DACH-2

Doppler-Lidar-Systeme werden gegenwärtig zur Windprofilmessung in Bereichen wie Windenergie, Flughafensicherheit und Luftqualitätskontrolle eingesetzt. In den letzten Jahren haben diese Instrumente auch im Bereich meteorologischer Standardbeobachtung Aufmerksamkeit erlangt. Da Lidar-Windmessungen die gesamte vertikale Ausdehnung der atmosphärischen Grenzschicht abdecken können und eine hohe Auflösung liefern, sind sie besonders für die Datenassimilation in numerische Wettervorhersagemodelle von zunehmendem Interesse. Allerdings beruht die Lidar-Scan-Technik auf der Annahme eines horizontal homogenen Windfeldes. Diese Voraussetzung ist, vor allem unter konvektiven Bedingungen, meist nicht erfüllt. Der dadurch entstehende Messfehler ist experimentell nur schwer ermittelbar.

In dieser Studie wurden Large-Eddy-Simulationen (LES) zusammen mit virtuellen Lidar-Messungen verwendet, um den zu erwartenden Messfehler zu quantifizieren. Es wurden verschiedene Scan-Strategien für die Windbestimmung mit Doppler-Lidar-Systemen über homogenem und flachem Untergrund untersucht. Durch einen Vergleich des vom virtuellen Lidar gemessenen Windes mit dem von der LES generierten 'wahren' Wert wurden verschiedene Faktoren, die den Lidar-Messfehler beeinflussen, analysiert. Untersucht wurden dabei die Länge des Mittelungsintervalls, die Konfiguration des Zenitwinkels, das Abtastschema (velocity-azimuth display (VAD) und Doppler-beam swing (DBS)) und die Ausrichtung des Instrumentes in Bezug zur vorherrschenden Strömungsrichtung. Zudem wurden verschiedene meteorologische Situationen betrachtet. Zum ersten Mal wurden auch Ensemblesimulationen durchgeführt, um den statistisch zu erwartenden Lidar-Fehler zu bestimmen.

Die Ergebnisse liefern eine mittlere quadratische Abweichung (RMSD) von weniger als 0,06 m/s für 10-Minuten-Mittelwerte von Messungen der Windgeschwindigkeit in einer stabil geschichteten Grenzschicht. Bei mäßiger Konvektion beträgt die RMSD weniger als 1 m/s, während sie bei starker Konvektion 2 m/s überschreitet. Im Gegensatz zur Ausrichtung und zum Abtastschema erweist sich die Zenitwinkelkonfiguration des Instrumentes als signifikanter Faktor. Bei konvektiven Bedingungen verringert sich der Fehler der horizontalen Windgeschwindigkeit, wenn eine größere Zenitwinkelkonfiguration verwendet wird, erhöht sich jedoch für die Messung des Vertikalwindes.

Die Ergebnisse legen nahe, dass der Lidarfehler sowohl von den meteorologischen Bedingungen als auch von der Scanstrategie abhängt. Die Gerätekonfiguration sollte deshalb die Zielmessgrößen und die Strömungsverhältnisse berücksichtigen.

How to cite: Rahlves, C., Beyrich, F., and Raasch, S.: LES basierte Untersuchung von Scanstrategien zur Ableitung des Windprofils aus Doppler-Lidar-Messungen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-5, https://doi.org/10.5194/dach2022-5, 2022.

Zur räumlich verteilten Messung atmosphärischer Grenzschichtströmungen wurde im Projekt SWUF-3D ein Messsystem bestehend aus einer Flotte von Quadrotor - UAS entwickelt. Dieses neuartige System bietet den Vorteil, mehrere, räumlich flexible Messpunkte simultan zu erfassen.

