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Diplomarbeit
Integral Turbulence Characteristics and Their Parameterisations
Christoph Thomas (06/2001-11/2001)
Betreuer: Thomas Foken
Die vorliegende Arbeit bietet eine Neubewertung bekannter Parametrisierungen der integralen
Turbulenzcharakteristiken für die Vertikal- und Horizontalwindgeschwindigkeit und die
Temperatur in der bodennahen Grenzschicht. Basierend auf den Ergebnissen der Neubewertung
werden Empfehlungen für praktische Anwendungen gegeben, die einen neu abgeleiteten
Parameter enthalten. Integrale Turbulenzcharakteristiken haben eine große Bedeutung für
zahlreiche Anwendungen in der Meteorologie, so z.B. für die Modellierung von
Luftschadstoffausbreitung oder die Qualitätsbewertung von Turbulenzdaten.
Die Datengrundlage für die durchgeführte Neubewertung der Parametrisierungen lieferten 5
Turbulenzdatensätze von verschiedenen Experimenten, die über homogenem oder nur leicht
heterogenem Gelände durchgeführt worden sind. Die Experimente decken dabei einen Bereich
von 52° N bis 70° S ab. Die verwendeten Parametrisierungen enthalten Abhängigkeiten sowohl
von lokalen Einflussgrößen wie der atmosphärischen Stabilität und Geländeeigenschaften, als
auch nicht lokaler Einflussfaktoren wie der geographischen Breite und der
Mischungsschichthöhe.
Bei neutraler und leicht stabiler Schichtung zeigen die integralen Turbulenzcharakteristiken des
Vertikal- und des Horizontalwindes eine deutliche Abhängigkeit von der geographischen Breite.
Die besten Ergebnisse liefert eine Parametrisierung, die den Parameter z+
.f/u* enthält, der aus der
Rossbyzahl-Ähnlichkeitsthoerie abgeleitet ist. Bei labiler Schichtung skalieren die integralen
Charakteristiken der Windvektoren mit der atmosphärischen Stabilität, die mit Hilfe der aus der
Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie abgeleiteten dimensionslosen Höhe ζ ausgedrückt wird.
Die integralen Turbulenzcharakteristiken der Temperatur zeigen unabhängig von der Schichtung
eine deutliche Abhängigkeit von der atmosphärischen Stabilität. Daraus folgt, dass sowohl
lokale, als auch nicht lokale Parameter einen Einfluss auf das turbulente Wind- und
Temperaturfeld haben.
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