Überprüfung der Homogenitätsannahme und der Gültigkeit der Taylor Hypothese in atmosphärischen Grenzschichtströmungen mittels räumlich verteilter Messungen einer UAS Flotte

Im Rahmen des Projekts SWUF-3D wurden während der Messkampagne FESSTVaL im Sommer 2021 am Grenzschichtmessfeld (GM) Falkenberg des DWD räumlich separierte Messungen in der atmosphärischen Grenzschicht mittels einer Flotte Quadrotor UAS (Unmanned Aerial System) durchgeführt. Es wurden mehrere UAS in einer horizontalen Ebene sowohl in Strömungsrichtung, als auch senkrecht dazu angeordnet, um so das turbulente Windfeld simultan an mehreren festen Punkten zu vermessen. Die Strömungsrichtung wurde dabei aus Windmessungen des 99 m hohen Messmasts am GM bestimmt.  Variierende räumliche Abstände zwischen benachbarten UAS im horizontalen Messmuster erlauben Turbulenzauswertungen als Funktion der Distanz.  Die Messungen können genutzt werden, um die in der atmosphärischen Grenzschichtforschung vielfach verwendeten Annahmen der Homogenität und der Taylor Hypothese zu überprüfen.  Um mögliche Abhängigkeiten dieser Annahmen von unterschiedlichen atmosphärischen Randbedingungen zu erkennen, wurde die Messstrategie unter verschiedenen Bedingungen (neutral, konvektiv und stabil geschichtete Grenzschicht) wiederholt. Die Messergebnisse zeigen, dass im Rahmen der Messgenauigkeit keine signifikante Verletzung der Homogenitätsannahme für die untersuchten atmosphärischen Randbedingungen in der Mikroskala vorliegt.  Abnahmen mit der Distanz der in Strömungsrichtung berechneten Kreuzkorrelationsfunktionen und Kohärenzen, deuten darauf hin, dass Taylor’s Hypothese der eingefrorenen Turbulenz, die mit dem mittleren Wind transportiert wird, nicht gänzlich für alle Skalen anwendbar ist.  Jedoch sind hierbei auch Messgenauigkeiten der UAS und leichte Fehlausrichtung des Messmusters gegenüber der tatsächlich vorherrschenden Windrichtung während des Flugs zu berücksichtigen. Die Fehlausrichtung führt dazu, dass eine turbulente Struktur nicht parallel durch alle Messpunkte durchwandert, sondern mit einer seitlichen Verschiebung. Die Studie zeigt das Potential zur in-situ Vermessung zeitlich und räumlich komplexer Strömungen mit einer Flotte von Quadrotor UAS im Skalenbereich von 5 m bis 200 m. Eine Ausdehnung des Messvolumens über die Mikroskala hinaus kann in Zukunft einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis kohärenter Strukturen in der turbulenten atmosphärischen Grenzschicht leisten.