Horizontale Scherungsproduktion über komplexem Gelände - Unbemannte Flugmessungen der Turbulenz für numerische Modellparametrisierung

• Antragsteller: Dr. Andreas Platis
• Fachliche Zuordnung: Physik und Chemie der Atmosphäre
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 549349557

Der turbulente Austausch spielt eine tragende Rolle für den Transport von Impuls, Wärme, Feuchtigkeit und anderen atmosphärischen Komponenten zwischen der Erdoberfläche und Atmosphäre sowie innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht. In operationellen numerischen Wettervorhersagemodellen werden die turbulenten Prozesse jedoch nicht aufgelöst, weil die Gitterabstände zu grob sind. Der turbulente Transport muss daher parametrisiert werden. Bei diesen Parametrisierungen der planetarischen Grenzschicht (PBL) werden in der Regel horizontal homogene Bedingungen angenommen, wobei der Beitrag der horizontalen Scherung in der Prognosegleichung für die kinetische turbulente Energie (TKE) vernachlässigt wird. In komplexem Gelände jedoch treten gebirgsbedingte Prozesse auf, die diese Annahme außer Kraft setzen. Die Ziele von HOTSPOT sind die Bestimmung der horizontalen Windscherung und dessen Turbulenzproduktion in einem Talquerschnitt bei thermisch angetriebener Strömungsbedingungen und die Quantifizierung der horizontalen Scherproduktion in PBL-Parametrisierungen für mesoskalige Simulationen. Die Forschungsfragen konzentrieren sich auf den Einfluss der Talgröße, stabile und konvektive Bedingungen auf die horizontale Scherung und deren Einfluss auf den Austausch von Feuchte und Luftschadstoffen. Die Messungen werden mit mehreren unbemenschten Flugzeugen (UAS) im Inntal, Österreich, im Rahmen des TEAMx-Programms durchgeführt. Die UAS-Flüge sollen die horizontale Windscherung im Talquerschnitt erfassen und ermöglichen die Berechnung turbulenter Größen wie TKE und turbulenter Flüsse. Die Beobachtungen werden zur Validierung von mesoskaligen und Large-Eddy-WRF-Simulationen verwendet. Um die Rolle der horizontalen Windscherung in den Turbulenzparametrisierungen zu bestimmen, wird die TKE-Gleichung in den PBL-Parametrisierungen um einen horizontalen Scherungsterm erweitert. Die meisten der vorhandenen Turbulenzdaten in komplexem Gelände sind auf oberflächennahe Messungen beschränkt. Die UAS-Flüge bieten daher die einmalige Gelegenheit, Turbulenzgrößen auch darüber in verschiedenen Höhen und Orten zu messen, was die Bewertung von PBL-Parametrisierungen innerhalb der Talatmosphäre ermöglicht. Die Modellevaluierung wird sich auf mesoskalige Simulationen mit einem horizontalen Gitterabstand in der Größenordnung von einigen hundert Metern konzentrieren, was der Auflösung zukünftiger operationeller regionaler Vorhersagemodelle entspricht. Andreas Platis wird das Projekt an der Universität Tübingen und Manuela Lehner an der Universität Innsbruck leiten. A. Platis hat in zahlreichen Feldkampagnen UAS-Messungen durchgeführt und dabei den turbulenten und nicht-turbulenten Transport von Impuls, Wärme, Gasen und Partikeln in der Grenzschicht gemessen. M. Lehner hat an der Modellierung von Grenzschichtprozesse über komplexem Gelände gearbeitet, einschließlich thermisch angetriebener Strömungen, turbulentem Austausch und dynamisch angetriebener Strömungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartnerin: Dr. Manuela Lehner