Im Rahmen der Messkampagne FESSTVaL am Grenzschichtmessfeld (GM) Falkenberg des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wurden über 1000 Einzelflüge mit maximal 20 simultan fliegenden UAS durchgeführt. Ein möglichst eng gestaffeltes Flugmuster wurde verwendet, um die Messdaten der UAS zur Kalibrierung mit Ultraschallanemometern des 99m hohen Messmasts zu vergleichen. Der Algorithmus zur Berechnung des horizontalen Windvektors ist für Messungen im Schwebeflug ausgelegt und basiert auf dem Prinzip des aerodynamischen Widerstands und den dazu gehörigen Kräften und Bewegungen, welche nötig sind, um eine Positionsregelung gegen die Störgröße Wind aufrechtzuerhalten. Zur vollständigen Berechnung des horizontalen Windvektors wird neben der longitudinale, zusätzlich die laterale Geschwindigkeitsmessung des UAS kalibriert. Im Vergleich zu vorherigen Studien lässt sich somit eine deutliche Verbesserung der Windrichtungsmessung zu <4° erreichen. Der dynamische Anteil der Bewegungsgleichung wird unter Einbezug der Messdaten der Beschleunigungssensoren berücksichtigt. Die Ergebnisse der Kalibrierung zeigen eine mittlere Abweichung der longitudinalen Windgeschwindigkeit von 0.17 m s^-1 im Vergleich zu den Ultraschallanemometern. Ebenso wird eine gute Übereinstimmung der Varianzen in longitudinaler und lateraler Richtung mit einem RMSE von 0.16 m² s^-2 bzw.  0.1 m² s^-2 erreicht. Die Kalibrierungsflüge wurden unter unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen (stabil, neutral, und konvektiv) in einem Windgeschwindigkeitsbereich von 0-10 m s^-1 durchgeführt. Zur Untersuchung der Grenzen des Systems für Turbulenzmessungen werden vier Kalibrierungsflüge bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen betrachtet. Die Analyse der Frequenzspektren der Geschwindigkeitsmessungen zeigt, dass bei konvektiven, turbulenten Bedingungen turbulente Strukturen bis zu einer zeitlichen Auflösung von 2 Hz mit dem Messystem störungsfrei erfasst werden können. In stabiler Schichtung mit geringer Turbulenz sind die turbulenten Messungen dagegen limitiert und bewegen sich teilweise in der Größenordnung des Rausch-Levels der Sensoren, bzw. der Störung der Strömung durch die Rotoren.

Die Anwendungsmöglichkeiten der UAS-Flotte werden anhand zweier Fallstudien gezeigt. Messflüge mit 10 horizontal verteilten Messpositionen wurden genutzt um die räumliche Struktur der turbulenten Strömung zu erfassen. In einer Böenfront mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 17 m s^-1 wurden so Daten erfasst, die die rapide Änderung der Windstärke, und -richtung, sowie der Temperatur und Luftfeuchte über dem GM Falkenberg dokumentieren.

Mit kontinuierlichen vertikalen Profilmessungen über einen Zeitraum von 4.5 Stunden, die durch einen fortlaufenden Austausch der UAS realisiert wurden, konnte demonstrativ die morgendliche Entwicklung einer konvektiven Grenzschicht bis 200 m über Grund beobachtet werden. Für kurze Messkampagnen kann so unter Umständen in Zukunft auf die Installation teurer Infrastruktur wie Messmasten verzichtet, bzw. diese gezielt ergänzt werden.

How to cite: Wetz, T., Wildmann, N., and Zink, J.: Ertüchtigung und Validierung einer UAS Flotte zur Messung von turbulenter Strömung in der atmosphärischen Grenzschicht, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-75, https://doi.org/10.5194/dach2022-75, 2022.

Cold Pools sind mesoskalige Gebiete kalter und dichter Luftmassen, die durch Verdunstung von Hydrometeoren unterhalb regnender Wolken entstehen. Während die kalte Luft absinkt und sich als Dichteströmung an der Erdoberfläche ausbreitet, löst sie durch Hebung an ihrer Vorderseite häufig neue Konvektion aus oder forciert den Übergang von flacher zu tiefer Konvektion. Viele modellbasierte Arbeiten belegen die Bedeutung von Cold Pools für die Organisation von Konvektion. Operationelle Messnetze mit einer typischen Maschenweite von 25 km hingegen sind blind für sub-mesoskalige (O(100) m — O(10) km) Prozesse wie Cold Pools und erlauben somit weder die Untersuchung noch die Validierung ihrer raum-zeitlichen Struktur.

Im Rahmen der Messkampagne FESST@HH wurde von Juni bis August 2020 im Großraum Hamburg (50 km × 35 km) ein dichtes Netz bestehend aus 103 meteorologischen Messstationen betrieben. Das Rückgrat des Messnetzes bildeten 82 eigens für diesen Zweck entwickelte und gebaute APOLLO-Stationen (Autonomous cold POoL LOgger), die Lufttemperatur und -druck mit trägheitsarmen Sensoren in sekündlicher Auflösung messen. Das Netzwerk wurde mit 21 Wetterstationen ergänzt, die zusätzlich Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit und Niederschlag in 10-sekündiger Auflösung aufzeichnen und auf kommerziellen Sensoren basieren. Ein besonderes Merkmal von FESST@HH ist, dass die Durchführung der Kampagne während der COVID19-Pandemie nur durch eine große Zahl Freiwilliger ermöglicht wurde, die kurzfristig Messstandorte bereitgestellt und die Betreuung der Instrumente unterstützt haben.

