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Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften

Mikrometeorologie - Prof. Christoph Thomas

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Masterarbeit

Investigating the near-surface airflow and its turbulent and submesoscale statistics for the weak-wind regime from field experiments

Anita Freundorfer (11/2016-11/2017)

Betreuer: Christoph Thomas, Ingo Rehberg

Das Verhalten der atmosphärischen Grenzschicht während Schwachwindsituationen ist bisher noch nicht vollständig verstanden. Der Grund dafür sind sogenannte, vor allem bei Schwachwind auftretende, submesoskalige Strukturen. Daher ist es nötig, die typischen Phänomene während Schwachwindsituationen und deren physikalische Mechanismen weiter zu untersuchen. Dazu wurden im Rahmen des ’Advanced Resolution Canopy FLow Observations’ Experiments (ARCFLO) an vier verschiede- nen Standorten in Oregon, USA, Messungen durchgeführt. Diese Standorte umfassen eine große Bandbreite an Komplexität bzgl. des Geländes und an Vegetationsdichten. Die folgende Arbeit konzentriert sich darauf, die Daten der ARCFLO Experimente auszuwerten und die verschiedenen Standorte zu vergleichen. Nach einer Einführung in die typischen Ansätze zur Analyse von Turbulenz in der at- mosphärischen Grenzschicht und einer Beschreibung der Standorte und der Messdaten wird eine Methode entwickelt, um einen objektiven Grenzwert der Windgeschwindigkeit für das Schwachwindregime zu bestimmen. Dazu wird ein Streudiagramm der Schub- spannungsgeschwindigkeit u ∗ in Abhängigkeit von der skalar gemittelten Wind- geschwindigkeit ū scal erzeugt. Anschließend wird eine abschnittsweise definierte lineare Funktion mit zwei Abschnitten an die Daten im Streudiagramm angepasst. Es kann ein Übergangspunkt gefunden werden, wo das mittlere Verhalten der Schubspannungs- geschwindigkeit von nahezu unabhängig von der mittleren Windgeschwindigkeit in eine lineare Abhängigkeit übergeht. Dieser Grenzwert kann an allen vier Standorten identifiziert werden. Die gefundenen Grenzwerte variieren zwischen u thr = 0, 25 ms am unbewaldeten Standort und u thr = 1, 03 ms im dichtesten der untersuchten Wälder. Anschließend wird untersucht, wie der Schwachwindgrenzwert von der Landschaft und der Vegetation beeinflusst wird. Es stellt sich heraus, dass eine dichtere Vegetation zu einer höreren Grenzgeschwindigkeit führt. Es wird die Hypothese getestet, dass während Schwachwindsituationen der Stammraum von der Luftschicht oberhalb der Baumkronen entkoppelt ist. Diese Hypothese kann jedoch nicht bestätigt werden. Im nächsten Abschnitt wird das Phänomen des Mäandrierens analysiert. Mäandi- reren is eines der Phänomene, die typischerweise während Schwachwindsituationen auftreten. Wir entwickeln eine Methode, um Intervalle zu indentifizieren, während denen mäandieren auftritt. Dazu von dem Unterschied zwischen einem vektoriellen und einem skalaren Mittelwert wird Gebrauch gemacht. Die Ergebnisse dieser neuen Methode zum Detektieren von Mäandireren werden mit einer Methode verglichen, welche in der Literatur häufig angewendet wird. Diese zweite Methode nutzt die spezielle Form, die die Autokorrelationsfunktion der horizontalen Windkomponenten während Mäandriersituationen annimmt. Für die Intervalle, für die Mäandrieren festgestellt wurde, analysieren wir die typischerweise auftretenden Zeitskalen mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion sowie mit Hilfe einer Waveletanalyse. Es zeigt sich, dass an allen vier Standorten eine große Bandbreite an Mäandrierzeitskalen auftritt, wobei kürzere Zeitskalen bevorzugt sind. Die mittlere nächtliche Mäandrierzeitskala ist etwas länger als die während des Tages.

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