Diplomarbeit
Investigation of conditions initiating free convection using energy exchange measurements
Rafael Eigenmann (09/2007-06/2008)
Betreuer: Thomas Foken, Johannes Lüers
Energieaustauschmessungen an der Erdoberfläche zweier Energiebilanzstationen, eingesetzt während des COPS Feldexperiments vom 1. Juni bis zum 31. August 2007 im Mittelgebirge des Schwarzwaldes, werden in der vorliegenden Arbeit hinsichtlich der oberflächennahen Auslösung von freier Konvektion untersucht. Im Kinzigtal sind an beiden Untersuchungsgebieten Eddy-Kovarianz Messungen der turbulenten Flüsse, Strahlungs- und Bodenwärmestrommessungen durchgeführt worden. Zusätzlich wurden an einer der beiden Messflächen ein Sodar/RASS System und ein Profilmast aufgebaut. Die turbulenten Flüsse an fühlbarer und latenter Wärme, sowie der Impuls- und CO2-Fluss werden mit einem umfangreichen Softwarepaket aufbereitet, das alle notwendigen Flusskorrekturen und Qualitätstests, inklusive Tests bezüglich Stationarität und integraler Turbulenzcharakteristiken, beinhaltet. Die Footprint-Modellierung zeigt für beide Messflächen eine hohe Repräsentativität der Flussmessungen für die zu messende Ziellandnutzungsart. Das angewandte Forward Lagrangian Footprintmodel kann, in Kombination mit den Ergebnissen aus den Qualitätstests und einer Überprüfung der Flussmessungen auf störende Einflüsse interner Grenzschichten, Sektoren reduzierter Datenqualität und Verlässlichkeit identifizieren, was ein standardisiertes Verfahren des Datenausschlusses für weitere Untersuchungen ermöglicht. Verminderte Datenqualität ist an beiden Stationen in Richtung der Talflanken zu beobachten. Betrachtungen der Energiebilanzschließung ergaben eine mittlere Schließunglücke von 20,4% beziehungsweise 16,2% an den beiden untersuchten Standorten. Das Residuum der Energiebilanz kann hauptsächlich auf die Heterogenität des Geländes, das eine Nichtberücksichtigung von Flussanteilen niederer Frequenz und Advektion verursacht, zurückgeführt werden. Die Ergebnisse der Energieaustauschmessungen führten zu dem Nachweis von Situationen freier Konvektion (FCEs) in den frühen Morgenstunden, die durch Auftrieb in einer heranwachsenden, konvektiven Grenzschicht (CBL), an Tagen geringen synoptischen Einflusses auf die Konvektionsauslösung, ausgelöst werden. Es wird vermutet, das diese Ereignisse freier Konvektion, die an etwa der Hälfte der Tage an beiden Stationen anzutreffen sind, einen wesentlichen Beitrag zu dem thermodynamischen Zustand und der Struktur der atmosphärischen Grenzschicht leisten. Ausgelöst werden die Situationen freier Konvektion durch einen Windrichtungswechsel des lokalen Zirkulationssystems, da während der kurz andauernden Übergangsphase der nachts vorherrschenden Talabwinde hin zu Talaufwinden in den frühen Morgenstunden ein sekundäres Minimum der Schubspannungsgeschwindigkeit registriert wird. Zusammen mit den zeitgleich auftretenden hohen fühlbaren Wärmeströmen begünstigt der Einbruch der Windgeschwindigkeit, der infolge der Sodar Messungen in der gesamten Talatmosphäre erfasst wird, die Vorraussetzungen für eine Auslösung freier Konvektion, die durch einen Wert des Stabilitätsparameter ζ <-1 angezeigt wird und aus der Turbulenzmessung abgeleitet werden kann. Während des Einbruchs der Windgeschwindigkeit dominieren Auftriebskräfte (B) gegenüber Scherkräften (S) die Turbulenzproduktion. Weitere Parameter, die ihre Tauglichkeit, Situationen freier Konvektion anzuzeigen, bestätigen konnten, wie etwa das Verhältnis aus Deardorffgeschwindigkeit zu Schubspannungsgeschwindigkeit oder das Verhältnis B/S, sind in der vorliegenden Arbeit aus den Flussmessungen abgeleitet worden. Eine Reduktion des Mittlungsintervalls der berechneten Flüsse ließ erkennen, dass die Situationen freier Konvektion aus einer Ansammlung mehrerer, lediglich wenige Minuten andauernder, konvektiver Pulse, die Feuchtigkeit und Wärme an die atmosphärische Grenzschicht abgeben, bestehen. Die Fallstudie IOP8b des COPS Experimentes konnte die oberflächlich induzierten Ereignisse freier Konvektion nicht zufriedenstellend mit einer möglichen Wolkenbildung in Verbindung bringen. Satellitenbilder und Radardaten können die, wie vermutet, hauptsächlich durch Ereignisse freier Konvektion ausgelösten, Schönwettercumuli aufgrund ihres subskaligen Charakters nicht auflösen. Dennoch kann ein Beitrag der Situationen freier Konvektion zu der prekonvektiven Umgebung einer einzelnen Zelle, die sich in unmittelbarer Nähe des oberen Kinzigtals entwickelte, nicht ausgeschlossen werden. Ein leichter Überschuss an Situationen freier Konvektion an einer der beiden Messflächen konnte nicht vollends durch Unterschiede in der Talbreite erklärt werden. Weiterführende Untersuchungen mit Large Eddy Simulation (LES) sind notwendig.