Untersuchungen der Dynamik und Struktur der ABL über heterogenen Oberflächen mit turbulenzauflösenden Simulationen (LES)

• Antragsteller: Professor Dr. Matthias Mauder
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514721519

Traditionell wird der Transport in der atmosphärischen Grenzschicht auf der Grundlage einer Turbulenztheorie quantifiziert, die sich auf die Annahme einer horizontal homogenen Strömung stützt. Dies ermöglicht eine lokale Beschreibung durch eindimensionale Flüsse in vertikaler Richtung. Während diese Annahme für kleinräumige Turbulenzen in Oberflächennähe zutreffen mag, ist bekannt, dass submesoskalige Transportprozesse unter typischen konvektiven Tagesbedingungen in der Mitte der Grenzschicht oft einen Großteil des vertikalen Energie- und Stoffaustauschs ausmachen. Experimentelle Daten deuten jedoch darauf hin, dass diese Unterscheidung in der Realität nicht so eindeutig ist. Daher wollen wir untersuchen, inwieweit der submesoskalige Transport in der Oberflächenschicht (SL) am Tage vernachlässigt werden kann und wie der submesoskalige Transport entlang des Übergangs zur Mischschicht (ML) quantitativ charakterisiert werden kann. Mit Hilfe von Large-Eddy-Simulationen (LES) soll untersucht werden, wie die mit diesen submesoskaligen Sekundärzirkulationen verbundenen dispersiven Flüsse von der Höhe über der Oberfläche und anderen atmosphärischen Skalierungsvariablen, die die statische Stabilität charakterisieren, abhängen, und wie diese Höhenabhängigkeit von der Oberflächenheterogenität beeinflusst wird. In WP1 wird eine Parametrisierung der dispersiven Flüsse entwickelt, die auf idealisierten Simulationen und Skalierungsanalysen sowie dem Buckingham-Pi-Theorem basiert, einer in der Grenzschichtmeteorologie üblichen Methode. Diese Parametrisierung wird dann zur Korrektur der gemessenen Eddy-Kovarianz-Flüsse für die ansonsten nicht geschlossene Oberflächenenergiebilanz verwendet. In WP2 wird dann eine realistische LES für den zentralen LAFO-Beobachtungszeitraum durchgeführt, um eine Auswertung mit Daten des dreidimensionalen atmosphärischen Transports aus Doppler-, Raman- und DIAL-Lidaren zu ermöglichen. Das LES-Modell PALM wird dabei mit einem Gitterabstand von weniger als 4 m eingesetzt und deckt einen Bereich von mindestens 10 x 10 km ab. Der mesoskalige Antrieb wird durch WRF-Simulationen bereitgestellt. Anschließend wird in WP3 das Potenzial von Deep-Learning-Methoden erforscht, um den Einfluss von Oberflächenheterogenität auf die Erzeugung von Dispersionsflüssen zu modellieren. Während der gesamten Projektlaufzeit wird die Entwicklung der Fähigkeiten des an diesem Teilprojekt arbeitenden Doktoranden und die Teambildung innerhalb der Gemeinschaft der LAFI-Forschungseinheit im Rahmen von WP4 gefördert.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5639: Land-Atmosphäre Feedback Initiative (LAFI)