STABLEST - Ablösung und Turbulenz der stabilen Grenzschicht

Die Grenzschicht ist jener Teil der Atmosphäre, der sich am nächsten zur Erdoberfläche befindet und durch stark turbulente Luftbewegungen charakterisiert ist. Leewellen-induzierte Grenzschichtablösung (GSA) ist ein Prozess, in dem der oberflächennahe Luftstrom durch entgegengesetzte Druckgradienten vom Boden abgelöst wird. Die Druckgradienten haben ihren Ursprung in internen Schwerewellen, die in Strömungen über Gebirge ausgelöst werden. Das Auftreten von GSA geht häufig mit starken Verwirbelungen in der Atmosphäre einher; so zum Beispiel mit Wellenbrechen oder der Entstehung von atmosphärischen Rotoren, welche sich an der Leeseite von Gebirgsketten ausbilden und eine ernste Gefahr für den Luft- und Straßenverkehr darstellen. Die Wechselwirkung von internen Schwerewellen, ausgelöst durch das Überströmen von Orografie, mit Strömungen in der atmosphärischen Grenzschicht ist eine der großen Herausforderungen für die Verbesserung von Wettervorhersagen in Gebirgsregionen. Leewellen-induzierte GSA hat abgesehen von ihrem Charakter als anspruchsvolles Problem der Geofluiddynamik auch wichtige praktische Konsequenzen. Über die zuvor genannten Aspekte betreffend den Luft- und Straßenverkehr hinaus kann GSA auch beträchtliche Auswirkungen auf die Effizienz der Stromgewinnung aus Windkraft im Gebirge haben, da sie durch das Verursachen von großer Turbulenz die Leistung von Windkraftwerken deutlich schmälert. Im Projekt STABLEST sollen hochauflösende numerische Simulationen mit der Auswertung von Beobachtungsdaten kombiniert werden, um so Einblick in die die GSA bestimmenden Faktoren zu erhalten. Besondere Aufmerksamkeit soll dabei bisher ungeklärten Aspekten der GSA zuteil werden, insbesondere der möglichen Unstetigkeit des Ablösepunktes, den Abhängigkeiten von Wärmeflüssen zwischen Boden und Atmosphäre und dem Verhalten im Bereich von Hindernissen mit komplexem dreidimensionalem Profil. Numerische Experimente in Form von Large-Eddy-Simulationen (LES), welche heute zu den fortschrittlichsten Methoden der Modellierung von turbulenten Strömungen in der Atmosphäre zählen, sollen durchgeführt werden. Sowohl idealisierte Simulationen, in denen die zur GSA führenden Bedingungen bewusst vereinfacht werden um das Verständnis der einzelnen Prozesse zu verbessern, als auch reale Fallstudien sollen betrieben werden. Letztere werden zu Beginn auf einem Ereignis von GSA basieren, für das bereits hochaufgelöste Beobachtungen zur Verfügung stehen. Die Beobachtungsdaten, die während STABLEST ausgewertet werden sollen, schließen flugzeuggetragene in situ- Messungen und durch ein Doppler-Wolkenradar aufgenommene Windfelder mit ein. Die Daten wurden jüngst in Messkampagnen durch eine Gruppe an der University of Wyoming gesammelt und stehen den Wissenschaftlern von STABLEST durch eine existierende Partnerschaft zur Verfügung. Das Hauptaugenmerk der Forschung liegt in diesem Zusammenhang vor allem auf der Berechnung von Turbulenzparametern aus den Radardaten und soll einen Vergleich mit den Ergebnissen der numerischen Experimente zum Zwecke der Modellverifikation ermöglichen. Eine Besonderheit des Projekts STABLEST ist das weit gespannte Netzwerk internationaler Kooperation, auf dem es aufbaut. Zu den Forschungspartnern zählen das National Center for Atmospheric Research (USA), ein Konsortium nordamerikanischer Universitäten um das Projekt MATERHORN, die University of Wyoming und die Universität Innsbruck. Die geplante Zusammenarbeit wird dazu führen, dass auch neue Beobachtungen der Grenzschichtablösung, aufgenommen durch ein Doppler-Lidar in natürlicher Umgebung oder mittels Particle Image Velocimetry in Laborexperimenten, in die Untersuchungen mit einfließen werden.

Das Projekt STABLEST brachte neue Erkenntnisse über Gebirgswellen, welche in der Luft entstehen, wenn Wind über einen Gebirgsrücken bläst. Im Speziellen konnten aus neuen Beobachtungen tiefere Einblicke in das Brechen dieser Wellen gewonnen sowie Fortschritte in der theoretischen Beschreibung der Welleneigenschaften mit mathematischen Modellen gemacht werden. Jede und jeder von uns hat bereits Erfahrungen mit Wellen in Fluiden in der Natur gesammelt. Oft werden Wellen mit jenen auf der Wasseroberfläche in Verbindung gebracht, treten diese doch häufig am Strand oder in einem Teich auf. Das Konzept einer brechenden Welle ist zwar komplizierter als das einer wandernden Welle, ist aber intuitiv bekannt durch das Anwachsen und Aufsteilen von Wasserwellen, je näher sie dem Ufer kommen. Bricht die Welle, so wird die Bewegungsenergie in chaotische Fluktuationen, also in Turbulenz, umgewandelt. Die Überströmung eines Gebirges ist einer von vielen physikalischen Prozessen der die Ausbreitung von atmosphärischen Wellen verursachen kann. Gebirgswellen sind bereits seit einigen Dekaden Gegenstand aktiver Forschung, durch welche ihre Bedeutung für die globale Zirkulation der Atmosphäre sowie für die Entstehung von Clear-Air Turbulenz, einer potenziellen Gefahr für die Luftfahrt, entdeckt wurde. Weniger untersucht wurde bis dato hingegen ihr Einfluss auf die Grenzschicht, also der bodennächsten Schicht der Atmosphäre. Ein möglicher Effekt von Gebirgswellen auf die Grenzschicht ist die welleninduzierte Strömungsablösung, das Kernforschungsgebiet in STABLEST. Im Fall von welleninduzierter Grenzschichtablösung wird eine anfangs bodenparallele Luftströmung starken Vertikalbewegungen ausgesetzt und vom Boden abgehoben. Dieses Phänomen kann mit einer brechenden Welle in Verbindung gebracht werden und ist typischerweise für starke Turbulenz sowie für die Ausbildung von speziellen Luftwirbeln, sogenannten atmosphärischen Rotoren, verantwortlich. Die Highlights von STABLEST beinhalten: 1) die erste kontinuierliche zweidimensionale Beschreibung der Turbulenzintensität in brechenden Wellen und atmosphärischen Rotoren, abgeleitet von luftgestützten Wolkenradarmessungen; 2) neue physikalische Erkenntnisse durch die Analyse von Beobachtungsdaten und numerischer Modellierung von Prozessen, welche zu schnellen horizontalen Positionsveränderungen von Rotoren führen; 3) Fortschritte in der analytischen Modellierung der Eigenschaften von Gebirgswellen sowie dem Erstellen von Analogien zu Wasserwellen durch Beobachtungen in Wassertankexperimenten in einem Hydrauliklabor. Die wissenschaftlichen Aktivitäten im Rahmen von STABLEST haben sehr vom Datenaustausch mit kollaborierenden Wissenschaftern profitiert, welche durch zusätzliche Förderstellen finanziert wurden.