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3 Die CBL über homogenem und idealisiert inhomogenem Untergrund 38
• Abhängigkeit von der Stärke der bodennahen Temperaturgradienten,
• Abhängigkeit von der Komplexität des Heterogenitätsmusters.
Je stärker die Amplitude der aufgeprägten Wärmeflussheterogenität ist, desto stärker
sind auch die daraus resultierenden Temperatur-, Dichte- und Druckgradienten, die letztendlich
für die Ausbildung von mesoskaligen Zirkulationen verantwortlich sind (Avissar
und Schmidt, 1998). Eine große Amplitude ruft jedoch nicht zwangsweise instabile Zirkulationen
und damit eine Oszillation in der TKE hervor. Zusätzlich spielt nämlich die
Orientierung der Druckgradienten eine Rolle, die abhängig vom Muster der aufgeprägten
Wärmeflussheterogenität ist. Existieren Druckgradienten wie bei 1D-Inhomogenitäten
nur in einer Richtung (z.B. in positiver und negativer x-Richtung), so erzeugen die zugehörigen
Druckgradientkräfte bodennah eine organisierte Luftströmung, die sich ebenfalls
nur in jeweils eine Richtung bewegt. Weil in diesen Strömungen kaum Richtungsdivergenzen
auftreten, ist der Beschleunigungsweg der Luft bis zur Konvergenzzone in
diesem Falle viel länger als bei einem komplexeren Strömungsmuster, welches durch 2D-
Inhomogenitäten ausgelöst wird. Dadurch ist auch die sich anschließende Luftmassenkonvergenz
mit der entgegengesetzten Strömung deutlich stärker als im Falle vergleichbarer
2D-Inhomogenitäten, so dass schon bei kleinen Amplituden im 1D-Wärmeflussmuster
eine schnelle Entwicklung starker mesoskaliger Zirkulationen stattfindet. Die kräftige
rollenartige Zirkulationsströmung führt dann in der Folge schneller zu einem Ausgleich
der Temperaturverhältnisse, als durch den inhomogenen Antrieb neue Temperaturabweichungen
hergestellt werden und die Zirkulation schwächt sich ab (Letzel und Raasch,
2003). Im Gegensatz dazu folgt aus der geringeren Konvergenz und des komplexeren
Konvergenzmusters der Luftströmung über 2D-Heterogenitäten eine langsame und kontinuierliche
Entwicklung der mesoskaligen Zirkulation, so dass bereits anfänglich stabile
Zirkulationen entstehen und keine Oszillation auftritt. Nur bei sehr großen Amplituden
tritt auch in diesem Fall eine (schwächere) Oszillation auf 6 .
Der Zusammenhang zwischen dem Komplexitätsgrad der Heterogenität und der Entwicklungsdauer
der Zirkulation lässt sich auch in den Untersuchungen der Grenzschichtstruktur
über den Inhomogenitätsmustern aus Abb. 3.3(b,c) feststellen. Die nur langsam
ansteigende Zeitreihe der TKE in I(10+5(T1),0.1,0.24), I(10+5(T2),0.1,0.24) und
I(5+2.5(T1),0.1,0.24) weist auf eine Entwicklung von zunächst kleinräumiger heterogenitäts-induzierter
Zirkulationen hin (Abb. 3.6): In den vergleichbaren Simulationen
mit einem einfachen Heterogenitätsmuster (Lauf I(10,0.1,0.24) bzw. I(5,0.1,0.24)) entwickelt
sich verglichen mit dem HCR bereits kurz nach Einschalten der Inhomogenität
eine deutlich höhere TKE, die 0.75h bzw. 1.5h nach Einschalten der Inhomogenität vorerst
ihr Maximum erreicht hat. Der weitere Anstieg der TKE in I(10,0.1,0.24) ist durch
die vorgegebene zeitlich konstante Erwärmung der Grenzschicht bedingt und entspricht
dem TKE-Anstieg des HCR, während sich die mesoskalige Zirkulation in I(5,0.1,0.24)
im weiteren Verlauf leicht abschwächt und hier die TKE nur noch geringfügig über dem
Wert des HCR liegt. Dagegen wächst über den komplexeren Inhomogenitätsmustern im
6 Wie später gezeigt wird, kommt es nicht auf eine große Amplitude alleine an, sondern auf einen großen
Wert für A/Q0.