Forschung im HLRN-Verbund 2011

82Turbulenz in der WettervorhersageHochauflösende Grobstruktursimulationen atmosphärischer GrenzschichtturbulenzR. Heinze, S. Raasch, Institut für Meteorologieund Klimatologie, Leibniz Universität HannoverKurzgefasst• Atmosphärische Strömungen in Bodennähe sindin der Regel turbulent.• In der Wettervorhersage muss diese Turbulenzüber vereinfachte Modelle berücksichtigt werden,die immer noch eine der wesentlichen Schwachstellender Vorhersage sind.• Die Weiterentwicklung dieser Turbulenzmodelleerfordert ein besseres Verständnis der Turbulenzeffekte,die durch Messungen nur sehrschwer zugänglich sind.• Turbulenzeffekte können aber auch mit sehrhochauflösenden Simulationsmodellen untersuchtwerden.• Solche Turbulenzsimulationen sind sehr rechenintensivund erfordern den gleichzeitigen Einsatzvon mehreren tausend Prozessoren.Die Atmosphäre setzt sich aus mehreren Schichtenzusammen. Die unterste Schicht wird als atmosphärischeGrenzschicht bezeichnet und ist diejenigeSchicht, in der wir leben. Sie hat eine Höhevon 1–2 km und in ihr macht sich der Einfluss desBodens bemerkbar. Im Gegensatz zu den anderenSchichten der Atmosphäre, zeichnet sich dieGrenzschicht durch das Vorhandensein von Turbulenzaus. Unter Turbulenz versteht man mehroder weniger zufällige, sowohl räumliche als auchzeitliche Schwankungen des Windes, der Temperaturund weiterer Größen, die für den Menschenbeispielsweise als Böen spürbar sind. Allgemeinwird Turbulenz als Überlagerung von Wirbeln unterschiedlichsterGröße, von Millimetern bis zu einigenhundert Metern, beschrieben. Durch Turbulenzwerden u.a. Impuls, Wärme und Feuchte vomErdboden aus in die Atmosphäre transportiert. Somitstellt die Turbulenz einen wesentlichen Antriebfür das Wettergeschehen dar. Am Oberrandder Grenzschicht bilden sich in der Regel Wolkenaus. Diese Wolken sind im Vergleich zu Wolkenhöherer Schichten relativ flach und produzierenselten Niederschlag. Man unterscheidet zwei Arten.Zum einen können sich kleine, haufenförmigeWolken, die sog. Kumuluswolken ausbilden. Zumanderen kommt eher schichtartige Bewölkung vor,in der aber noch haufenförmige Strukturen zu erkennensind. Diese Wolkenart bezeichnet man alsStratokumulus.Das Wettergeschehen wird mittels Wettervorhersagemodellen,die natürlich auch die atmosphärischeGrenzschicht umfassen, vorausberechnet.Die Vorhersagen werden nur für diskrete Punktim Raum gemacht, die Abstände (Gitterweiten) voneinigen Kilometern aufweisen. Da aber die einzelnenWirbel, die Turbulenz ausmachen, wesentlichkleiner als die Gitterweiten sind, können sie nichtvom Wettermodell selber berechnet werden. Aberdie Wirkung der Turbulenz muss in der Wettervorhersagedennoch berücksichtigt werden, weil ohnesie ein physikalischer Prozess fehlen würde unddieses zu schlechten Vorhersagen führen würde.Die Berücksichtigung geschieht durch Verwendungvon sog. Turbulenzmodellen, die auf der statistischenBeschreibung von Turbulenz beruhen. Indiesen Modellen wird die Turbulenz parametrisiert,d.h. aus geeigneten Annahmen heraus mit Hilfeder Modellgrößen berechnet.In unserem Projekt, das in Zusammenarbeit mitdem Deutschen Wetterdienst durchgeführt wird,geht es darum, die Turbulenz und ihre statistischenEigenschaften im Hinblick auf diese Turbulenzparametrisierungenzu untersuchen und damit dieWettervorhersage zu verbessern. Dazu verwendenwir ein Modell, welches die Turbulenz auflöst, d.h.direkt berechnet und nicht nur ihre Wirkung modelliert,wie es in der Wettervorhersage notwendigist. Daher setzen wir ein sog. Grobstruktursimulatationsmodell(englisch: large-eddy simulation,LES) ein, in dem Gitterweiten von einigenMetern benutzt werden. Damit können zwar diekleinsten Turbulenzelemente von einigen Millimeternimmer noch nicht explizit berechnet werden.Dies stellt aber kein Problem dar, weil die kleinenWirbel auch nur einen geringen Anteil am Transporthaben. Letztendlich kann mit der LES eine turbulenteStrömung simuliert werden und damit aucheine Untersuchung der Turbulenz stattfinden.Das LES Modell, welches für unsere Untersuchungenzum Einsatz kommt, ist das PArallelisierteLES Modell PALM [1]. Es wird stetig am Institut fürMeteorologie und Klimatologie weiter entwickelt [2]und ist für den Einsatz auf Großrechnern optimiert.Im Grunde beruhen die Turbulenzmodelle in denWetter- und auch in den Klimamodellen auf denBilanzen von statistischen Momenten. StatistischeMomente der Turbulenz sind u.a. Varianzen dereinzelnen Modellvariablen, wie zum Beispiel diequadratische Temperaturfluktuation. Für diese Momentewerden Gleichungen aufgestellt, welche diezeitliche Entwicklung der Momente beschreiben.Bei der Bilanzanalyse werden die einzelnen Ter-Geowissenschaften