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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.
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Instrumentenpraktikum Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung im Studiengang Umweltingenieurwesen Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie
Kapitel 5Bestimmung der EnergieFlüsse 5.1 Gradientmethode 5.2 Eddy-Korrelationsmethode 5.3 Bodenwärmestrom LS UmweltmeteorologieDr. 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 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
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 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Logarithmisches Windprofil 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Vertikalprofile • Analog folgen für neutrale Schichtung zu bestimmende Parameter 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Bestimmung der Parameter • Messung der Profile in 2 Höhen z1 und z2 • u*, *, q*, z0, 0, q0 sind bestimmt 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
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 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
DiffusionsKoeffizienten • Diffusionskoeffizienten KH, KE, KM sind bestimmt 5 Bestimmung der Energieflüsse5.1 Gradientmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Direkte Flussbestimmung • Turbulenter Fluss ist proportional zum Mittelwert des Produktes der zeitlichen Fluktuationen 5 Bestimmung der Energieflüsse5.2 Eddy-Korrelationsmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
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 5 Bestimmung der Energieflüsse5.2 Eddy-Korrelationsmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
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) 5 Bestimmung der Energieflüsse5.2 Eddy-Korrelationsmethode Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Wärmeleitung im Boden • Bodenwärmestrom • Transport der Wärme durch Wärmeleitung • Transportgleichung für Wärme 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Wärmeleitungsgleichung • 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 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Methode zur Bestimmung von • Wir betrachten 3 Bodenschichten • gesucht wird B0 z T0 z0 B0 >0 h1 T1 z1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ h3 T3 z3 z3 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Methode zur Bestimmung von • B2´ und B1´ in Gl. * einsetzen und nach auflösen 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Bestimmung von B0 • Methode 1 (direkte Flussbestimmung) T0 z0 B0 h1 T1 z1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ h3 T3 z3 z3 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Bestimmung von B0 • Methode 2 (über Wärmeleitungsgleichung) T0 z0 B0 h1 T1 z1 z1 B1´ h2 T2 z2 z2 B2´ h3 T3 z3 z3 5 Bestimmung der Energieflüsse5.3 Bodenwärmestrom Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
