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Instrumentenpraktikum Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung im Studiengang Umweltingenieurwesen Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie.

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Präsentation zum Thema: "Instrumentenpraktikum Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung im Studiengang Umweltingenieurwesen Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie."—  Präsentation transkript:

1 Instrumentenpraktikum Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung im Studiengang Umweltingenieurwesen Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie

2 Kapitel 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden 1.2 Energiebilanz LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler

3 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 3 Solare Strahlung 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden Boden Solare Einstrahlung S Albedo A Reflektierte Strahlung S = A S Kurzwellige Strahlungsbilanz Q S = S – S = (1 – A) S Atmosphäre

4 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 4 Terrestrische Strahlung 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden Boden Albedo A Q S = S – S Atmosphäre Thermische Ausstrahlung L Atmosphärische Gegenstrahlung L Langwellige Strahlungsbilanz Q L = L – L

5 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Sensibler und Latenter WärmefluSS 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden Boden Albedo A Q S = S – S Atmosphäre Q L = L – L Wärmeabgabe Verdunstung Fühlbarer Wärmestrom H Latenter Wärmestrom E

6 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 6 Bodenwärmestrom 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden Boden Albedo A Q S = S – S Atmosphäre Q L = L – L HE Wärmefluss in Erdboden B

7 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 7 Bilanzierung von Flüssen Eine Grenzfläche kann keine Energie speichern –Sie kann Energieflüsse nur umwandeln An der Erdoberfläche muss daher die Summe der zufließenden Energie gleich der Summe der abfließenden Energie sein 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben

8 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 8 Die Bodenenergiebilanz Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz Q S > 0Q L < 0H > 0E > 0 B > 0 Q = H + E + B Strahlungsbilanz Q = Q S + Q L Q – H – E – B = 0

9 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 9 Änderung der Flussbilanzen Vorzeichen der Wärmeflüsse und Strahlungs- bilanzen können wechseln Beispiel: Wolkenfreie (Strahlungs-) Nacht 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz Q S = 0Q L < 0H < 0E < 0 B < 0 Q – H – E – B = 0

10 Kapitel 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen 2.2 Transport durch Turbulenz 2.3 Turbulente Flüsse 2.4 Schließungsansatz für Turbulente Flüsse LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler

11 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 11 Beispiel: TemperaturmeSSung 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen = +

12 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 12 Reynolds-Zerlegung Skalentrennung der Variablen in –langsam variierenden zeitlich gemittelten Anteil –schnelle stochastische Fluktuationen 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen

13 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 13 Reynolds-Zerlegung Analoge Skalentrennung für alle meteorologischen Variablen –Temperatur (T), Dichte (ρ), Druck (P) –Geschwindigkeitskomponenten (u,v,w) –Spezifische Feuchte (q) 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen

14 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 14 Turbulenter Austausch 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz z Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z1z1 z2z2 z3z3 Schichtmitteltemperatur = turbulenter Austausch

15 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 15 Turbulenter Austausch 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz z Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z1z1 z2z2 z3z3 Schichtmitteltemperatur = turbulenter Austausch

16 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 16 Turbulente durchmischung Turbulenter Austausch von Luftteilchen zwischen verschiedenen Schichten bewirkt: –vertikale Durchmischung der Atmosphäre –Austausch von Eigenschaften (Temperatur z.B.) Durch Austausch von Teilchen entsteht ein turbulenter Wärmefluss der –wärmere Luft von unten nach oben –und kältere Luft von oben nach unten transportiert Stärke des Wärmeflusses hängt ab von –Intensität des Austausches –Temperaturunterschied zwischen Schichten 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz

17 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 17 Turbulenzterme z Mathematische Beschreibung der turbulenten Flüsse z1z1 z2z2 z3z3 Schichtmitteltemperatur = T 2 = T 3 = T > 0 w > 0 T < 0 w < 0 Tw > 0 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz

18 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 18 Turbulenter Wärmefluss Repräsentiert zeitliches Mittel des Produktes der turbulenten Fluktuationen T und w Ist > 0 wenn T mit Höhe (z) abnimmt –Wärmefluss von unten nach oben Ist < 0 wenn T mit Höhe (z) zunimmt –Wärmefluss von oben nach unten Nimmt zu, wenn Fluktuationen T, w zunehmen Ist Maß für turbulenten Wärmefluss 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse

19 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 19 Turbulente Flüsse Turbulenter sensibler Wärmefluss – = Dichte –c p = spezif. Wärmekapazität der Luft Analog folgen der turbulente latente Wärmefluss –q = spezifische Feuchte –L = Kondensationswärme von Wasserdampf turbulente Impulsfluss –u, v, w Geschwindigkeitsfluktuationen –als Maß für die Reibung durch Turbulenz 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse

20 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 20 Turbulenter Impulsfluss Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten Mittlere Geschwindigkeits- komponenten 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse = u 3 = 0 = u 2 = 0 = u 1 = 0 u 3 > u 2 > u 1 z z1z1 z2z2 z3z3 u 2 = u 3 = u < 0 w > 0 u > 0 w < 0 uw < 0

21 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 21 Schließungspropblem Turbulente Fluktuationen u, v, w, T, q, ρ, p i.d.R. nur schwer messbar Mittlere Größen der atmosphärischen Parameter wesentlich leichter messbar Können die turbulenten Flüsse aus den mittleren Größen abgeleitet werden ? Ja! Das nennt man dann eine Parametrisierung. –Unbekannt Größen näherungsweise durch bekannte Größen ausdrücken 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.4 Schließungsansatz für turbulente Flüsse

22 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 22 Parametrisierungsansatz Turbulenter Fluss hängt ab von der –Vertikalen Änderung der Eigenschaft (z.B. Temperatur) vertikaler Gradient –Intensität des vertikalen Austausches Turbulenzstärke Daraus ergibt sich folgender Ansatz zur Beschreibung des turbulenten Flusses 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.4 Schließungsansatz für turbulente Flüsse

23 LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 23 Die turbulenten Flüsse 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.4 Schließungsansatz für turbulente Flüsse Sensibler Wärmefluss (J kg -1 m 2 ) Latenter Wärmefluss (J kg -1 m 2 ) Impulsfluss (kg m -1 s -2 )


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