Wir präsentieren die neuartigen Messinstrumente und den Datensatz der FESST@HH-Kampagne (DOI: 10.25592/UHHFDM.8966). Ein Fallbeispiel zeigt, dass das dichte Messnetz in der Lage ist sowohl die horizontale Heterogenität des Temperaturfeldes innerhalb eines Cold Pools als auch seine Größe und Ausbreitungsgeschwindigkeit während verschiedener Phasen des Lebenszyklus abzubilden. Darüber hinaus erlauben die Messungen einen neuen Blick auf weitere Quellen sub-mesoskaliger Variabilität wie die nächtliche städtische Wärmeinsel und die Variation turbulenter Temperaturfluktuationen als Ausdruck charakteristischer Standorteigenschaften.

How to cite: Kirsch, B., Hohenegger, C., Klocke, D., and Ament, F.: FESST@HH 2020: Ein dichtes Messnetz als Lupe für die Struktur konvektiver Cold Pools, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-248, https://doi.org/10.5194/dach2022-248, 2022.

Between 15 July 2020 and 19 September 2021, the Atmospheric Raman Temperature and Humidity Sounder (ARTHUS) collected data at the Lindenberg Observatory of the Deutscher Wetterdienst (DWD), including temperature and water vapor mixing ratio with a high temporal and range resolution.

During the operation period, very stable 24/7 operation was achieved, and ARTHUS demonstrated that is capable to observe the atmospheric boundary layer and lower free troposphere during both daytime and nighttime up to the turbulence scale, with high accuracy and precision, and very short latency. During nighttime, the measurement range increases even up to the tropopause and lower stratosphere.

ARTHUS measurements resolve the strength of the inversion layer at the planetary boundary layer top, elevated lids in the free troposphere, and turbulent fluctuations in water vapor and temperature, simultaneously (Lange et al., 2019, Wulfmeyer et al., 2015). In addition to thermodynamic variables, ARTHUS provides also independent profiles of the particle backscatter coefficient and the particle extinction coefficient from the rotational Raman signals at 355 nm with much better resolution than a conventional vibrational Raman lidar.

At the conference, highlights of the measurements will be presented. Furthermore, the statistics of more than 150 comparisons with local radiosondes will be presented which confirm the high accuracy of the temperature and moisture measurements of ARTHUS.

Acknowledgements

The development of ARTHUS was supported by the Helmholtz Association of German Research Centers within the project Modular Observation Solutions for Earth Systems (MOSES). The measurements in Lindenberg were funded by DWD.

References

Lange, D., Behrendt, A., and Wulfmeyer, V. (2019). Compact operational tropospheric water vapor and temperature Raman lidar with turbulence resolution. Geophysical Research Letters, 46. https://doi.org/10.1029/2019GL085774

Wulfmeyer, V., R. M. Hardesty, D. D. Turner, A. Behrendt, M. P. Cadeddu, P. Di Girolamo, P. Schlüssel, J. Van Baelen, and F. Zus (2015), A review of the remote sensing of lower tropospheric thermodynamic profiles and its indispensable role for the understanding and the simulation of water and energy cycles, Rev. Geophys., 53,819–895, doi:10.1002/2014RG000476

How to cite: Lange Vega, D., Behrendt, A., and Wulfmeyer, V.: Two months of measurements with an autonomous thermodynamic Raman lidar in Lindenberg, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-268, https://doi.org/10.5194/dach2022-268, 2022.

