Einführung in die Klimatologie

Präsentation zum Thema: "Einführung in die Klimatologie"—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Klimatologie
Prof. Dr. Otto Klemm 11. Atmosphärische Grenzschicht PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, Bayreuth Tel.: ; FAX: Stand: 08/2000

2 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

3 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

4 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

5 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“)

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

7 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

8 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.

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

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

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

12 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

13 Grenzschicht - Stabilität
aus: Kraus, 2000

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

15 Grenzschicht - Stabilität
aus: Häckel, 1999

16 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

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

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

19 Windfeld über einem Wald
interne Grenzschicht

20 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

21 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

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