Universität zu Köln

Zacharias, Stefan (2011). Energiehaushalte aus Flugzeugmessungen und hoch aufgelösten Simulationen mit dem meteorologischen Modell FOOT3DK. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung von Wärme- und Feuchtehaushalten der atmosphärischen Grenzschicht unter konvektiven Wetterbedingungen. Hierzu werden hoch aufgelöste Simulationen mit dem mesoskaligen Modell FOOT3DK durchgeführt, wobei der großräumige atmosphärische Antrieb aus COSMO-DE Analysen mit einer Auflösung von 2,8 km bereitgestellt wird. Das Untersuchungsgebiet liegt ca. 40 km westlich von Köln und zeigt mit überwiegend kleinräumiger landwirtschaftlicher Nutzung eine hohe Landoberflächenheterogenität. Die aus dem Modell berechneten Energiehaushalte werden gegenüber Flugzeugmessungen validiert, welche für fünf Meßtage im April und August 2009 durchgeführt wurden. Für die Betrachtung der Energiehaushalte müssen die lokalzeitliche Tendenz, die vertikale Divergenz der turbulenten Flüsse sowie die horizontale Advektion für eine atmosphärische Luftsäule abgeschätzt werden. Auf Grund der relativ kleinen Ausdehnung des Flugmusters wird der Advektionsterm nicht direkt, sondern als Residuum der Haushalte bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, daß das Modell die grundlegenden Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht wie Feuchte-, Temperatur- und Windprofile für die untersuchten Tage realistisch wiedergibt. Auch die modellierten Energiehaushalte weisen eine weitgehende Übereinstimmung mit den Messungen auf. Lediglich bei den zeitlichen Tendenzen der spezifischen Feuchte finden sich größere Abweichungen, die Trends der potentiellen Temperatur sind hingegen für alle fünf Tage sehr gut getroffen. Des weiteren unterscheiden sich die simulierten Oberflächenflüsse kaum von den aus Flugzeugmessungen abgeleiteten Flüssen, was zu vergleichbaren Werten der vertikalen Divergenzterme führt. Während die für die Flüsse verfügbaren Energien nahezu exakt getroffen sind, wird bei der Aufteilung in latente und sensible Wärme eine leichte Überschätzung von LE (+ 7 %) und eine moderate Unterschätzung von H (- 19 %) beobachtet. Die Advektionsterme sind sowohl bei den Messungen als auch bei den Simulationen relativ groß, was auf den Einfluß der großräumigen synoptischen Bedingungen sowie die begrenzte Ausdehnung des Untersuchungsgebiets zurückgeführt wird. Die Auswertung von FOOT3DK-Simulationen mit verschiedenen horizontalen Modellauflösungen (1000 m, 250 m, 100 m) ergibt, daß die Verwendung höherer Auflösungen zu einer realistischeren Abschätzung der meisten Haushaltsterme führt. Während beim Zeittrend der spezifischen Feuchte keine einheitlichen Veränderungen festgestellt werden, zeigen die Simulationen beim potentiellen Temperaturtrend und bei den turbulenten Flüssen eine systematische Annäherung an die beobachteten Werte, die auf eine Reduktion des Aggregationseffekts zurückgeführt werden kann. Des weiteren können Skalenwechselwirkungseffekte identifiziert werden: die Terme in Flughöhe (Zeittrend, horizontale Advektion) werden hauptsächlich durch externen mesoskaligen Antrieb dominiert, während bei den turbulenten Oberflächenflüssen der Einfluß mikroskaliger Prozesse überwiegt. Die vorgestellten Resultate unterstreichen die Relevanz von numerischen Modellsimulationen bei der Untersuchung von energetischen Prozessen in der Grenzschicht. Die Eignung hoch aufgelöster mesoskaliger Modelle zur realistischen Abschätzung von Energiehaushalten wird demonstriert und es kann gezeigt werden, daß die Haushaltsmethode einen geeigneten Ansatz für die Evaluation des Energieaustauschs in der atmosphärischen Grenzschicht darstellt.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Energy budgets from airborne measurements and high resolution model simulations with the meteorological model FOOT3DK English
Translated abstract:	Abstract Language The presented study aims at investigating heat and moisture budgets of the atmospheric boundary layer under convective weather conditions. To reach this goal, high resolution simulations with the mesoscale model FOOT3DK were performed. The large scale atmospheric forcing is provided by COSMO-DE model simulations with a resolution of 2.8 km. The investigation area is located about 40 km west of Cologne and features high surface heterogeneity characterised by small scale agricultural land use. The FOOT3DK budgets are validated against energy budgets based on airborne measurements from five investigation days in April and August 2009. Following the conservation equations, the time rate-of-change, the vertical divergence, and the horizontal advection for an atmospheric column of air are estimated. Due to the small spatial extent of the flight pattern, the advection term is assessed indirectly as a residuum. Results show that the model is able to simulate the general features of the boundary layer such as humidity, temperature and wind profiles adequately. The modelled energy budgets are in general agreement with the measurements as well. Solely the time trend of specific humidity exhibits some deficiencies, while the potential temperature trends are matched accurately for the five investigation days. Furthermore, the simulated turbulent surface fluxes are comparable to the measured fluxes, leading to similar values of the vertical divergence. While the available energy for the fluxes corresponds almost exactly with observations, the partition into latent and sensible heat reveals a slight overestimation of LE (+ 7 %) and a moderate underestimation of H (- 19 %). The advection terms are relatively large for both measurements and model simulations, which may be attributed to the influence of the large scale synoptic conditions and the limited extent of the investigation area. The analysis of FOOT3DK simulations with different horizontal model resolutions (1000 m, 250, and 100 m) documents that the use of a high resolution leads to a more realistic assessment of most budget terms. While no consistent changes are observed for the time trend of specific humidity, the simulations show a systematic improvement of the potential temperature trend and the turbulent fluxes, which can be attributed to a reduction of the surface heterogeneity aggregation effect. Furthermore, effects of scale interaction could be identified: the terms derived from flight level (time trend, horizontal advection) are dominated by external mesoscale forcing, while the turbulent surface fluxes are mainly influenced by microscale processes. The presented results underline the relevance of numerical models for the investigation of boundary layer characteristics and air-surface exchange. The ability of high resolved mesoscale models to calculate realistic energy budgets was demonstrated. Furthermore, it could be shown that the budget approach is a suitable tool for the evaluation of energy exchange between surface and atmosphere. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Zacharias, Stefan stefanzacharias@arcor.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-43776
Date:	2011
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Natural sciences and mathematics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Energiehaushalte; turbulente Flüsse; Landnutzung; mesoskalige Modellierung German energy budgets; turbulent fluxes; land use; mesoscale modelling English
Date of oral exam:	26 January 2011
Referee:	Name Academic Title Kerschgens, Michael Prof. Dr. Crewell, Susanne Prof. Dr.
Funders:	DFG
Projects:	Sonderforschungsbereich Transregio 32
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4377