Instrumentenpraktikum Theoretische Grundlagen: Bodenenergiebilanz und turbulenter Transport Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie

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

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

Terrestrische Strahlung Atmosphäre TA =Temperatur der Atmosphäre QS = S↓ – S↑ Langwellige Strahlungsbilanz QL = L↓ – L↑ Thermische Ausstrahlung L↑ Atmosphärische Gegenstrahlung L↓ Albedo A TS =Temperatur der Oberfläche Boden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden

Sensibler und Latenter Wärmefluss Atmosphäre QS = S↓ – S↑ QL = L↓ – L↑ Fühlbarer Wärmestrom H Latenter Wärmestrom E TA Verdunstung Wärmeabgabe Albedo A TS Wasser Boden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden

Bodenwärmestrom Atmosphäre QS = S↓ – S↑ QL = L↓ – L↑ H E TA Albedo A TS Wasser Bodentemperatur TB Wärmefluss in Erdboden B Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden

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 Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz

Die Bodenenergiebilanz Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben  Q = H + E + B Q – H – E – B = 0 QS > 0 QL < 0 H > 0 E > 0 Strahlungsbilanz Q = QS + QL B > 0 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz

Änderung der Flussbilanzen Vorzeichen der Wärmeflüsse und Strahlungs-bilanzen können wechseln Beispiel: Wolkenfreie (Strahlungs-) Nacht QS = 0 QL < 0 H < 0 E < 0 Q – H – E – B = 0 TS < TA TS TS < TB B < 0 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 1 Die Bodenenergiebilanz 1.2 Energiebilanz

Kapitel 2 Turbulente Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen 2.2 Transport durch Turbulenz 2.3 Turbulente Flüsse LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler

Beispiel: Temperaturmessung = ↑ + ↓ Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen

Ursache der schnellen Schwankungen Skalentrennung der Variablen in Reynolds-Zerlegung Ursache der schnellen Schwankungen turbulente Bewegung in der Atmosphäre Skalentrennung der Variablen in langsam variierenden zeitlich gemittelten Anteil schnelle ‚stochastische‘ Fluktuationen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen

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

Turbulenter Austausch ‘Lufttpakete‘ in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z Schichtmitteltemperatur z3 <T3> = turbulenter Austausch z2 <T2> = z1 <T1> = Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz

Turbulenter Austausch Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z Schichtmitteltemperatur z3 <T3> = turbulenter Austausch z2 <T2> = z1 <T1> = Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz

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 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.2 Transport durch Turbulenz

Turbulenzterme Mathematische Beschreibung der turbulenten Flüsse z Schichtmitteltemperatur T3 = <T3> z3 <T3> = T′ > 0 w′ > 0 T′ < 0 w′ < 0 T′w′ > 0 z2 <T2> = T2 = <T2> z1 <T1> = Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse

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 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse

Turbulenter sensibler Wärmefluss Turbulente Flüsse Turbulenter sensibler Wärmefluss  = Dichte cp = 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 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse

Turbulenter Impulsfluss Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten z Mittlere Geschwindigkeits- komponenten u3 = <u3> <u3> = u3 <w3> = 0 z3 u′ < 0 w′ > 0 u′w′ < 0 u′ > 0 w′ < 0 <u2> = u2 <w2> = 0 z2 u2 = <u2> <u1> = u1 <w1> = 0 z1 u3 > u2 > u1 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 2 Parametrisierung der Energieflüsse 2.3 Turbulente Flüsse