Energiebilanzmessungen während COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study), turbulente Flüsse und thermische Konvektion in einem Tal

COPS (SPP 1167), DFG Fo 226/19-1 (SPP 1167), 226/23-1

Von 05/2007 bis 07/2011

Projektleiter: Thomas Foken, Volkmar Wirth, Norbert Kalthoff
Mitarbeiter: Rafael Eigenmann, Björn Brötz

Dieses Projekt konzentrierte sich auf die Untersuchung von vom Boden ausgehender thermischer Konvektion in einem Mittelgebirgstal. Bodennahe Energieaustauschmessungen waren notwendig, um die Verbindung zwischen der Atmosphäre und dem darunter liegenden Boden-Vegetationssystem herzustellen. Hierfür wurde ein Energiebilanz- und Turbulenzmessnetz im Rahmen des COPS (Convective and Orographically-induced Precipitation Study) Experimentes 2007 aufgebaut.

Siehe auch:

Experiment: COPS (SPP 1167)

Experimentdokumentation (Universität Bayreuth)

Das Netzwerk bestand aus sechzehn Stationen, die von fünf zusammenarbeitenden Instituten betrieben wurden. Die Arbeitsgruppe der Universität Bayreuth koordinierte das Netzwerk und war für ein einheitliches Qualitätskontrollschema für alle Turbulenzmessstationen und für den Hochladeprozess auf die Datenbank verantwortlich. Mehrere umfangreiche und hochwertige Datensätze wurden am World Data Center for Climate (WDCC) in Hamburg gesammelt. Diese Daten werden für weitere Untersuchungen innerhalb der COPS Gemeinschaft genutzt, z.B. zum Antrieb und zur Validierung der angewandten mesoskaligen Modelle.

Siehe auch:

COPS Energiebilanz- und Turbulenzdaten

COPS Daten

COPS Datenmanagementinformationen

Thermische Konvektion wurde in Verbindung mit Grobstruktursimulation (LES) im Kinzigtal (Schwarzwald, Südwestdeutschland) untersucht. Das numerische Modell konnte erfolgreich an die komplexen Bedingungen im Kinzigtal während der frühmorgendlichen Grenzschichtentwicklung angepasst werden. Die Talatmosphäre zu diesen Morgenstunden zeichnete sich durch einen kleiner werdenden stabilen Kern im Tal und durch stark reduzierte Windgeschwindigkeiten für 1-2 Stunden während der Umkehr des Talwindsystems von den nächtlichen Talabwinden zu den tagsüber vorherrschenden Talaufwinden aus. In diesen Situationen wurden auf Höhe der Eddy-Kovarianz (EC) Messungen (ca. 2m) mit Hilfe eines Stabilitätsparameters Bedingungen freier Konvektion (FCCs) an etwa 25% der Tage während des dreimonatigen COPS Experimentes festgestellt (siehe Abb. 1). 

 

FCCs

Abbildung 1: Zeitpunkte des Einsetzens und dem Ende der Talaufwindrichtung und die dazugehörigen Perioden mit FCCs bei Fußbach im Kinzigtal für die gesamte COPS Periode. Ebenfalls dargestellt sind die Zeiten des Sonnenaufgangs und des Sonnenuntergangs.


Während dieser FCCs am Morgen zeigte die LES sowie die Sodar/RASS Beobachtungen des Vertikalwindes (siehe Abb. 2) das Vorhandensein von starken kohärenten Aufwindstrukturen in der sich entwickelnden konvektiven Grenzschicht (CBL).

 

Sodargramm

Abbildung 2: Sodargramm des Vertikalwindes in Farbe für den 13. August 2007 (COPS IOP 15b) bei Fußbach im Kinzigtal. Die vertikalen, schwarz gestrichelten Linien zeigen die Periode mit FCCs (06:30–10:30 UTC). 

 

Diese Aufwindstrukturen drangen tief in die stabil geschichtete Talgrenzschicht bis zu Höhen von etwa den umliegenden Bergen ein, und führten dadurch während FCCs zu einem effektiven aufwärts und gegen den Gradienten gerichteten Transport. Eine Spektralanalyse der EC Daten in diesen Situationen hat gezeigt, dass großskalige Turbulenzstrukturen, typisch für thermische Aufwinde in der CBL, bereits bodennah auftraten. Diese Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Perioden von FCCs in den Morgenstunden für die effektive Injektion von bodennahen Luftmasseneigenschaften in höher gelegene Regionen der Grenzschicht. Folglich kann auch vermutet werden, dass die beobachteten Perioden von FCCs wichtig für die Vorkonditionierung der Grenzschicht für eine mögliche weitere Entwicklung von (feuchter) Konvektion im Laufe des Tages sind. Des Weiteren zeigte die Anwendung der LES, dass sich in den betrachteten morgendlichen Situationen die Aufwindstrukturen in quasi-stationären Mustern an bestimmten Stellen relativ zu den umliegenden Höhenrücken ausbilden. Im Gegensatz dazu würden die konvektiven Strukturen in einer CBL über flachem, homogenem Gelände zufällig auftreten.

