Umweltmeteorologie 1. Allgemeines Prof. Dr. Otto Klemm 1. Allgemeines Prof. Dr. Otto Klemm

Umweltmeteorologie Die Vorlesung befasst sich mit Themen aus Physik und Chemie der Atmosphäre, die für Umweltnaturwissenschaftler von besonderer Bedeutung sind. Im Zentrum stehen Prozesse in der atmosphärischen Grenzschicht: Atmosphäre, Ausbreitung von Spurenstoffen Lufthygiene und atmosphärische Chemie (Gasphase) Physik und Chemie von Nebel und Wolken Dynamik atmosphärischer Aerosolpartikel Messtechnik Die Vorlesung richtet sich an alle interessierte Studierenden der Naturwissenschaften: z.B. Landschaftsökologie, Physik, Chemie, Geophysik, Geologie, Geophysik, Geoinformatik Voraussetzung: Grundkenntnisse der Klimatologie

http://btdqs.usgs.gov/acidrain/CENRAQRSairmonitoring.pdf

Allgemeines und Einführung Gliederung Allgemeines und Einführung Zeitschriften und Bücher räumliche und zeitliche Skalen Definitionen Atmosphärische Grenzschicht Energiebilanz an der Oberfläche Wasserdampfflüsse

Gliederung Eddy – Kovarianz Stabilität Reynolds-Averaging Taylor - Hypothese Stationarität Eddy – Akkumulationsverfahren Eigenschaften der Turbulenz Footprint Korrekturverfahren Stabilität statische und dynamische Stabilität Richardson-Zahl Monin-Obuchov - Länge

grundlegende Gleichungen Gliederung grundlegende Gleichungen Kontinuitätsgleichung Turbulenz - Schließung weitere Verfahren zur Depositionsmessung Gradientverfahren Inferentialmodell

Ausbreitungs – Modellierung Spurengase Ozonbildung Aerosolpartikel Gliederung Ausbreitungs – Modellierung Standardverfahren für Fahnen-Ausbreitung Spurengase Ozonbildung Aerosolpartikel Stadtmeteorologie Wärmeinsel Flurwinde Lufthygiene

was wir nicht behandeln: Gliederung Wolken und Nebel Luftverkehr Remote Sensing was wir nicht behandeln: Wettervorhersage Windenergie / Sonnenenergie Klimatrends

organisatorisches http://kli.uni-muenster.de Username: Passwort: Skript im www: http://kli.uni-muenster.de Username: Passwort:

Bücher Arya, P.S. (1988) Introduction to Micrometeorology. San Diego u.a.: Academic Press, 303 S. Arya, P.S. (1998): Air Pollution Meteorology and Dispersion. Oxford Univ Press; ISBN: 0195073983 Finlayson-Pitts, B.J. & Pitts, J.N. (2000): Chemistry of the Upper and Lower Atmosphere: Theory, Experiments, ans Applications. Academic Press, 969 S. Seinfeld, J.H. & Pandis, S.N. (1998): Physics and Chemistry of the Atmosphere, John Wiley & Sons, 1326 S. Stull, R.B. (1994) an Introduction to Boundary Layer Meteorology. Dordrecht u.a.: Kluwer Academic Publishers, 666 S. Stull, R.B. (1995) Meteorology Today for Scientists and Engineers. West Publ. Comp., Minneapolis, 385 S.

Bücher Helbig, A., Baumüller, J., Kerschgens, J. (Eds.) (1999) Stadtklima und Luftreinhaltung. Berlin, Heidelberg, New York: Springer Verlag, 467 S. ISBN 3-540-64206-4; IfL-Bibliothek: 05 02 07 42 Häckel, H. (1999) Meteorologie. Stuttgart: Verlag Eugen Ulmer, 448 S. ISBN3-8252-1338-2; ULB Münster: GEO 8: Hae Fezer, F. (1995) Das Klima der Städte. Gotha: Justus Perthes Verlag, 199 s. ISBN 3-623-00841-9; IfL-Bibliothek: Be 391 Foken, T. (2993) Angewandte Meteorologie: Mikrometeorologische Methoden. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 289 S. ISBN 3-540-00322-3

Zeitschriften Journal of Geophysical Research D Atmospheric Environment Environmental Science and Technology Boundary Layer Meteorology Nature Science Environmental Science and Pollution Research Environmental Pollution Journal of Aerosol Science Water, Air, and Soil Pollution Zeitschrift für Meteorologie Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft Umweltwissenschaften und Schadstoffforschung

Skalen Stadtklimatologie 1 h Grenzschicht 2 km

atmosphärische Turbulenz Mit „Turbulenz“ bezeichnet man die unregelmäßige, scheinbar chaotische Struktur der Veränderungen der Temperatur, des Bewegungsvektors, und vieler skalarer Beimengungen der Luft um ihren Mittelwert in Raum und/oder Zeit nach zufälligen erscheinenden Mustern. Bewegungen in der atmosphärischen Grenzschicht sind fast immer turbulenter Natur. Das Gegenstück zu Turbulenz ist „laminarer Fluss“ Turbulenzelemente sind „Wirbel“ oder engl. „eddies“ Größe und Lebens-dauer von Turbulenz-elementen sind mit-einander verknüpft: Sie reichen von Bruch-teilen eines cm (ent-spr. Bruchteilen von s) bis zu Tausenden vom km (einige Tage)

atmosphärische Turbulenz Die Reynolds – Zahl Re beschreibt den Turbulenzgrad bzw. den Übergang von laminarem zu turbulenem Fluss-Regime Die Reynolds – Zahl Re ist interpretierbar als das Verhältnis zwischen Trägheitskräften und viskosen Kräften Re Reynolds – Zahl - V Skala der Geschwindigkeit m · s-1 L Skala der räumlichen Ausdehnung m ν kinematische Viskosität der Luft  1.5 · 10-5 m2 s-1 bei Reynolds-Zahlen von etwa Re  2100 (kritischer Reynoldszahl) findet der Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung statt für V  5 m s-1 und L  100 m ist: Re  3 · 107

atmosphärische Turbulenz Turbulenz wird angetrieben durch:  Dichteunterschiede: z.B. Erwärmung führt zu statischer Destabilisierung  mechanische Reibung Turbulenz ist wahrnehmbar !

Einfluss des Erdbodens auf die Atmosphäre 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. 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

nächtliche Abkühlung 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“)

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

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

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.

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

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

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

Grenzschichtentwicklung im Tagesverlauf Die Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der direkt durch den Erdboden beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 h reagiert. 2000 Freie Troposphäre Wolkenschicht 1500 Inversionsschicht Höhe über Grund [m] 1000 Speicherschicht Mischungsschicht (Grenzschicht) Mischungs- schicht 500 Stabile Grenzschicht Mittag Sonnenuntergang Mitternacht Sonnenaufgang Mittag Zeit nach Stull, 1988

Grenzschicht - Stabilität aus: Kraus, 2000

Grenzschicht - Stabilität aus: Häckel, 1999