PDF (18,7 MB) - Institut für Meteorologie und Klimatologie an der ...

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Referent: PD Dr. Siegfried Raasch Korreferent: Prof. Dr. Günter Groß Tag der Promotion: 12. Juni 2006 ii
Kurzfassung Innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht zeichnen sich turbulente Strukturen nahezu für den gesamten Wärme- und Impulstransport verantwortlich. In numerischen Wettervorhersagemodellen wird eine horizontale Auflösung von mehreren Kilometern verwendet, wodurch kleinräumige Turbulenzelemente in der Größenordnung von einigen hundert Metern (Mikroturbulenz) nicht explizit aufgelöst werden können. Stattdessen wird eine Parametrisierung verwendet, welche den Transport durch turbulente Strukturen auf mittlere Größen zurückführt. Aufgrund dieses Zusammenhangs ist die Güte der Turbulenzparametrisierung eine kritische Größe für die Qualität der Wettervorhersage. In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass thermische Inhomogenitäten der Landoberfläche zu Zirkulationen führen können, die der kleinräumigen Turbulenz übergeordnet sind. Es wurde festgestellt, dass diese Zirkulationen einen Einfluss auf die Turbulenzcharakteristika innerhalb der Grenzschicht und damit auch auf den Wärme- und Impulstransport haben können. Herkömmliche Parametrisierungen berücksichtigen diese Effekte jedoch nicht, sondern setzen ein homogenes Spektrum der Turbulenz voraus. Numerische Untersuchungen zum Einfluß von Inhomogenitäten auf die Grenzschicht gaben erste Einschätzungen, ob und wie eine Anpassung der Turbulenzparametrisierungen durchgeführt werden sollte. Dabei bezogen sich diese Studien bislang auf idealisierte Zustände der Landoberfläche (streifen- und schachbrettartige Anordnung der Heterogenitäten), des Modellantriebs und der Grenzschicht. Weiterhin wies der dort untersuchte Parameterraum der Inhomogenitätseigenschaften große Lücken auf. Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit erfolgt daher eine deutliche Erweiterung dieser numerischen Untersuchungen. Mit Hilfe der erhaltenen Ergebnisse werden die teilweise konträren Deutungen des Inhomogenitätseinflusses zu einer einheitlichen Theorie zusammengeführt. Im Hauptteil der Arbeit wird darüber hinaus ein neuer realitätsnaher Ansatz verfolgt. Im Grobstruktursimulationsmodel PALM werden die vielfältigen Datensätze aus dem Feldexperiment LITFASS-2003 einerseits für einen realistischen Modellantrieb und andererseits für einen Vergleich mit den Ergebnissen des LES-Modells verwendet. Durch Ensemble-Mittelungen von zeitlich gemittelten, dreidimensionalen Modelldaten wird erstmalig die Struktur von thermisch induzierten Zirkulationen über realen heterogenen Landoberflächen sowie die daraus resultierenden Wärmeflüsse ermittelt. Entgegen der bisher veröffentlichten Ergebnisse sind die horizontal gemittelten heterogenitätsinduzierten Wärmeflüsse unter den realen Bedingungen des LITFASS-2003 Experimentes tageszeitabhängig und gegenüber dem durch die zufällig verteilten Turbulenzelemente verursachten Wärmefluss relativ klein. Dennoch zeigt sich im Vergleich zu den LES-Daten, dass räumlich begrenzte in-situ Messungen der Wärmeflüsse häufig kein repräsentatives Ergebnis für den mittleren Zustand der Grenzschicht liefern. Anders als in vielen idealisierten Studien ist nur in Ausnahmefällen eine Änderung der mittleren Wärmeflussprofile zu beobachten. Daher existiert kein signifikanter globaler Effekt der Zirkulationen auf die turbulenten Wärmeflüsse, wodurch eine Anpassung der bestehenden Turbulenzparametrisierungen nicht zwingend erforderlich ist. Schlagworte: Thermische Heterogenität, mesoskalige Zirkulation, Large-Eddy Simulation iii
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Seite 21 und 22: 2 Das LES-Modell PALM 15 werden. De
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Seite 33 und 34: 3 Die CBL über homogenem und ideal
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5 Simulationen zum LITFASS-2003 Exp
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Literaturverzeichnis 155 Engelbart,
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Literaturverzeichnis 157 Kim, H.-J.
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Danksagung An dieser Stelle möchte
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