Masterarbeit
Determination of the mixed layer height by ceilometer measurements and its influence on large-scale convective energy exchange
Katrin Kohnert (06/2012-03/2013)
Betreuer: Thomas Foken
Die Arbeit wird am Karlsruher Institut für Technologie, Atmosphärische Umweltforschung (KIT: IMK-IFU) unter Teilbetreuung von JunProf. M. Mauder durchgeführt.
Ein großer Teil der Studien zum globalen Wandel beschäftigt sich mit atmosphärischen Prozessen, die im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung oder Luftverschmutzung stehen. In beiden Fällen ist die Forschung abhängig von umfassenden Kenntnissen über die Prozesse in der Atmosphäre und über die Parameter, die diese beeinflussen. Diese Kenntnisse sind unbedingt erforderlich, um regionale und globale atmosphärische Modelle zu entwickeln. Diese Arbeit untersucht die Grenzschichthöhe (MH), die ein wichtiger Parameter ist für Studien zur Luftverschmutzung, bei der Untersuchung atmosphärischer Turbulenzen und für Forschung im Bereich der Energieumwandlung, da sie der Teil der Atmosphäre ist, der an die Erdoberfläche grenzt. Bisher konnte die Energiebilanz an der Erdoberfläche jedoch nicht mit experimentellen Daten geschlossen werden. Diese Studie soll dazu beitragen, einige Wissenslücken zu schließen. Zum einen werden zeitliche und kleinräumige Veränderungen der MH in komplexem Gelände untersucht, zum anderen wird eine kürzlich veröffentlichte Parametrisierung (Huang et al., 2008) zur Energiebilanzschließung validiert, die die MH als eine Eingangsgröße hat. Die vorliegende Arbeit basiert auf Daten von drei Forschungsflächen im Deutschen Voralpenland, die zum Terrestrial Environmental Observatories (TERENO) Netzwerk gehören. Die Flächen erstrecken sich über eine Distanz von ungefähr 30 km in Nord-Süd Richtung. Die südlichste liegt in einem Tal, das von Bergen umgeben ist, die sich 1000 m über den Talboden erheben. Im Gegensatz dazu sind die beiden nördlichen Flächen umgeben von sanften Hügeln. Die MH wird mit der Minimum-Gradienten-Methode ermittelt, die auf Ceilometerdaten aus dem Zeitraum von Juli bis Oktober 2012 angewendet wird. An jeder Fläche kommt es zu einer hochsignifikanten Abnahme der MH von Juli bis Oktober, die teils mit der abnehmenden Globalstrahlung zusammenhängt. Ein Vergleich der monatlichen MHs an den Flächen zeigt, dass verglichen mit den beiden anderen Flächen, die MH an der südlichsten Fläche signifikant höher ist. Das wird durch den Einfluss der Berge, die sich 1000 m über Grund erheben, erklärt. Zu einem vergleichbaren Einfluss der Topographie der Umgebung auf die MH kommt es an der nördlichen Fläche in Kombination mit der Windrichtung. Über alle Monate wird eine signifikant höhere MH gemessen, wenn der Wind aus Westen kommt. Das spiegelt den Effekt eines Plateaus westlich der Versuchsfläche wider. Ein Einfluss von mesoskalischen Zirkulationen zwischen Alpen und dem Vorland auf die MH kann nicht gefunden werden. Die Anwendung der Parametrisierung zur Energiebilanzschließung (Huang et al., 2008) in die die MH als Eingangsparameter eingeht, zeigt, dass sie nicht auf die TERENO-Flächen übertragbar ist. Die TERENO-Daten vi übertreffen die vorgeschlagenen Kurven und folgen nicht deren Muster. Es wird geschlussfolgert, dass diese Parametrisierung wichtige Einflüsse von heterogenen Oberflächen nicht berücksichtigt und dass die verwendete Large-Eddy-Simulation (LES) auf einer zu groben Auflösung basiert, so dass Prozesse in Bodennähe nicht ausreichend beschrieben werden. Diese Parametrisierung sollte nicht auf experimentelle Daten angewendet werden. Zusammenfassend deuten die Ergebnisse der Arbeit an, dass die Umwandlung von Komponenten der Energiebilanz noch nicht vollständig verstanden wird. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass die MH, beeinflusst von Topographie und Windrichtung, stark kleinräumig und auch zeitlich variiert. Daher ist es unabdingbar, diese Unterschiede mit einzubeziehen, wenn die MH in regionale oder globale Modelle mit eingeht. Kenntnis über diese Variabilität ist essentiell, wenn Fragen zur Verteilung von luftverschmutzenden Partikeln behandelt werden, die direkt die Gesundheit und das Wohlbefinden der Bevölkerung beeinflussen.