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

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
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