Die Energiebilanzlücke, die durch die Unterschätzung latenter und fühlbarer Wärmeströme in Eddy-Kovarianz-Messungen entsteht, ist ein seit Jahrzehnten bekanntes Problem. Seither wurden verschiedene Ansätze zur Schließung der Lücke entwickelt, die zu einer Verbesserung der Instrumentierung und der Anwendung verschiedener Korrekturmethoden in der Datenaufbereitung geführt haben. Diese Maßnahmen führten bisher jedoch noch nicht zu einer vollständigen Schließung der Energiebilanzlücke. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass der Energietransport durch sub-mesoskalige atmosphärische Zirkulationen definitionsgemäß nicht durch Eddy-Kovarianz-Messungen mit typischen Mittelungszeiten erfasst werden kann. Es gibt bereits einige Ansätze, die verbleibende Lücke zu schließen, indem der fehlende Anteil in unterschiedlichen Verhältnissen den gemessenen fühlbaren und latenten Wärmeflüssen zugerechnet wird. Allerdings gibt es nur wenige Ansätze, die diesen fehlenden Anteil auf der Grundlage kausaler Faktoren bestimmen. Als wichtiger Faktor wurde neben der atmosphärischen Stabilität die Heterogenität der Landschaft, insbesondere die thermische Ungleichmäßigkeit, identifiziert. In einer idealisierten Large-Eddy-Simulationsstudie wurde daher ein neues Modell der Energiebilanzlücke in Abhängigkeit eines atmosphärischen Stabilitätsparameters und eines Heterogenitätsparameters, der sowohl die Amplitude der Oberflächentemperatur als auch die vorherrschende Heterogenitätsskala berücksichtigt, entwickelt. Dieses Modell kann mit nur wenigen zusätzlichen Messungen zur Korrektur von Eddy-Kovarianz-Messungen unter instabilen und konvektiven atmosphärischen Bedingungen in Landschaften unterschiedlicher Oberflächenheterogenität verwendet werden. Das Modell wurde an 17 Eddy-Kovarianz-Stationen, die im Sommer und Herbst 2019 über einen Zeitraum von drei Monaten im Rahmen der umfassenden CHEESEHEAD19 (Chequamegon Heterogeneous Ecosystem Energy-balance Study Enabled by a High-density Extensive Array of Detectors) Messkampagne im Norden Wisconsins (USA) betrieben wurden, getestet. Wir stellen das neue Modell und dessen Anwendung auf Feldmessungen vor.

How to cite: Wanner, L., Calaf, M., Paleri, S., Butterworth, B., Desai, A., and Mauder, M.: Energiebilanzschließung bei Eddy-Kovarianz-Messungen unter Berücksichtigung atmosphärischer Stabilität und thermischer Oberflächenheterogenität, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-169, https://doi.org/10.5194/dach2022-169, 2022.

Der Austausch von Energie, Feuchte und Impuls zwischen der Atmosphäre und der Landoberfläche sowie die damit verbundenen Rückkopplungsprozesse sind maßgeblich für die Entwicklung der planetarischen Grenzschicht. Eine ungenaue Darstellung und Parametrisierung dieser Prozesse stellen eine Schwäche der heutigen Wetter- und Klimamodelle dar. Verbesserungen in diesen Bereichen werden einen signifikanten Beitrag zu besseren Simulationen der Wolkenbildung auf allen zeitlichen und räumlichen Skalen leisten. Dazu ist es notwendig, das System Land-Atmosphäre simultan in allen Kompartimenten zu vermessen. Dazu haben sowohl das LAFE- als auch das neue LAFO-Design mit deren Messgerätesynergien schon wichtige Beiträge geliefert. Mit Vergleichen zwischen Modellparametrisierungen und Beobachtungen können z.B. die Anwendbarkeit der Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie (MOST) bei natürlicher heterogener Landoberfläche überprüft oder neue Parametrisierungen entwickelt werden.

Das LAFE (Land-Atmosphere Feedback Experiment, Wulfmeyer et al. 2018) wurde im August 2017 als Messkampagne am Standort des Atmospheric Radiation Measurements (ARM) Program Southern Great Plains in Oklahoma, USA, umgesetzt. Für Grenzschichtbeobachtungen kamen scannende Dopplerlidar-Systeme für Windmessungen, Rotations-Ramanlidar für Temperatur- und Feuchtemessungen und Differentielles Absorptionslidar zur Wasserdampfmessung in der Grenzschicht zum Einsatz. An der Landoberfläche wurden meteorologische und pflanzendynamische Variablen, Energiebilanz, sowie Bodenfeuchte und -temperatur an Eddy-Kovarianz-Stationen erfasst. Diese Messungen verfolgen wir auch am Land-Atmosphäre Feedback Observatorium (LAFO, lafo.uni-hohenheim.de) an der Universität Hohenheim in Stuttgart (Deutschland) um neben Feldexperimenten auch lange Zeitreihen zu erfassen. Hier werden Lidarmessungen operationell betrieben und ergänzt durch Messungen eines Doppler-Wolkenradars. An der Landoberfläche messen Eddy-Kovarianz-Stationen und ein Netzwerk von Bodenfeuchte- und -temperatursensoren, sowie wird der Vegetationsstatus im Untersuchungsgebiet erfasst. Diese Sensorsynergie im LAFO ist Prototyp für GLAFOs (Gewex LAFOs, Wulfmeyer et al. 2020) zur Etablierung dieser Messungen in verschiedenen Klimaregionen der Erde.

