Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie

Präsentation zum Thema: "Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie"—  Präsentation transkript:

1 Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie 13. 11
Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie Andreas Kerschbaumer

2 Gliederung Definition und Einführung
Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht Viskose Unterschicht Die Prandtl-Schicht Die Ekman-Schicht Grenzschichtmodellierung Wichtige Grenzschichtparameter für die Schadstofftransportmodellierung Mischungsschichthöhe Schubspannungsgeschwindigkeit Monin-Obukhov-Länge

3 Definition und Einführung
„We can define the boundary layer as that part of the troposphere that is directly influenced by the presence of the earth‘s surface, and responds to surface forcings with a timescale of about an hour or less.“ (Stull, 1988) z.B.: Reibungskraft, Verdunstung, Transpiration, Wärmefluss, Schadstoffemission, Gebirgsüberströmung

4 Definition und Einführung
PBL top July 2001 Downtown LA

5 Definition und Einführung

6 Definition und Einführung
Turbulenz dominiert die diffusiven Prozesse in der Grenzschicht (molekulare Diffusion oberhalb einiger mm Höhe vernachlässigbar), dominiert den Transport in der Vertikalen Zeitskala der turbulenten Bewegung variiert von einigen Sekunden bis zu ca. 30min Untergrund und Stabilität bestimmen Struktur der Grenzschicht Rauhigkeitslänge beeinflusst den Betrag der Turbulenz, die Schubspannung und die Form des Windprofils Stabilität beeinflusst die Struktur der Turbulenz  vertikale Durchmischung der Parameter

7 Oke, 1978 Roughness Stability

8 Definition und Einführung
Tageslauf typischer 24h Tageslauf der Grenzschicht über Land über dem Ozean kein deutlicher Tageslauf vorhanden  Stabilität abhängig von dem Verhältnis zwischen der advehierten Luftmasse und der Meeresoberflächentemperatur

9 Idealisiertes mittleres Profil
Beljaars, 1992 „idealer“ Tag Idealisiertes mittleres Profil Potentielle Temperatur Windge- schwindigkeit Dichte convective Boundary Layer nocturnal stable Boundary Layer

10 Tageslauf Energiebalance
über Wald Nettostrahlung Q* Sensibler Wärmefluss QH Latenter Wärmefluss QE Bodenwärmefluss ΔQS Oke, 1978

11 Erhaltungsgrößen in der Grenzschicht
Erhaltungsgrößen für adiabatische Prozesse Potentielle Temperatur = T(p0/p)R/cp = T(p0/p)0.286 Energie s = cpT+gz Stabilität wird über diese Größen definiert: Dichte des Luftpaketes, das adiabatisch gehoben oder gesenkt wird, im Vergleich zur Umgebungsdichte.

12 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

13 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

14 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Viskose Unterschicht Wenige Millimeter stark Keine Turbulenz  Transport von Wärme und Feuchte von Erdoberfläche in Atmosphäre durch molekulare Vorgänge Meist bei Betrachtung der Grenzschicht vernachlässigt, da keinen Einfluss auf die Dynamik der Grenzschicht

15 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht Vertikale Erstreckung von 20m-100m (abhängig von thermischer Schichtung) Turbulente Flüsse annährend höhenkonstant  vereinfachte Berechnung von Wind- und Temperaturprofilen Einfluss Corioliskraft in diesen Höhen noch gering  keine Winddrehung mit der Höhe, lediglich betragsmäßige Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe

16 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht Turbulente Flüsse annährend höhenkonstant Turbulenz: räumlich und zeitlich irregulär rotationsbehaftet keine eigenständige Bewegungsform keine Materialeigenschaft

17 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht

18 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht

19 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG Turbulentes Strömungsregime Flüsse zwischen Untergrund und Atmosphäre sind höhenkonstant (+-10%) Quantitative Eigenschaften der Atmosphäre nehmen logarithmisch zu/ab -> Windscherung Langsame untere Schichten bremsen schnellere obere Schichten

20 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG

21 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG

22 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht

23 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG „Mischungsweg“ l d.i. jener Weg, über den kleine Flüssigkeitsteilchen durch die Turbulenz transportiert und dabei in ihrer Geschwindigkeit (Impuls) geändert werden.

24 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG

25 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG Die Mischungsweglängen sollten mit der Höhe z zunehmen (grössere Turbulenzelemente) und positiv korreliert sein

26 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Prandtl-Schicht HERLEITUNG Bei u* höhenkonstant -> Integration

27 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Nimmt Hauptteil der Grenzschicht ein, ca. 1-2km hoch Turbulenten Flüsse nehmen in dieser Schicht mit Höhe ab und verschwinden an Obergrenze der Schicht  laminare Luftströmung oberhalb der Ekman-Schicht Einfluss Corioliskraft nicht vernachlässigbar  Drehung des Windvektors mit der Höhe zum aufgeprägten geostrophischen Wind hin

28 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht

29 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Freie Atmosphäre = Reibung vernachlässigbar => Druckgradientkraft und Corioliskraft sind in Gleichgewicht Geostrophischer Wind (isobarenparalleler Wind) Ekman – Schicht: Reibung reduziert Windgeschwindigkeit => Coriolis-Kraft Nordhalbkugel: Linksablenkung der Windrichtung Je näher zum Erdboden, desto größer Reibung Prandtl - Schicht Reibung ist wichtiger als Coriolis-Kraft

30 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht

31 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm Coriolis- + Druck- + Reibungskraft = 0

32 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm

33 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm

34 Aufbau der atmosphärischen Grenzschicht
Ekman-Schicht Navier-Stokes-Gleichung mit Reibungsterm Randbedingungen für die Lösung des System 2. Ordnung:

35 Ekman-Schicht

36 Monin-Obukhov-Länge

37 Monin-Obukhov-Länge Zeitliche TKE – Änderung:
Term: TKE-Produktion durch Windscherung (mechanisch) Term: thermischer Turbulenzgewinn (stabilitätsabhänigig) Term: Dissipation der kinetischen Turbulenzenergie Term: Divergenz des turbulenten Transports der Turbulenzenergie

38 Monin-Obukhov-Länge Monin-Obukhov-Länge: Höhe, oberhalb derer diabatische (thermische) Terme eine größere Rolle spielen als die TKE-Dissipation L > => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L < => labile Schichtung

39 Monin-Obukhov-Länge L > 0 => stabile Schichtung
=> Neutrale Schichtung L < => labile Schichtung

40 Monin-Obukhov-Länge L > 0 => stabile Schichtung
=> Neutrale Schichtung L < => labile Schichtung

41 Mischungsschichthöhe

42 Mischungsschichthöhe

43 Mischungsschichthöhe

44 Danke für die Aufmerksamkeit!

45 Themen: Grenzschicht – Luftqualität: Kurzvortrag
Operationelle Luftschadstoffmessungen Messungen zur Beschreibung der Mischungsschicht Saharastaub Turbulenzparametrisierung Waldschadensbericht Wärmeinsel (Urban Heat Island) Gauß-Modelle Satellitendaten - Luftschadstoffmessungen Institutionen: Erfassung, Maßnahmenplanung: EU -> Stadt

46 Themen: Grenzschicht – Luftqualität: Kurzvortrag
Bemerkung: Die Studenten können auch zu zweit ein Theme wählen 20 Nov. Vortrag vorbereiten 27 Nov. Vortrag vorbereiten 4 Dez. Vorträge 11 Dez. Vorträge