Doktorarbeit
Free convection and turbulent fluxes over complex terrain
Rafael Eigenmann (08/2008-04/2013)
Betreuer: Thomas Foken
In der vorliegenden Arbeit wird die Auswirkung von komplexem Gelände auf den Austausch zwischen Land und Atmosphäre untersucht. Hierbei wird freie Konvektion, ein sehr effektiver vertikaler Transportmechanismus, da die Turbulenz hauptsächlich durch Auftriebskräfte gesteuert wird, ausführlich behandelt. Kürzlich wurde für bestimmte Situationen in komplexem Gelände gezeigt, dass der Eintrag bodennaher Luftmassen durch freie Konvektion in die atmosphärische Grenzschicht (ABL) zu einer erheblichen Änderung derer Eigenschaften führen kann. Diese Arbeit strebt eine generelle Identifizierung und Beschreibung solcher bodennaher Bedingungen freier Konvektion (FCCs) an. Dazu wurden Daten der COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study) Feldkampagne des Sommers 2007 verwendet. Im Rahmen dieses Projektes wurden mehrere Flussmessstationen, überwiegend in Tälern und auf Gipfeln des Schwarzwaldes in Süddeutschland, aufgebaut. Turbulente Flüsse wurden mit der Eddy-Kovarianz (EC) Methode berechnet und genutzt, um mit einem Stabilitätsparameter FCCs zu detektieren. Die Flussmessungen wurden überdies mit ABL Profilmessungen (Sodar/RASS) und einer Grobstruktursimulation (LES) verbunden, um die Auswirkung von FCCs auf die ABL zu untersuchen. Der Effekt komplexen Geländes auf die Energiebilanzschließung und auf räumliche sowie zeitliche Flussunterschiede wurde mit Hilfe dieser Flussdaten ebenfalls analysiert.
FCCs wurden an etwa 25% der Tage des dreimonatigen COPS Experimentes festgestellt. In Situationen schwachen synoptischen Forcings entwickelten sich über dem komplexen Gelände aufgrund von Wärmeunterschieden thermisch getriebene orographische (z.B. Talwinde) oder lokale Windsysteme. Während der Anpassung dieser Windsysteme an die sich ändernden Wärmeunterschiede (z.B. bei der Umkehr des Talwindsystems von Talab- zu Talaufwinden am Morgen), ging der Horizontalwind gegen Null. Falls zur selben Zeit der Auftriebsstrom positiv und erhöht war, übertrafen die Auftriebskräfte die üblicherweise in der Bodenschicht vorherrschenden Scherkräfte und FCCs wurden detektiert. Ferner wurde gezeigt, dass das Vorkommen von FCCs nicht auf die COPS Region beschränkt ist. Auch ein Datensatz der Nam Co Station auf der Tibetischen Hochebene wies FCCs während der Umkehrphase einer thermisch getriebenen Land-Seewind-Zirkulation auf. Jedoch wurden an diesem Höhenstandort im Vergleich zur COPS Region aufgrund häufiger Veränderungen der Wärmeunterschiede während Phasen mit Wolkenbedeckung FCCs vermehrt am Nachmittag festgestellt.
Das Sodar/RASS sowie die LES zeigten die Präsenz von kohärenten Aufwindstrukturen in der morgendlichen konvektiven Grenzschicht (CBL) im Kinzigtal (Schwarzwald) während FCCs. Eine Spektralanalyse der EC Daten in diesen Situationen hat gezeigt, dass großskalige Turbulenzstrukturen, typisch für thermische Aufwinde in der CBL, bereits bodennah auftraten. Eine Ensemble und Zeitmittelungsanalyse des simulierten Talströmungsfeldes bestätigte außerdem, dass sich das Sodar/RASS bei FCCs bevorzugt in einer Aufwindregion befand. In einer CBL über flachem, homogenem Gelände würden die konvektiven Strukturen zufällig auftreten. Über dem komplexen Gelände des Kinzigtals bildeten sich die Aufwindstrukturen jedoch in quasi-stationären Mustern an bestimmten Stellen relativ zu den umliegenden Höhenrücken aus. Die LES zeigte zudem, dass der Fluss durch die Talgrenzschicht hauptsächlich durch den Fluss in den Aufwindstrukturen bestimmt wird. Zusammen mit den Sodar/RASS Beobachtungen zeigte die LES auch, dass diese Aufwindstrukturen tief in die stabil geschichtete Talgrenzschicht bis zu Höhen von etwa den umliegenden Bergen eindrangen, und dadurch bei FCCs zu einem effektiven aufwärts und gegen den Gradienten gerichteten Transport von bodennahen Luftmassen führten.
Die Analyse der turbulenten Flüsse an den unterschiedlichen COPS Standorten ergab, dass die Flüsse stark durch variierende Eigenschaften der Geländeoberfläche bestimmt wurden. Auch konnte ein Anstieg des Bowen Verhältnisses mit zunehmender Höhe festgestellt werden. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Untersuchungen in diesem Gebiet überein. Wie erwartet wurde im Mittel bei Betrachtung des gesamten COPS Zeitraumes eine ungeschlossene Energiebilanz mit Werten des Residuums typisch für heterogenes Gelände gefunden. Dagegen trat bei ausschließlicher Betrachtung der Perioden mit FCCs im Mittel kein Residuum auf. Dies liegt darin begründet, dass die Landschaftsheterogenität im Falle des eher vertikal orientierten Austauschregimes während FCCs von geringerer Bedeutung ist, so dass fehlende Flussanteile in diesen Situationen stark reduziert wurden. Außerdem wurde in vergleichbaren Perioden ohne FCCs festgestellt, dass Flussanteile genau mit dem Verhältnis des Auftriebsstroms fehlten, was eine Korrektur der Energiebilanz gemäß dem Auftriebsstromverhältnis nahe legt. Diese Ergebnisse stützen kürzlich publizierte Befunde zur Energiebilanzschließungsproblematik.