In diesem Beitrag stellen wir das Messkonzept vor und wie Beobachtungen für die Untersuchung und Verbesserung von Grenzschicht- und Turbulenz-Parametrisierungen eingesetzt werden können. Dies zeigen wir mit Messergebnissen von LAFE und LAFO mit Abschätzungen der Flüsse, die durch Kombination der Feuchte-, Temperatur- und Windprofile in Bodennähe bestimmt werden und die Ableitung entsprechenden Ähnlichkeitsbeziehung sowohl für Entrainment-Flüsse als auch für MOST ermöglichen.

How to cite: Späth, F., Lange, D., Behrendt, A., Abbas, S. S., Brewer, A., Senff, C., Weber, T., Streck, T., and Wulfmeyer, V.: LAFE und LAFO: Neue experimentelle und observationelle Untersuchungen von Land-Atmosphäre-Austauschprozessen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-302, https://doi.org/10.5194/dach2022-302, 2022.

Durch bodennahe Erwärmung der Luft bei starker Sonneneinstrahlung können sich aufsteigende Luftwirbel mit vertikaler Rotationsachse bilden, sogenannte Staubteufel. Die Struktur eines solchen Staubteufels wird dominiert von einem horizontalen Zufluss nahe der Erdoberfläche und einer vertikalen Aufwärtsströmung des Wirbels. Da die Staubteufel auf trockenem Untergrund entstehen, ist der im Zustrom mitgetragene Staub ursächlich für ihr Erscheinungsbild. Die Mechanismen ihrer Entstehung sowie ihre charakteristischen Eigenschaften sind bis heute kaum im Detail erforscht, da experimentelle Untersuchungen auf in-situ Messungen in der Atmosphäre beschränkt sind. Aufgrund der Nichtvorhersagbarkeit solch seltener Ereignisse sind Felduntersuchungen nur schwer möglich.

Mithilfe von Laborexperimenten können Staubteufel jedoch gezielt erzeugt und ihre Entstehungsmechanismen untersucht werden. Hierfür wird die Versuchsanlage „Ilmenauer Fass“ verwendet, die im Wesentlichen aus einem luftgefüllten, zylindrischen Tank mit einem Innendurchmesser von 7,15 m und einer Höhe von 8 m besteht. Am Boden des Behälters befindet sich eine Heizplatte, deren Temperatur zwischen 20°C und 80°C variiert werden kann. Eine zweite freischwebende Kühlplatte kann in einer beliebigen Höhe zwischen 0,2 m und 6,3 m positioniert und in einem Temperaturbereich von 10°C bis 30°C geregelt werden. Die Seitenwand des Zylinders ist adiabatisch. Mithilfe dieses Rayleigh-Bénard-Experiments lassen sich die Randbedingungen in einer konvektiven, atmosphärischen Grenzschicht gut nachbilden und die Entstehung von Wirbelstrukturen unter kontrollierten Bedingungen detailliert untersuchen. Hierfür wurde das optische Messverfahren Particle Tracking Velocimetry (PTV) genutzt, mit dem das dreidimensionale Strömungsfeld innerhalb und außerhalb solcher Wirbel erfasst werden kann. Dabei werden der Strömung dichteneutrale Seifenblasen zugeführt und mit vier Kameras aus unterschiedlichen Positionen zeitaufgelöst detektiert. Über Triangulation werden die 3D-Trajektorien der einzelnen Partikel im Raum berechnet.

Während bei der letzten Tagung noch das Messverfahren vorgestellt wurde, können nun die ersten Ergebnisse präsentiert werden. In Messreihen über mehr als insgesamt 20 Stunden wurden große Datenmengen gesammelt und vertikale Wirbelstrukturen identifiziert. Wie in numerischen Simulationen gezeigt werden konnte, nimmt die Häufigkeit solcher Strukturen mit zunehmender Größe stark ab. Deshalb wurde alternativ in der Mitte der Bodenplatte eine Heizmatte installiert, mit der eine lokale Temperaturüberhöhung bis 10 K über der Temperatur der Heizplatte realisiert werden kann. Mit dieser Modifikation des Laborexperiments kann nun auch die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von Staubteufeln erhöht werden.

How to cite: Kästner, C. and du Puits, R.: Experimentelle Untersuchung von Staubteufeln in einem Laborexperiment, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-16, https://doi.org/10.5194/dach2022-16, 2022.

