Universität zu Köln

Hintz, Michael (2015). Theoretical Analysis and Large-Eddy Simulations of the Propagation of Land-Surface Heterogeneity in the Atmosphere. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Frage wie man Bodenheterogenitäten quantifizieren kann und wie sie sich auf die atmosphärische Grenzschicht auswirken. In der Grenzschicht werden Energie und Masse hauptsächlich durch große Wirbel transportiert. Deswegen ist es wichtig zu verstehen, welche Auswirkungen Heterogenitäten auf diese Wirbel haben. Da diese Wirbel eine komplexe Struktur besitzen und auf einer großen Bandbreite von Skalen variieren, ist es sehr aufwendig Informationen über sie durch Messungen zu erhalten. Hoch aufgelöste Modelle bieten hier eine Alternative. In dieser Studie, wird ein zwischen Boden und Atmosphäre gekoppeltes großes Wirbel Model verwendet. Dieses ist in der Lage die großen Wirbel explizit aufzulösen und kann so benutzt werden, die auftretenden Fragestellungen zu beantworten. In dieser Arbeit wird eine kurze Einführung in die Theorie der großen Wirbel Simulationen gegeben. Außerdem gibt sie einen Überblick über einige der Verfahren welche benutzt werden um Heterogenitäten zu quantifizieren. Die in dieser Arbeit entwickelte Methode, die sogenannte Entropiespektrumsmethode, welche zur Quantifizierung verwendet wird, wir anschließend erklärt. Bei dieser Methode werden die räumlich verteilten Daten (sowohl atmosphärische Größen als auch Landoberflächenparameter) mit Hilfe der Wavelettransformation in hoch- und tiefpassgefilterten Anteile zerlegt. Für jeden einzelnen Anteil wird anschließend die Shannon Entropie berechnet. Es wird außerdem gezeigt, wie man mit Hilfe der Entropiespektrumsmethode die dominante Skala einer Heterogenität bestimmen kann. Um zu zeigen, welchen Einfluss unterschiedliche Heterogenitäten auf die atmosphärische Grenzschicht haben, werden neun verschiedene Landnutzungsmuster untersucht. Für jedes Muster werden Simulationen mit dem gekoppelten großen Wirbelmodel durchgeführt. Die Simulationsergebnisse werden mit der Entropiespektrumsmethode untersucht. Dies geschieht für die potentielle Temperatur, das Wasserdampfmischungsverhältnis, sowie für den sensiblen und den latenten Wärmefluss. Die Untersuchung wird sowohl für instantane und als auch für zeitlich gemittelte Werte durchgeführt. Die Anwendung der Methode auf die Modellergebnisse dient außerdem der Untersuchung ab welcher Höhe der Einfluss der Heterogenität vernachlässigbar ist. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verhalten des Entropiespektrums davon abhängt, welche Größe untersucht wird. Dies läßt vermuten, dass die atmosphärische Antwort auf Landoberflächenheterogenität sehr komplex ist. Des Weiteren zeigt sich, dass für die gewählten Heterogenitäten die instantanen Werte weniger Aussagekraft darüber besitzen, ab wann der Einfluss des Bodens vernachlässigbar ist, als die zeitlich gemittelten Werte. Die Analyse der Spektren zeigt eine stärkere Abhängigkeit von der betrachteten physikalischen Größe als von der verwendeten Landnutzung. Die Ergebnisse zeigen, dass für die untersuchten Daten der Einfluss der Heterogenität oberhalb von 400 m für die gemittelte potentielle Temperatur und das gemittelte Wasserdampfmischungsverhältnis; oberhalb von 260 m für den gemittelten sensiblen Wärmefluss; und für variierende Höhen für den gemittelten latenten Wärmefluss, vernachlässigbar ist. Ab dieser Höhe überwiegt das Eigenmuster, welches durch die Selbstorganisation der Turbulenz erzeugt wird, den Einfluss der Landoberflächenheterogenität. Ein Vergleich der Entropiespektrumsmethode, welche den Informationsaspekt der Heterogenität beschreibt, mit statischen Methoden, welche die Struktur beschreiben, zeigt für homogene und zufällige Muster gute Übereinstimmung. Für eine real existierende Heterogenität ist die Entropiespektrumsmethode überlegen. Die Entropiespektrumsmethode zeigt außerdem, welchen Einfluss die Auflösung der Heterogenität auf die Atmosphäre hat. Dieser ist wieder abhängig von der betrachteten physikalischen Größe und ob die zugrunde liegenden Heterogenität korreliert oder zufällig angeordnet ist.