Systematische Untersuchung der Grenzschichtentwicklung über Stadtgebieten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Mit zunehmender Rechnerleistung wird es möglich, mesoskalige meteorologische Modelle mit immer feinerer Auflösung zu betreiben. Die höchstauflösenden Modelle der Wetterdienste und die mesoskaligen Strömungs- und Transportmodelle zahlreicher Forschergruppen berücksichtigen städtische Bebauung bisher typisch erweise nur über eine erhöhte Rauhigkeitslänge und einen modifizierten Wärmeaustausch am Boden. Dabei kommt die Monin-Obukhov-Theorie zur Anwendung und es wird ein Grenzschichtaufbau wie über unbebautem Land angenommen. Naturmessungen von städtischen Grenzschichten zeigen jedoch ein diffizileres Bild: Innerhalb und direkt oberhalb der Bebauung befindet sich eine Schicht, in der die Impulsflüsse nicht höhenkonstant sind und die Profile der mittleren Windgeschwindigkeit nicht dem logarithmischen Wandgesetz folgen. Diese direkt von den Gebäuden beeinflusste Schicht wird als Rauhigkeitsschicht bezeichnet. Die Ausdehnung der Rauhigkeitsschicht hängt direkt von der Form und Dichte der Bebauung ab, ihre vertikale Mächtigkeit wird in der Literatur mit der 2 bis 5-fachen mittleren Gebäudehöhe angegeben. Um den Effekt der Rauhigkeitsschicht in numerischen Modellen in Form einer besseren Rauhigkeitsparametrisierung beschreiben zu können, sind im Grenzschichtwindkanallabor des Meteorologischen Instituts der Universität Hamburg systematische Strömungsmessungen mit hoher zeitlicher Auflösung innerhalb und oberhalb von drei Konfigurationen idealisierter Rauhigkeitsstrukturen durchgeführt worden. Ziel des Projekts war es, die grundsätzliche Abhängigkeit von Geschwindigkeitsprofilen und turbulenten Flüssen in idealisierten städtischen Grenzschichten sowohl von der lokalen Gebäudestruktur als auch gemittelt über eine repräsentative horizontale Fläche zu ermitteln. Es wurde ein Datensatz geschaffen werden, der systematische und hoch aufgelöste Messungen von zeitlich gemittelten Geschwindigkeitskomponenten und vertikalen Impulsflüssen innerhalb und oberhalb genau definierter Rauhigkeitsstrukturen umfasst. Dieser Datensatz bietet eine Grundlage für die Entwicklung neuer Rauhigkeitsparametrisierungen für städtische Anwendungen von mesoskaligen Modellen bzw. erlaubt es, bereits vorhandene Rauhigkeitsparametrisierungen zu testen. Der Datensatz liefert ferner Erkenntnisse darüber, welche Überstreichungslängen eine Grenzschichtströmung benötigt, um ein Gleichgewicht mit der unterliegenden Rauhigkeit zu erreichen. Dies impliziert auch eine Bestimmung der Höhe des Einflussbereichs, innerhalb derer individuelle Rauhigkeitselemente die Grenzschicht noch beeinflussen können, und eine Aussage darüber, über welche horizontalen Entfernungen sich Rauhigkeitssprünge auswirken. Schließlich beantwortet der Datensatz die Frage, wie stark die Ergebnisse von Einzelmessungen, die innerhalb und oberhalb der Hindernisschicht durchgeführt werden, von einem repräsentativen Flächenmittelwert abweichen können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2005) (Eds.): Quality assurance of microscale meteorological models. European Science Foundation, ISBN 3-00-018312-4
Schatzmann, M., and Britter, R.
- (2005) BUBBLE - An urban boundary layer meteorology project. Theoretical and Applied Climatology, 81, pp. 231-261
Rotach, M., Vogt, R., Bernhofer, C., Batchvarova, E., Christen, A., Clappier, A., Feddersen, B., Gryning, S.E., Martucci, G, Mayer, H., Mitev, V., Oke, T.R., Parlow, E., Richner, H., Roth, M., Roulet, Y.A., Ruffieux, D., Salmond, J.A., Schatzmann, M., Voogt, J.A.
- (2005) Effect of Roughness Inhomogeneities on the Development of the Urban Boundary Layer. Int. Journal of Environment and Pollution, 25, pp.105-117
Schultz, M, Leitl, B., and Schatzmann, M.
- 2005: Heterogeneity of turbulent flux profiles and flow properties within an idealized urban canopy. PHYSMOD International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena, London, Ontario, Canada 2005, p.12-14
Schultz, M. Leitl, B., Schatzmann, M.
- (2006) Validation of Urban Dispersion Models: Are there general profiles for the roughness sub-layer? 10th Annual George Mason University Conference on Atmospheric Transport and Dispersion Modeling. Fairfax VA, USA, Aug 1-3
Schultz, M., Leitl, B., Schatzmann, M.
- (2006) Validation of Urban Dispersion Models: How representative are locally measured wind velocities? 10th Annual George Mason University Conference on Atmospheric Transport and Dispersion Modeling. Fairfax VA, USA, Aug 1-3
Repschies, D., Leitl, B., Schatzmann, M.
- (2007) How dense is dense enough? - Systematic evaluation of the spatial representativeness of flow measurements in urban areas. Proceedings International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena, Orleans, France, Aug. 28-31
Repschies, D., Schatzmann, M., Leitl , B.
- (2007) How rough is rough? - Characterization of turbulent fluxes within and above an idealized urban roughness. Proceedings International Workshop on Physical Modelling of Flow and Dispersion Phenomena, Orleans, France, Aug. 28-31
Schultz, M., Leitl, B., Schatzmann, M.
- (2007) Untersuchung turbulenter Impulsflüsse innerhalb und oberhalb idealisierter städtischer Rauhigkeiten. Langfassung, DACH 2007 - Deutsch-Österreichisch-Schweizerische Meteorologentagung, Hamburg, Sept. 10-14
Schultz, M., Leitl, B., Schatzmann, M.
- (2008) Systematische Untersuchung der Grenzschichtentwicklung über Stadtgebieten. Dissertation, Fachbereich Geowissenschaften der Universität Hamburg
Schultz, M.