Staubteufel sind an der Erdoberfläche gebundene, konvektive Wirbel mit vertikaler Rotationsachse, die durch das Aufwirbeln von Bodenpartikeln sichtbar werden. Die aufgewirbelten Partikel tragen zum atmosphärischen Aerosoleintrag und damit zur Modifizierung des Strahlungshaushaltes der Erde bei. Um den durch die Staubteufel verursachten Staubeintrag zu quantifizieren, bedarf es zuverlässiger Informationen über deren Statistik, Entstehungsprozess und Erhaltungsmechanismen. In der Vergangenheit wurden diese Informationen fast ausschließlich aus Feldexperimenten sowie Grobstruktursimulationen (engl. large-eddy simulation, LES) gewonnen. Feldexperimente leiden vor allem unter dem unberechenbaren Auftreten der Staubteufel und dem stark begrenzten Gebiet, welches zuverlässig überwacht werden kann. Zudem wird in LES die Wirbelstruktur beziehungsweise die dem Staubteufel bestimmende Turbulenz nicht vollständig aufgelöst. Dies ist insbesondere in der Nähe des Erdbodens der Fall, wo sich die Staubteufel zuerst entwickeln. Zudem werden die Staubteufel bei der LES in bisher unbekanntem Maße von den Randbedingungen an der Oberfläche und dem verwendeten Subgridskalen-Modell beeinflusst. Um diese Problematiken zu umgehen und das Verständnis staubteufelähnlicher Strukturen zu erweitern, haben wir die Methodik der direkten numerischen Simulation (engl. direct numerical simulation, DNS) angewendet, welche erstmals für eine umfassende Untersuchung der Staubteufelstatistik und deren Struktur eingesetzt wurde. Simuliert wurde eine Rayleigh-Bénard Konvektion zwischen zwei ebenen, beheizten Platten mit Rayleigh-Zahlen von bis zu 10¹¹. Unsere Ergebnisse zeigen, dass staubteufelähnliche Wirbel bereits bei im Vergleich zur Atmosphäre deutlich geringen Rayleigh-Zahlen von 10⁷ oder mehr entstehen. Dies stimmt mit vorherigen DNS-Studien überein, in denen ausgeprägte Wirbel mit vertikaler Achse zwar beobachtet jedoch nicht weiter untersuchen wurden. Die Staubteufelstatistik variiert stark mit der Rayleigh-Zahl und den gewählten Randbedingungen für die Geschwindigkeiten (Gleit- oder Haftreibungsbedingung), jedoch weniger mit dem Aspektverhältnis des Modellgebietes. Zudem zeigen die simulierten Staubteufel sehr ähnliche Eigenschaften wie die konvektiven Wirbel, die in LES-Simulationen der atmosphärischen Grenzschicht analysiert wurden.

How to cite: Giersch, S. and Raasch, S.: Staubteufelähnliche Wirbel in turbulenter Rayleigh-Bénard Konvektion – Eine Studie unter Verwendung der direkten numerischen Simulation, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-42, https://doi.org/10.5194/dach2022-42, 2022.

Turbulente Prozesse in der planetaren Grenzschicht haben einen maßgeblichen Einfluss auf die Kopplung von Atmosphäre und Erdoberfläche. Dabei stellen Oberflächenflüsse zwischen Atmosphäre und Boden bzw. Wasser den Austausch zwischen den Einzelsystemen her. Oberlfächenflüsse liefern somit die notwendigen Randbedingungen für numerische Wetter- und Klimasimulationen. Diese Flüsse müssen möglichst realistisch und physikalisch konsistent ermittelt werden. Die zu diesem Zweck direkte numerische Auflösung aller relevanten Längenskalen von wenigen hundert Metern bzw. Kilometern (Gesamthöhe der planetaren Grenzschicht) bis hinab zu einigen Millimetern (viskose Skalen) ist auf absehbare Zeit nicht machbar, sodass Grenzschichtmodelle benötigt werden. Für operative Vorhersagen kommen deshalb empirische Ansätze zur Anwendung, die Oberflächenflüsse anhand des aufgelösten mittleren Zustands der Grenzschicht parametrisieren bzw. vorschreiben. Effekte turbulenter Schwankungen, kleinskaliger Prozesse und Skalenwechselwirkungen können damit nur eingeschränkt repräsentiert werden. In Bodennähe auftretende oder ausgelöste Ereignisse, z.B. konvektive Instabilität oder Laminarisierung aufgrund stabiler Schichtung, stellen folglich eine große Herausforderung für numerische Atmosphärenmodelle dar.

Die genannten Probleme der Atmosphären-Oberflächen-Kopplung aufgrund nicht aufgelöster, schwankender Oberflächenflüsse werden im vorliegenden Beitrag mithilfe eines eindimensionalen, stochastischen Modellansatzes adressiert. Der Ansatz zielt darauf ab, Oberflächenflüsse und ihre Variabilität unter Berücksichtigung physikalischer Erhaltungsprinzipien zu modellieren. Dazu wird die turbulente Grenzschicht entlang einer vertikalen Linie diskretisiert. Molekulare Diffusionsprozesse werden entlang dieser Richtung auf allen relevanten Skalen aufgelöst, wohingegen nichtlokale Effekte der Turbulenz durch ein Ensemble stochastisch gezogener, diskreter Wirbelereignisse modelliert wird.

