Quantifizierung von Austauschprozessen im Gebirge

Das Wetter und Klima in Gebirgsregionen wird maßgeblich von thermisch induzierten Windsystemen beeinflusst. Diese Winde kontrollieren den Austausch von Wärme, Feuchte, Impuls und Schadstoffen zwischen Tal und freier Atmosphäre. Die Magnitude des vertikalen Nettoflusses verschiedener physikalischer Größen kann infolge von Tal- und Hangwinden ein Mehrfaches des Nettoflusses über der Ebene betragen. Heutige numerische Wettervorhersage- und Klimamodelle können lokale Windsysteme aufgrund ihrer relative groben horizontalen Maschenweite nicht adäquat erfassen. Folglich werden Austauschprozesse quantitativ unterschätzt. Parametrisierungen der bodennahen Grenzschicht, die in diesen Modellen verwendet werden, wurden für ebenes Gelände entwickelt. Sie basieren üblicherweise auf einer Form der Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie, die nur turbulente Flüsse zwischen der ebenen Oberfläche und der bodennahen Atmosphärenschicht berücksichtigt. Da in den nächsten Jahren die räumliche Auflösung von operationellen Vorhersagemodellen nicht stark genug zunehmen wird, um die vertikalen Flüsse infolge von lokalen Zirkulationen explizit darstellen zu können, wird eine Parametrisierung der Austauschprozesse zwischen Oberfläche und Atmosphäre für komplexes Gelände dringend benötigt. Im Rahmen dieses Projektes wird der vertikale Wärme- und Feuchtefluss vom Tal zur freien Atmosphäre in einer idealisierten aber systematischen Form quantifiziert. Das Ziel ist die Bestimmung der Sensitivität dieser Nettoflüsse auf Änderungen verschiedener Oberflächen- und Atmosphäreneigenschaften, wie zum Beispiel Geländegeometrie, atmosphärischer Hintergrundzustand, Landnutzungsklasse, Bodenfeuchte und Strahlungsantrieb. Zu diesem Zweck wird eine umfassende Serie von Grobstruktursimulationen (engl: "Large Eddy Simulation", LES) erstellt, wobei diese Eigenschaften über einen Bereich von typischen Werten variiert werden. Der Nettofluss wird durch Integration des aufgelösten Flusses über eine horizontale Fläche, die den Oberrand der Talatmosphäre darstellt, berechnet. Die im Modell verwendete idealisierte dreidimensionale Topographie des Tales wird durch eine analytische Funktion beschrieben, die verschiedene Geometrien, wie zum Beispiel gekrümmte und sich verengende Täler, zulässt. Durch kontinuierliche Verringerung der Modellauflösung bis hin zu der von typischen Vorhersagevorhersage- und Klimamodellen und durch Vergleich zwischen grobskaligem Modell und LES Resultat, wird der Modellfehler infolge von nicht aufgelösten Flüssen quantifiziert. Ferner werden die Simulationsergebnis in einer Art und Weise analysiert, um das Verständnis der Mechanismen von thermisch induzierten Zirkulationen zu verbessern. In einem letzten Schritt wird der Versuch unternommen, eine Parametrisierung für unaufgelöste Flüsse infolge von Tal- und Hangwinden als Funktion von Oberflächen- und Atmosphäreneigenschaften zu entwickeln.

Lokale Windsysteme in Gebirgsregionen, wie z.B. Hang- und Talwinde, kontrollieren maßgeblich den Austausch von physikalischen Eigenschaften (z.B. Wärme und Luftschadstoffe) zwischen Tal und freier Atmosphäre. Dieser Austausch kann ein Mehrfaches des entsprechenden Vertikaltransportes über der Ebene betragen. Heutige globale numerische Wettervorhersage- und Klimamodelle können lokale Windsysteme aufgrund ihrer relativ groben horizontalen Maschenweite nicht adäquat erfassen. Folglich werden Austauschprozesse quantitativ unterschätzt. Um entsprechende Vorhersagefehler zu minimieren, müssen unaufgelöste Austauschprozesse mithilfe von physikalischen Größen, die grobskalige Modelle auflösen können, parametrisiert werden. Die Resultate dieses Forschungsprojektes stellen einen ersten Schritt in Richtung Entwicklung einer solchen Parametrisierung dar. Sie basieren auf einer Vielzahl von Computersimulationen mit dem Weather Research and Forecasting (WRF) Modell in sehr hoher Auflösung für verschiedene idealisierte Talgeometrien. Diese Simulationen wurden in systematischer Art und Weise für eine breites Spektrum an Einflussfaktoren durchgeführt. Wir fanden, dass der Austausch von Masse und Wärme stark von der Geländegeometrie, der vertikalen Temperaturstruktur im Tal (d.h., der statischen Stabilität) und der Heizung der Talatmosphäre an der Erdoberfläche untertags abhängt. Genauer gesagt ist der vertikale Austausch größer für engere und tiefere Täler sowie für stärker geneigte Talböden und sich verengende Talquerschnitte. Überdies vergrößert sich der Austausch mit abnehmender Stabilität und zunehmender Oberflächenheizung. Die meisten dieser Abhängigkeiten können mit dem sogenannten breakup parameter beschrieben und parametrisiert werden. Dieser stellt das Verhältnis dar zwischen der Energie, die benötigt wird, um die anfänglich stabil geschichtete Talatmosphäre zu neutralisieren und der Gesamtenergie, die durch Oberflächenheizung zur Verfügung gestellt wird. Da der breakup parameter a priori abgeschätzt werden kann, ohne ein hochentwickeltes Computermodell zu benötigen, sind unsere Resultate für verschiedenartige meteorologische Anwendungen im komplexen Gelände, wie z.B. Umweltverträglichkeitsstudien, nützlich.