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language This thesis deals with the questions how land-surface heterogeneity can be quantified and how it can influence the atmospheric boundary layer. In this layer energy and mass are mainly transported by large eddies and therefore, it is important to understand how they are affected by the land-surface heterogeneities. Since large eddies have complex structures, which vary on a wide range of scales, it is highly demanding to obtain knowledge about them via measurements. High-resolution models offer an alternative. In this study, an atmosphere and land-surface coupled large-eddy simulation (LES) model, which explicitly resolves the large eddies, is used to address the concerned questions. In this thesis a short introduction to the theory of LES is given, followed by an outline of some approaches for heterogeneity quantification. The method developed in this study for the quantification, namely, the entropy spectrum method, is then explained. In this method, the spatially-distributed data (of atmosphere and land-surface quantities and parameters) are decomposed into low- and high-pass filtered parts via wavelet transformation. For each part, the Shannon entropy is calculated. It is elaborated how to obtain from the entropy spectrum the dominant scale of the heterogeneity. In order to investigate how land-surface heterogeneity influences the atmospheric boundary layer, nine different land-use patterns are designed. Simulations with the atmosphere and land-surface coupled LES model are carried out for each of these patterns. The simulation results, including potential temperature, water-vapor-mixing ratio, sensible and latent heat fluxes, are analyzed with the entropy spectrum method. The analysis is done for instantaneous as well for temporally averaged values and is found useful for identifying the height above which the influence of land-surface heterogeneity is negligible. The results show that the entropy spectra differ for different atmospheric variables, suggesting that the response of the atmosphere to land-surface heterogeneity is rather complex. In addition, it is shown that for a given land-surface pattern, the instantaneous values are less helpful to answer the question above which height the influence of the heterogeneity is negligible, than the temporally averaged values. The analysis with the temporally averaged values shows larger differences between the spectra of different parameters than between the spectra of the same parameter for different heterogeneities. From the results, it is concluded that for the cases investigated, the influence of the heterogeneity is negligible above 400 m height for the averaged values of potential temperature and water-vapor-mixing ratio; 260 m for the averaged sensible heat flux (of some experiments); and varying heights for the averaged latent heat flux. Above these heights it is concluded that the Eigen-pattern arising from the self-organization of turbulence prevails over the influences of the land-surface heterogeneity. A comparison of entropy, which describes the information aspect of heterogeneity, with statistical methods, which describe the structure aspect of heterogeneity, shows a good agreement for homogeneous and random patterns. For a real existing heterogeneity, the entropy spectrum method is superior. Moreover, the entropy spectrum method shows how the resolution of heterogeneity influences the atmosphere. This influence is dependent on the investigated physical variable and if the investigated heterogeneity is correlated or random. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Hintz, Michael michael.hintz@gmx.net UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-66738
Date:	1 December 2015
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Geosciences > Institute for Geophysics and Meteorology
Subjects:	Mathematics Physics Earth sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Large-Eddy Simulations English Quantification of Land-Surface Heterogeneity English Entropy-Spectrum English
Date of oral exam:	1 December 2015
Referee:	Name Academic Title Shao, Yaping Prof. Dr. Kollet, Stefan Prof. Dr.
Projects:	DFG Transregional Cooperative Research Centre 32 “Patterns in Soil-Vegetation-Atmosphere-Systems: Monitoring, Modelling and Data Assimilation.”
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6675