Einführung in die Klimatologie Prof. Dr. Otto Klemm 11. Atmosphärische Grenzschicht PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000

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

Strahlungsbilanz Die Strahlungsbilanz an der Bodenoberfläche QS 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 QS kann somit negative Werte annehmen an klaren Tagen gilt: L > L

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

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 ensteht 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 Einfluss des Erdbodens beeinflusst ist und auf Einflüsse des Bodens innerhalb eines Zeitraums von ca. 1 Stunde 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

Hüffergarten Münster, 17.01.2003, 08:30 Uhr Grenzschicht - Stabilität Hüffergarten Münster, 17.01.2003, 08:30 Uhr

Grenzschicht - Stabilität aus: Häckel, 1999

Einfluss der Reibung logarithmisches Windprofil in Bodennähe nicht exakt an der Bodenoberfläche wird die Windgeschwindigkeit Null, sondern in einer Höhe z0 z0 ist die Rauhigkeitslänge z0

Einfluss der Reibung die Rauhigkeits- länge z0 wird hier h0 genannt gilt: aus: Häckel, 1999

Windfeld über einem Wald die Rauhigkeitslänge z0 ist nicht zu verwechseln mit der Verdrängungshöhe d aus: Hupfer, 1996

Windfeld über einem Wald interne Grenzschicht

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

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

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