Im Konferenzbeitrag wird auf die Formulierung des stochastischen Modells eingegangen und gezeigt, dass neben Scherspannungen auch Druck-, Coriolis- und Auftriebskräfte berücksichtigt werden können. Das Modell wird beispielhaft als unabhängiges, numerisches Werkzeug angewendet, um fluktuierende Oberflächenflüsse in turbulenten Kanalströmungen sowie stabilen und konvektiven Grenzschichten zu untersuchen. Es werden sowohl glatte, als auch raue bzw. bewachsene (poröse) Oberflächen betrachtet. Anhand neuer Ergebnisse wird demonstriert, dass der Modellansatz in der Lage ist, Referenzdaten zufriedenstellend zu reproduzieren und extrapolieren. Daneben werden aktuelle Arbeiten zur Kopplung des stochastischen Modellansatzes mit Large-Eddy-Simulationen vorgestellt. Es wird gezeigt, dass die stochastische Modellierung oberflächennaher, subgitterskaliger Schwankungen in der Lage ist, wandnahe Turbulenzspektren zu reproduzieren und den filterbasierten Modellfehler bei ansonsten fester Gitterauflösung zu verringern.

How to cite: Klein, M., Freire, L. S., Lignell, D. O., Kerstein, A. R., and Schmidt, H.: Ein stochastischer Ansatz zur Modellierung fluktuierender Oberflächenflüsse in turbulenten Grenzschichten, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-22, https://doi.org/10.5194/dach2022-22, 2022.

Taylor’s frozen turbulence hypothesis is the most critical assumption through which time-resolving sensors may be used to derive statistics of the turbulent spatial field. Namely, it relates temporal autocorrelation to spatial correlation via the mean wind speed and is invoked in almost all boundary layer field work. Nevertheless, the conditions and scales over which Taylor’s hypothesis is valid remain poorly understood in the atmospheric boundary layer.

As part of the Namib Turbulence Experiment (NamTEX) campaign in March 2020, a pseudo-3D fibre-optic distributed temperature sensing (DTS) array was installed within a 300 x 300 m area in the Namib desert. The array is X-shaped in plan view and contains 16 measurement heights from 0.45 m to 2.85 m. Fibre-optic sensing provides air temperature measurements at unprecedented spatio-temporal density (0.25 m horizontally, 0.17 m vertically, and 1 Hz) and was coupled with a vertical array of traditional sonic anemometer point measurements to investigate the relationship between spatial and temporal temperature fields. The Namib provides an ideal location for fundamental boundary layer research: homogenous flat surfaces, no vegetation, little moisture, strong solar forcing, regular and repeated clear-sky conditions, and a wide range of atmospheric stabilities.

Using the NamTEX DTS array we present the first field investigation of Taylor’s hypothesis that considers boundary layer stability and is independent of wind direction. A novel method of 2d horizontal cross-correlation between all possible points of a single height of the DTS is employed to produce spatial ‘maps’ of the turbulent flow, whose velocity, direction, and size may be tracked through time.

How to cite: Hilland, R., Christen, A., and Vogt, R.: Investigating Taylor’s frozen turbulence hypothesis in the surface layer at an ideal desert field site using fibre-optic distributed temperature sensing, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-200, https://doi.org/10.5194/dach2022-200, 2022.

Das Börstinger Mofettengebiet zwischen Horb und Rottenburg im Schwarzwald ist seit über einem Jahrhundert für seine natürlichen Emissionen von Kohlendioxid (CO₂) bekannt. Nach aktuellem Wissensstand ist das Kohlendioxid magmatischen Ursprungs und tritt dort in hohen Konzentrationen aus sogenannten Mofetten aus. Bis in die 1980er Jahre wurde dieses Gasvorkommen unter anderem von der Mineralwasserindustrie genutzt.  Obwohl die Förderbrunnen anschließend versiegelt wurden, bilden sich weiter Mofetten bevorzugt entlang einer geologischen Störung in dem Gebiet aus.  Die tatsächlich im Eyachtal austretende Gasmenge wurde bisher lediglich geschätzt und nie wissenschaftlich untersucht.  Die Quantifizierung der Gesamtemission sowie der horizontalen und vertikalen Flüsse hat das vorgestellte DFG-finanzierte Projekt zum Ziel. Dazu wird vor Ort ein modulares Netzwerk aus kostengünstigen Sensorsystemen stetig ausgebaut, mit dem unter anderem die Kohlendioxidkonzentration in der unteren Atmosphäre kontinuierlich vermessen wird.  Durch den Einsatz quelloffener Software und Standards ist das entwickelte Messsystem praktisch um beliebige Komponenten erweiterbar und kann somit auf Gebiete mit ähnlichen Phänomenen übertragen werden. Die Verwendung kostengünstiger Komponenten ermöglicht dabei eine flächendeckende Gebietsvermessung und somit auch die Untersuchung der örtlichen und zeitlichen Variabilität der Kohlendioxidkonzentration. Als punktuelle Referenz dienen eine Eddy-Kovarianz-Station und eine professionelle Kompaktwetterstation. In diesem Vortrag werden die verwendete Infrastruktur, Herausforderungen im Betrieb einer solchen sowie aktuelle Ergebnisse des Projektes vorgestellt. 

