Charakterisierung der synoptischen Situation während der ...

2.2 Organisierte Grenzschichtkonvektion 13
Grenzschichtkonvektion ist maßgeblich für den Transport von Impuls, Feuchte und Wärme
im oberen Bereich der Grenzschicht. Im aufwärts gerichteten Zweig von Grenzschichtrollen
dominiert der Transport von Feuchte und rollensenkrechten Impuls, während
im Subsidenzzweig Wärme und rollenparalleler Horizontalimpuls transportiert
wird. Dadurch erfolgt eine Abnahme des vertikalen Gradienten dieser Größen (Brümmer
(1985)).
Modellierungsergebnisse bestätigen die Tendenz zur Bildung von Grenzschichtrollen bei
organisierter Grenzschichtkonvektion. Sie zeigen, dass sich eine Sekundärzirkulation mit
kleiner Wellenzahl ausbildet. Vorraussetzung dafür ist thermische Instabilität oder Wendepunktsinstabilität
3 . Diese Sekundärzirkulation ist dominierend gegenüber der statistischen
Turbulenz. Dies hat eine effektive Durchmischung der Grenzschicht zur Folge.
Weiterhin wird gezeigt, dass die Energetik der thermischen Instabilität die der mechanischen
um eine Größenordnung übertrifft. Das heißt, dass die durch Wendepunktsinstabilität
verursachte Windscherung nur bei neutraler Schichtung für die Ausbildung
von Grenzschichtrollen verantwortlich ist. Weiterhin wurde gezeigt, dass bei starker
vertikaler Windscherung bevorzugt Rollenkonvektion auftritt, während bei schwächerer
Windscherung auch zelluläre Muster auftreten können. Experimentelle Untersuchungen
(Bakan u. a. (1988)) bestätigten theoretische Erkenntnisse, wonach das Verhältnis zwischen
Rollendurchmesser und Grenzschichthöhe etwa 3 beträgt. Die dort untersuchten
Wolkenstraßen traten während einer Phase von Warmluftadvektion auf. Die Schichtung
am Boden war instabil (Temperaturdifferenz Wasser-Luft 0.5-1 K) und die Windgeschwindigkeit
lag immer bei über 15 m s −1 (Bakan u. a. (1988)).
Offene Zellkonvektion (open cell convection) bezeichnet eine ringförmig angeordnete
Wolkenstruktur, in deren Inneren sich ein wolkenfreies Gebiet befindet. Solche Gebiete
treten häufig in kalter Luftmasse auf, die auf der Rückseite von Zyklonen über den
Ozean bis in mittlere Breiten transportiert wird. Offene Zellkonvektion kann auch im
Anschluss einer Grenzschichtrollenentwicklung beobachtet werden. Der charakteristi-
Abbildung 2.10: Struktur der Sekundärzirkulation in Grenzschichtrollen (Hasse (1984))
3 d.h. dass das vertikale Windprofil u(z) einen Wendepunkt im mathematischen Sinne besitzt und
somit eine bestimmte Krümmung aufweist. Die damit verbundene Windscherung führt zur Instabilität.