Instrumentenpraktikum

Präsentation zum Thema: "Instrumentenpraktikum"—  Präsentation transkript:

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

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

3 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

4 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

5 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

6 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

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

8 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

9 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

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

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

12 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

13 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

14 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

15 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

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

17 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

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

19 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

20 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