How to cite: Büchau, Y., Platis, A., van Kesteren, B., and Bange, J.: Ein autarkes, kabelloses Sensornetzwerk zur Überwachung natürlicher CO2-Emissionen, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-236, https://doi.org/10.5194/dach2022-236, 2022.

Im gegenwärtigen Beitrag wird ein numerisches Werkzeug für die teilchenbasierte Simulation des äolischen Sedimenttransports in der atmosphärischen Grenzschicht vorgestellt. Die zuverlässige Modellierung dieses Transports als Funktion der Windverhältnisse und der Bodenerodierbarkeit ist für viele Anwendungen, von der Küsten- bis hin zur Desertifikationsforschung, sehr wichtig. Im Zusammenhang mit der Klimasimulation ist die korrekte Vorhersage der äolischen Sedimentransportraten für die Repräsentation des Staubzykluses im Erdsystem unabdingbar – die Emission von Staubpartikeln aus dem Boden wird hauptsächlich durch die Kollision größerer Sandpartikeln in sprungweiser Bewegung (Saltation) auf das Sedimentbett verursacht. Doch die Auswirkungen der Bodenbeschaffenheit und turbulenten Windfluktuationen auf die Partikelbewegung sind noch wenig verstanden. Ungeachtet der zahlreichen, auf empirischen Beobachtungen basierten Parametrisierungsschemata zur Erfassung äolischer Prozesse zählt die quantitative Bestimmung der Bodenerosionsrate und des damit verbundenen vertikalen Staubemissionsflusses zu den wichtigsten Unsicherheitsquellen in Klimamodellen.

Deshalb befasst sich gegenwärtige Arbeit mit der direkten, teilchenbasierten Simulation des äolischen Sedimenttransports mit Hilfe der Diskrete-Elemente-Methode (DEM). Dabei werden die Newtonschen Bewegungsgleichungen für jedes einzelne Teilchen im System – ob in der Luft oder im Sedimentbett – unter Berücksichtigung der Schwerkraft, einer effizienten hydrodynamischen Beschreibung der Teilchen-Wind-Kopplung, sowie eines Modells für die interpartikulären Kontakt- und van-der-Waals-Kräfte numerisch gelöst. Die hier vorgestellte numerische Simulation verzichtet somit vollständig auf Splash-Funktionen. Zudem wird ein Modell für die stochastische Natur des Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungspotentials miteinbezogen.

Unsere numerische Vorhersage der Sandtransportrate (Q) als Funktion der zeitlich gemittelten turbulenten Windschergeschwindigkeit (u_*) stimmt quantitativ mit entsprechenden Daten aus Windkanalversuchen überein. Auch die erforderliche Schergeschwindigkeit für den Sandtransport im Windkanal wird von unserem Modell quantitativ wiedergegeben. Aus den Simulationsergebnissen wird weiterhin deutlich, dass die Dicke D des losen Sedimentbettes im Verhältnis zum Teilchendurchmesser d eine entscheidende Rolle für die Skalierung von Q mit u_* einnimmt. Im Besonderen wird bei einer Verringerung der Sedimentverfügbarkeit ein Übergang von einer quadratischen (D/d >~ 2) in eine kubische (D/d << 2) Skalierung der Sandtransportrate mit der Schergeschwindigkeit beobachtet. Eine Erweiterung des Modells für stark polydisperse Systeme ermöglicht die Ermittlung des mit dem Sandtransport hervorgehenden vertikalen Staubemissionsflusses.

How to cite: Kamath, S., Shao, Y., and Parteli, E.: Teilchenbasierte Simulation des äolischen Sandtransports und der damit verbundenen Staubemission, DACH2022, Leipzig, Deutschland, 21–25 Mar 2022, DACH2022-290, https://doi.org/10.5194/dach2022-290, 2022.