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Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 11. Atmosphärische Grenzschicht.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 11. Atmosphärische Grenzschicht."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 11. Atmosphärische Grenzschicht

2 Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre Der Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre wirkt durch: Austausch von Strahlung und Wärme zwischen Oberfläche und Atmosphäre Einfluss der Bodenreibung auf das Windfeld vertikaler Fluss von Wasser (flüssig, gasförmig) Deposition von Gasen und Partikeln Emission von Gasen und Partikeln Die Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der direkt durch den Einfluss des Erdbodens beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 Stunde reagiert.

3 Strahlungsbilanz Die Strahlungsbilanz an der Bodenoberfläche Q S ist: alle Strahlungskomponenten werden in Einheit W m -2 an einer horizontalen Fläche verwendet die kurzwelligen und langwelligen Strahlungskomponenten werden hier alle als positive Größen verwendet. Das ist nicht immer so der Fall Q S kann somit negative Werte annehmen an klaren Tagen gilt: L > L

4 Tagesgänge unterschiedlicher Strahlungsflussdichen im Fichtelgebirge (NE Bayern) über Wald Strahlungsbilanz die langwellige Einstrahlung ist meist kleiner als die langwellige Ausstrahlung die Strahlungsbilanz ist meist tagsüber positiv und nachts negativ

5 nächtliche negative Strahlungsbilanz führt zu Abkühlung des Bodens die bodennahe Luft wird auch abgekühlt es bildet sich eine bodennahe Inversion, die sehr stabil geschichtet ist (statische Stabilität, hydrostatische Stabilität) nächtliche Abkühlung

6 Erwärmung tagsüber die positive Strahlungsbilanz am Tag heizt den Boden auf die bodennahe Luft wird auch erwärmt es ensteht statische Instabilität

7 Erwärmung tagsüber warme Luft steigt auf eine Ausgleichsbewegung nach unten findet statt der Temperaturgradient wird ausgeglichen; die Heizung vom Boden her ist weiterhin in Betrieb; thermisch induzierte Turbulenz ist geboren

8 Erwärmung tagsüber eine turbulente atmosphärische Grenzschicht baut sich auf: Mischungsschicht an heißen Sommertagen kann sie eine Mächtigkeit bis zu über 3000 m über Grund erreichen.

9 erneute Abkühlung nachts in einer Folgenacht kann es wieder zur Abkühlung (und Stabilisierung) von unten her kommen

10 erneute Abkühlung nachts in einer Folgenacht kann es wieder zur Abkühlung (und Stabilisierung) von unten her kommen

11 erneute Abkühlung nachts wenn nun wieder tagsüber Erwärmung von unten her erfolgt, kommt es zu einer abgehobenen Inversion (freie Inversion)

12 Die Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der direkt durch den Einfluss des Erdbodens beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 Stunde reagiert. nach Stull, MittagMitternachtSonnenuntergangMittagSonnenaufgang Höhe über Grund [m] Speicherschicht Stabile Grenzschicht Mischungsschicht (Grenzschicht) Freie Troposphäre Inversionsschicht Zeit Mischungs- schicht Wolkenschicht Grenzschichtentwicklung im Tagesverlauf

13 Grenzschicht - Stabilität aus: Kraus, 2000

14 Grenzschicht - Stabilität Hüffergarten Münster, , 08:30 Uhr

15 Grenzschicht - Stabilität aus: Häckel, 1999

16 Einfluss der Reibung logarithmisches Windprofil in Bodennähe nicht exakt an der Bodenoberfläche wird die Windgeschwindigkeit Null, sondern in einer Höhe z 0 z 0 ist die Rauhigkeitslänge z0z0

17 Einfluss der Reibung die Rauhigkeits- länge z 0 wird hier h 0 genannt gilt: aus: Häckel, 1999

18 Windfeld über einem Wald die Rauhigkeitslänge z 0 ist nicht zu verwechseln mit der Verdrängungshöhe d aus: Hupfer, 1996

19 Windfeld über einem Wald interne Grenzschicht

20 Einfluss der Reibung die Voraussetzungen für die Annahme des logarithmischen Windprofiles gelten für idealisierte neutrale Stabilitätsbedingungen Das heißt z.B., es darf keine thermisch induzierte Turbulenz auftreten unter stabilen und labilen Bedingungen wird das Windprofil in jedem Falle verändert. aus: Stull, 1995

21 Energiebilanz an der Bodenoberfläche bezüglich der Vorzeichen herrscht mitunter Verwirrung. Diese Abbildung zeigt, wie hier positive Flüss gerichtet sind. (Index 0: Flussdichten 0 m über Grund) aus: Kraus, 2000

22 Energiebilanz Energiebilanz an der Wald- Forschungsstation Waldstein im Fichtelgebirge (NE Bayern)


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