Bei einer Betrachtung der Perioden mit FCCs (siehe Abb. 1) wurde weiterhin gefunden, dass die Energiebilanz im Mittel geschlossen ist. Dies steht im Gegensatz zu der ungeschlossenen Energiebilanz bei Betrachtung der mittleren Bedingungen während der gesamten COPS Periode, bei der Werte des Residuums, typisch für heterogene Landschaften, gefunden wurden. Die geschlossene Energiebilanz während FCCs kann durch den Umstand erklärt werden, 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.



Homepage: https://www.uni-hohenheim.de/spp-iop/index.htm

Publikationsliste dieses Projekts

Schüttemeyer, D; Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_ubn_flux: Eddy-covariance turbulence data from COPS energy balance and turbulence network station run by University of Bonn during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/WDCC/cops_nebt_ubn_flux
Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_ubt_flux: Eddy-covariance turbulence data from COPS energy balance and turbulence network stations run by University of Bayreuth during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/ WDCC/cops_nebt_ubt_flux
Dorninger, M; Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_uv_flux: Surface layer scintillometer data from COPS energy balance network station run by University of Vienna during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/ WDCC/cops_nebt_uv_flux
Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_ubt_mast: Profile data of wind speed, temperature and water vapor pressure at profile mast run by University of Bayreuth during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/ WDCC/cops_nebt_ubt_mast
Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_ubt_met: Radiation and soil measurement data from COPS energy network stations run by University of Bayreuth during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/WDCC/cops_nebt_ ubt_met
Eigenmann, R; Foken, T: cops_nsod_ubt: wind data from sodar-RASS run by University of Bayreuth during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/WDCC/cops_nsod_ubt
Pigeon, G; Eigenmann, R; Foken, T; Legain, D; Piguet, B; Traulle, O: cops_nebt_mf_flux: Eddy-covariance turbulence data from COPS energy balance and turbulence network stations run by Meteo-France/CNRM during COPS 2007, World Data Center for Climate (2012), doi:10.1594/WDCC/cops_ nebt_mf_flux
Kalthoff, N; Kohler, M; Barthlott, C; Adler, B; Mobbs, SD; Corsmeier, U; Träumner, K; Foken, T; Eigenmann, R; Krauss, L; Khodayar, S; Di Girolamo, P: The dependence of convection-related parameters on surface and boundary-layer conditions over complex terrain, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 70-80 (2011), doi:10.1002/qj.686 -- Details
Eigenmann, R; Kalthoff, N; Foken, T; Dorninger, M; Kohler, M; Legain, D; Pigeon, G; Piguet, B; Schüttemeyer, D; Traulle, O: Surface energy balance and turbulence network during COPS, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 57-69 (2011), doi:10.1002/qj.704 -- Details
Wulfmeyer, V; Behrendt, A; Kottmeier, C; Corsmeier, U; Barthlott, C; Craig, GC; Hagen, M; Althausen, D; Aoshima, F; Apagaus, M; Bauer, H-S; Bennett, L; Blyth, A; Brandau, C; Champollion, C; Crewell, S; Dick, G; Di Girolamo, P; Dorninger, M; Dufournet, Y; Eigenmann, R; Engelmann, R; Flamant, C; Foken, T; Gorgas, T; Grzeschik, M; Handwerker, J; Hauck, C; Höller, H; Junkermann, W; Kalthoff, N; Kiemle, C; Klink, S; König, M; Krauss, L; Long, CN; Madonna, F; Mobbs, S; Neininger, B; Pal, S; Peters, G; Pigeon, G; Richard, E; Rotach, MW; Russchenberg, H; Schwitalla, T; Smith, V; Steinacker, R; Trentmann, J; Turner, DD; Van Baelen, J; Vogt, S; Volker, H; Weckwerth, T; Wernli, H; Wieser, A; Wirth, M: The Convective and Orographically induced Precipitation Study (COPS): The scienentific strategy, the field phase, and research highlights, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 137, 3-30 (2011), doi:10.1002/qj.752 -- Details
Kalthoff, N; Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_imk_met: meteorological data from COPS energy balance and turbulence network run by FZK/IMK-TRO during COPS 2007, World Data Center for Climate (2011), doi:10.1594/WDCC/cops_nebt_imk_met
Kalthoff, N; Eigenmann, R; Foken, T: cops_nebt_imk_flux: Eddy-covariance turbulence data from COPS energy balance and turbulence network stations run by FZK/IMK-TRO during COPS 2007, World Data Center for Climate (2011), doi:10.1594/WDCC/cops_nebt_imk_flux
Eigenmann, R; Metzger, S; Foken, T: Generation of free convection due to changes of the local circulation system, Atmospheric Chemistry and Physics, 9, 8587-8600 (2009) [Link] -- Details


Siehe auch:
  • Bachelorarbeit: Untersuchung des Bowen-Verhältnisses über verschiedenen Landnutzungstypen während des COPS-Experimentes
  • Diplomarbeit: Investigation of conditions initiating free convection using energy exchange measurements
  • Experiment: COPS (SPP 1167): Convective and Orographically-induced Precipitation Study (COPS): Energiebilanzmessungen während COPS
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