch wärmere Luft befi ndet, die
einen weiteren Aufstieg verhindert. Aufsteigende
Warmluftblasen dringen aufgrund ihrer Trägheit
in diesen Bereich ein, sinken dann aber im Weiteren
wieder nach unten. Dadurch wird ein Teil der
über der Grenzschicht liegenden sehr warmen Luft
mitgerissen und trägt zur Erwärmung der Grenzschicht
bei. Wovon die Stärke dieses, als turbulentes
Entrainment bezeichneten Prozesses abhängt,
ist noch wenig bekannt, denn hinreichend genaue