Turbulent Structure Parameters over Heterogeneous Terrain - Implications for the Interpretation of Scintillometer Data
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Der turbulente Austausch von Wärme und Wasserdampf zwischen Landoberfläche und Atmosphäre ist von wesentlicher Bedeutung für den Energie- und Wasserkreislauf auf der lokalen, regionalen und globalen Skala. Scintillometrie ist gegenwärtig das einzig verfügbare Messverfahren zur quasi-operationellen Bestimmung flächengemittelter turbulenter Flüsse auf einer Skala von einigen Kilometern, wie sie für die Validierung der mit regionalen Wettervorhersage- und Klimamodellen simulierten oder aus Satellitendaten abgeleiteten Flüsse benötigt werden. Das Messprinzip basiert auf der Analyse von Intensitätsfluktuationen elektromagnetischer Strahlung nach deren Ausbreitung in der turbulenten Atmosphäre über Distanzen von bis zu einigen Kilometern. Im Rahmen des hier abgeschlossenen Projektes, das an eine sich über zwei Jahre erstreckende erste Phase anschloss, während der in der Umgebung des Meteorologischen Observatoriums Lindenberg - Richard-Aßmann-Observatorium des DWD das Feldexperiment LITFASS-2009 durchgeführt worden war, wurden einige grundlegende bisher offene Fragen im Zusammenhang mit der Nutzung von Scintillometer-Messungen untersucht. Einen Schwerpunkt bildete dabei die räumliche Variabilität der primär abgeleiteten turbulenten Struktur-Parameter über heterogenem Gelände. Das Vorhaben umfasste die Nutzung von Feldmessungen (Eddy-Kovarianz Verfahren, Scintillometer und Flugzeug) sowie numerische Modellrechnungen mit einem Grobstruktur-Simulations-(LES-)Modell. Diese bisher einzigartige Kopplung von Methoden ermöglichte eine Bewertung von Möglichkeiten und Grenzen der Nutzung des Scintillometer-Prinzips über einer heterogenen Landoberfläche. Die wesentlichen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Es wurde ein Verfahren zur Abschätzung und Parametrisierung der lokalen Variabilität der Strukturparameter von Temperatur und Luftfeuchte in Abhängigkeit von Stabilität und Höhe für kurze Mittelungszeiten (bis hinunter zu einer Minute) entwickelt, das es erlaubt, Schwellenwerte zu definieren, welche die Variabilität der Strukturparameter entlang einer Messstrecke mindestens überschreiten muss, um ggf. als Signal der Heterogenität der Landoberfläche interpretiert werden zu können. Beim Vergleich mit Eddy-Kovarianz und Large-Aperture-Scintillometer (LAS)-Messungen ergab die Bestimmung des Temperaturstrukturparameters aus Flugzeugmessungen entlang des LAS-Pfades systematisch zu hohe Werte, die Differenzen konnten durch eine verbesserte, auch sekundäre Effekte berücksichtigende Datenauswertung reduziert, nicht jedoch vollständig erklärt werden. Hier sind weitere Untersuchungen erforderlich, die insbesondere auch die unterschiedlichen Messstrategien in Relation zur statistischen Struktur des Turbulenzfeldes berücksichtigen sollten. Die zur Berechnung der turbulenten Wärmeflüsse aus Scintillometer-Messungen genutzten Monin-Obukhov-Ähnlichkeitsbeziehungen sind für den Temperaturstrukturparameter auch über einer heterogenen Landoberfläche verwendbar, nicht jedoch für den Feuchtestrukturparameter, der auch in der Bodenschicht durch Entrainmentprozesse an der Grenzschichtobergrenze beeinflusst wird. Über (in Bezug auf die flächenmäßige Ausdehnung und die Amplitude des Signals) hinreichend ausgeprägten Oberflächenheterogenitäten kann zumindest bei schwachem Wind nicht davon ausgegangen werden, dass das Heterogenitätssignal in der räumlichen Verteilung der Strukturparameter in wenigen Dekametern über Grund verschwindet. Unter diesen Bedingungen charakterisiert ein aus LAS-Messungen abgeleiteter Wärmefluss die Verhältnisse im Footprint-Sektor der Messstrecke. Zur Charakterisierung des Feuchtestrukturparameters über einer heterogenen Landoberfläche sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Möglichkeiten und Grenzen einer Ableitung flächengemittelter Werte des latenten Wärmeflusses bzw. der Verdunstung, wie sie für viele Anwendungen von Bedeutung ist (z.B. Hydrologie, Landiwrtschaft), charakterisieren zu können. Die im Projekt entwickelte und erprobte Methodik einer Kopplung von Eddy-Kovarianz-, Scintillometer- und Flugzeugmessungen mit LES erscheint hierfür grundsätzlich geeignet, für den Einsatz von Flugzeugen sind jedoch alternative Messstrategien zu entwickeln und zu erproben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2014: Monin-Obukhov similarity functions for the structure parameters of temperature and humidity in the unstable surface layer: results from high-resolution large-eddy simulations., J. Atmos. Sci. 71, 716-733
Maronga, B.
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2014: The effect of surface heterogeneity on the structure parameters of temperature and humidity - an LES case study for the LITFASS-2003 experiment. Boundary-Layer Meteorol. (online first)
Maronga, B., O. K. Hartogensis, S. Raasch and F. Beyrich
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2014: Variability of the structure parameters of temperature and humidity observed in the atmospheric surface layer under unstable conditions. Boundary-Layer Meteorol. 150, 399–422
Braam, M., A.F. Moene, F. Beyrich
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On the Discrepancy in Simultaneous Observations of the Structure Parameter of Temperature Using Scintillometers and Unmanned Aircraft. Boundary-Layer Meteorol. February 2016, Volume 158, Issue 2, pp 257–283
Braam, M., F. Beyrich, A.F. Moene, J. Bange, A. Platis, S. Martin, B. Maronga
