Vortrag (eingeladen), DACH Meteorologentagung 2004, Karlsruhe: 07.09.2004 - 10.09.2004
Abstract:
Nachdem Im Jahr 1946 Obukhov einen Ähnlichkeitsmaßstabsparameter für die atmosphärische Bodenschicht fand, der heute unter dem Begriff der Obukhov-Länge allgemein gebräuchlich ist, war der Weg geebnet, die von W. Schmidt 1925 aufgestellten Austauschansätze in exakter Weise für alle Schichtungen (stabil bis labil) zu erweitern. Dies gelang durch Monin und Obukhov im Jahre 1954 durch Anwendung des Buckingham’schen Pi-Theorems auf bodennahe Prozesse. Diese Arbeit begründete die Monin-Obukhov’sche Ähnlichkeitstheorie, die heute nahezu uneingeschränkt bei der experimentellen Bestimmung und bei der Modellierung bodennaher Energie- und Stoffaustauschprozesse angewandt wird. Die Arbeit von Monin und Obukhov enthält aber auch eine Reihe von weiteren Hinweisen, die in den Folgejahren wenig beachtet wurden, jedoch bei der heutigen Diskussion über die Grenzen der Ähnlichkeitstheorie wertvolle Anregungen geben können. Im zweiten Teil des Vortrages werden gerade die heute immer deutlicher werdenden Grenzen der Theorie aufgezeigt. Dazu gehören die Genauigkeit der universellen Funktionen in verschiedenen Stabilitätsbereichen und der Übergang zu freier Konvektion und zu sehr stabiler Schichtung ohne turbulenten Austausch. Ebenfalls werden der Feuchteeinfluss und die turbulente Prandt-Zahl diskutiert. Gleiches gilt für Prozesse, bei denen die Ähnlichkeitstheorie versagt, wie Counter-Gradienten, Entkopplungen, niedrige Grenzschichthöhen und die Ausbildung einer rauen Unterschicht, die zumindest über hohen Pflanzenbeständen die Anwendung der Ähnlichkeitstheorie weitgehend einschränkt. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen für experimentelle Verfahren als auch für die Modellierung werden abschließend diskutiert.