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

Kapitel 5 Bestimmung der EnergieFlüsse 5.1 Gradientmethode 5.2 Eddy-Korrelationsmethode 5.3 Bodenwärmestrom LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler

Monin-Obukhov-Gleichungen Ausgangsgleichungen Profilfunktionen  sind nur Funktion von z/L z = Höhe L = Monin-Obukhov Länge Funktion von u* und * in Prandtl-Schicht konstant, aber abhängig von Stabilität Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

Vertikale integration Monin-Obukhov-Gl. lassen sich vertikal integrieren ergibt vertikale Profile der mittleren Größen u, , q Profile hängen nur noch ab von Beispiel: neutrale Schichtung ()  1 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

Logarithmisches Windprofil Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

zu bestimmende Parameter Vertikalprofile Analog folgen für neutrale Schichtung zu bestimmende Parameter Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

Bestimmung der Parameter Messung der Profile in 2 Höhen z1 und z2 u*, *, q*, z0, 0, q0 sind bestimmt Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

Flüsse H, E und  in der Prandtl-Schicht sind bestimmt tuRbulente Flüsse Für nicht neutrale Schichtung wird Integration komplizierter, bleibt aber analytisch lösbar siehe VDI Richtlinie 3783 Blatt 8 Mit u*, *, q*, z0, 0, q0 sind die mittleren Profile für u,  und q eindeutig bestimmt Flüsse H, E und  in der Prandtl-Schicht sind bestimmt Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

DiffusionsKoeffizienten Diffusionskoeffizienten KH, KE, KM sind bestimmt Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.1 Gradientmethode

Direkte Flussbestimmung Turbulenter Fluss ist proportional zum Mittelwert des Produktes der zeitlichen Fluktuationen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.2 Eddy-Korrelationsmethode

Kovarianz der Fluktuationen Statistische Interpretation des turbulenten Flusses Ist Kovarianz der Abweichungen (Fluktuationen) vom zeitlichen Mittel über ein größeres Zeitintervall (z.B. 10 min) auf dem die mittleren Größen mit Standardgeräten messbar sind deutlich größer als Zeitskala der turbulenten Fluktuationen kleiner als Zeitskala der Veränderung der mittleren Größen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.2 Eddy-Korrelationsmethode

Messung der hochfrequenten Schwankungen Messmethode Messung der hochfrequenten Schwankungen empfindliche Messung von w und  mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (im Hz-Bereich) erfordert „trägheitslose“ Messgeräte Berechnung von Mittelwert und Abweichung auf supra-turbulenter Zeitskala in diskreten Intervallen Berechnung der Kovarianz der Abweichungen direkte Bestimmung des turbulenten Flusses Eddy-Korrelationsmessung mit Ultraschall-Anemometer (USA) Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.2 Eddy-Korrelationsmethode

Transportgleichung für Wärme Wärmeleitung im Boden Bodenwärmestrom Transport der Wärme durch Wärmeleitung Transportgleichung für Wärme Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom

Wärmeleitungsgleichung Falls ρ und  nicht von z abhängen, folgt: Ziel: Bestimmung von B an Erdoberfläche (B0) Dazu wird  durch Messung der zeitlichen und vertikalen Änderung der Temperatur betsimmt Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom

Methode zur Bestimmung von  Wir betrachten 3 Bodenschichten gesucht wird B0 z T0 z0 B0 >0 z1 h1 T1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ z3 h3 T3 z3 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom

Methode zur Bestimmung von  B2´ und B1´ in Gl. * einsetzen und nach  auflösen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom

Methode 1 (direkte Flussbestimmung) Bestimmung von B0 Methode 1 (direkte Flussbestimmung) T0 z0 B0 z1 h1 T1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ z3 h3 T3 z3 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom

Methode 2 (über Wärmeleitungsgleichung) Bestimmung von B0 Methode 2 (über Wärmeleitungsgleichung) T0 z0 B0 z1 h1 T1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ z3 h3 T3 z3 Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum" 5 Bestimmung der Energieflüsse 5.3 Bodenwärmestrom