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Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie 13.11.2009 Andreas Kerschbaumer.

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Präsentation zum Thema: "Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie 13.11.2009 Andreas Kerschbaumer."—  Präsentation transkript:

1 Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie 13.11.2009 Andreas Kerschbaumer

2 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Gliederung Definition und Einführung Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht –Viskose Unterschicht –Die Prandtl-Schicht –Die Ekman-Schicht Grenzschichtmodellierung Wichtige Grenzschichtparameter für die Schadstofftransportmodellierung –Mischungsschichthöhe –Schubspannungsgeschwindigkeit –Monin-Obukhov-Länge

3 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Definition und Einführung „We can define the boundary layer as that part of the troposphere that is directly influenced by the presence of the earth‘s surface, and responds to surface forcings with a timescale of about an hour or less.“ (Stull, 1988) z.B.: Reibungskraft, Verdunstung, Transpiration, Wärmefluss, Schadstoffemission, Gebirgsüberströmung

4 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Definition und Einführung PBL top July 2001 Downtown LA

5 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Definition und Einführung

6 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Definition und Einführung Turbulenz –dominiert die diffusiven Prozesse in der Grenzschicht (molekulare Diffusion oberhalb einiger mm Höhe vernachlässigbar), dominiert den Transport in der Vertikalen –Zeitskala der turbulenten Bewegung variiert von einigen Sekunden bis zu ca. 30min Untergrund und Stabilität –bestimmen Struktur der Grenzschicht –Rauhigkeitslänge beeinflusst den Betrag der Turbulenz, die Schubspannung und die Form des Windprofils –Stabilität beeinflusst die Struktur der Turbulenz  vertikale Durchmischung der Parameter

7 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Oke, 1978 Roughness Stability

8 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Definition und Einführung Tageslauf –typischer 24h Tageslauf der Grenzschicht über Land –über dem Ozean kein deutlicher Tageslauf vorhanden  Stabilität abhängig von dem Verhältnis zwischen der advehierten Luftmasse und der Meeresoberflächentemperatur

9 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Beljaars, 1992 „idealer“ Tag Idealisiertes mittleres Profil Potentielle Temperatur Windge- schwindigkeit Dichte convective Boundary Layer nocturnal stable Boundary Layer

10 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Oke, 1978 Tageslauf Energiebalance 10.07.1970 über Wald Nettostrahlung Q* Sensibler Wärmefluss Q H Latenter Wärmefluss Q E Bodenwärmefluss ΔQ S

11 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Erhaltungsgrößen in der Grenzschicht Erhaltungsgrößen für adiabatische Prozesse –Potentielle Temperatur = T(p 0 /p) R/c p = T(p 0 /p) 0.286 –Energie s = c p T+gz Stabilität wird über diese Größen definiert: –Dichte des Luftpaketes, das adiabatisch gehoben oder gesenkt wird, im Vergleich zur Umgebungsdichte.

12 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

13 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

14 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Viskose Unterschicht –Wenige Millimeter stark –Keine Turbulenz  Transport von Wärme und Feuchte von Erdoberfläche in Atmosphäre durch molekulare Vorgänge –Meist bei Betrachtung der Grenzschicht vernachlässigt, da keinen Einfluss auf die Dynamik der Grenzschicht

15 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht –Vertikale Erstreckung von 20m-100m (abhängig von thermischer Schichtung) –Turbulente Flüsse annährend höhenkonstant  vereinfachte Berechnung von Wind- und Temperaturprofilen –Einfluss Corioliskraft in diesen Höhen noch gering  keine Winddrehung mit der Höhe, lediglich betragsmäßige Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe

16 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht –Turbulente Flüsse annährend höhenkonstant –Turbulenz: räumlich und zeitlich irregulär rotationsbehaftet keine eigenständige Bewegungsform keine Materialeigenschaft

17 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht

18 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht

19 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG –Turbulentes Strömungsregime –Flüsse zwischen Untergrund und Atmosphäre sind höhenkonstant (+-10%) –Quantitative Eigenschaften der Atmosphäre nehmen logarithmisch zu/ab -> Windscherung  Langsame untere Schichten bremsen schnellere obere Schichten

20 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG

21 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG

22 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

23 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG „Mischungsweg“ l d.i. jener Weg, über den kleine Flüssigkeitsteilchen durch die Turbulenz transportiert und dabei in ihrer Geschwindigkeit (Impuls) geändert werden.

24 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG

25 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG Die Mischungsweglängen sollten mit der Höhe z zunehmen (grössere Turbulenzelemente) und positiv korreliert sein

26 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Prandtl-Schicht HERLEITUNG Bei u * höhenkonstant -> Integration

27 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Nimmt Hauptteil der Grenzschicht ein, ca. 1-2km hoch –Turbulenten Flüsse nehmen in dieser Schicht mit Höhe ab und verschwinden an Obergrenze der Schicht  laminare Luftströmung oberhalb der Ekman-Schicht –Einfluss Corioliskraft nicht vernachlässigbar  Drehung des Windvektors mit der Höhe zum aufgeprägten geostrophischen Wind hin

28 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht

29 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Freie Atmosphäre = Reibung vernachlässigbar => Druckgradientkraft und Corioliskraft sind in Gleichgewicht Geostrophischer Wind (isobarenparalleler Wind) –Ekman – Schicht: Reibung reduziert Windgeschwindigkeit => Coriolis-Kraft Nordhalbkugel: Linksablenkung der Windrichtung Je näher zum Erdboden, desto größer Reibung –Prandtl - Schicht Reibung ist wichtiger als Coriolis-Kraft

30 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht

31 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm Coriolis- + Druck- + Reibungskraft = 0

32 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm

33 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm

34 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Ekman-Schicht –Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm Randbedingungen für die Lösung des System 2. Ordnung:

35 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Ekman-Schicht

36 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Monin-Obukhov-Länge

37 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Monin-Obukhov-Länge Zeitliche TKE – Änderung: 1.Term: TKE-Produktion durch Windscherung (mechanisch) 2.Term: thermischer Turbulenzgewinn (stabilitätsabhänigig) 3.Term: Dissipation der kinetischen Turbulenzenergie 4.Term: Divergenz des turbulenten Transports der Turbulenzenergie

38 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Monin-Obukhov-Länge Monin-Obukhov-Länge: Höhe, oberhalb derer diabatische (thermische) Terme eine größere Rolle spielen als die TKE- Dissipation L > 0 => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L labile Schichtung

39 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Monin-Obukhov-Länge L > 0 => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L labile Schichtung

40 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Monin-Obukhov-Länge L > 0 => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L labile Schichtung

41 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Mischungsschichthöhe

42 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Mischungsschichthöhe

43 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Mischungsschichthöhe

44 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Danke für die Aufmerksamkeit!

45 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Themen: Grenzschicht – Luftqualität: Kurzvortrag Operationelle Luftschadstoffmessungen Messungen zur Beschreibung der Mischungsschicht Saharastaub Turbulenzparametrisierung Waldschadensbericht Wärmeinsel (Urban Heat Island) Gauß-Modelle Satellitendaten - Luftschadstoffmessungen Institutionen: Erfassung, Maßnahmenplanung: EU -> Stadt

46 Modul Luftchemie, 13.11.2009 Themen: Grenzschicht – Luftqualität: Kurzvortrag Bemerkung: Die Studenten können auch zu zweit ein Theme wählen 20 Nov.Vortrag vorbereiten14.00-15.30 27 Nov. Vortrag vorbereiten 14.00-15.30 4 Dez.Vorträge14.00-15.30 11 Dez.Vorträge14.00-15.30


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