Die atmosphärische Grenzschicht Modul Luftchemie 13.11.2009 Andreas Kerschbaumer

1. Die atmosphärische GrenzschichtModul Luftchemie 13.11.2009 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. July 2001 Downtown LA PBL top Definition und Einführung

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. Roughness Stability Oke, 1978

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

10. Tageslauf Energiebalance 10.07.1970 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 > 0 => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L < 0 => labile Schichtung

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

40. Monin-Obukhov-Länge L > 0 => stabile Schichtung => Neutrale Schichtung L < 0 => 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 14.00-15.30 • 27 Nov. Vortrag vorbereiten 14.00-15.30 • 4 Dez. Vorträge 14.00-15.30 • 11 Dez. Vorträge 14.00-15.30