Horizontale Scherungsproduktion über komplexem Gelände

Turbulente Bewegungen spielen eine wichtige Rolle für den Transport von Impuls, Wärme, Feuchtigkeit und anderen atmosphärischen Komponenten zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre, sowie innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht, das heißt der untersten Schicht der Atmosphäre. Eine korrekte Darstellung des turbulenten Austauschs in Wetter- und Klimamodellen ist daher entscheidend für die Erstellung genauer Vorhersagen. Derzeitige Wettervorhersagemodelle haben üblicherweise einen horizontalen Gitterpunktsabstand in der Größenordnung von 1 bis 10 km. Kleinräumige Prozesse, wie z.B. turbulente Bewegungen, können vom Modell daher nicht explizit aufgelöst werden und müssen parametrisiert werden, das heißt, sie werden durch empirische Beziehungen dargestellt, die aus Beobachtungen abgeleitet werden. Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht wird durch Windscherung und tagsüber durch Auftrieb infolge der Erwärmung der Erdoberfläche erzeugt. Nachts hingegen wird Turbulenz durch die Abkühlung der Erdoberfläche und die daraus resultierende stabile Schichtung der Atmosphäre unterdrückt. Es wurden verschiedene Parametrisierungen entwickelt, die den turbulenten Transport mit unterschiedlichen Vereinfachungen berechnen. Eine der Vereinfachungen, die in vielen dieser Parametrisierungen angewendet wird, ist die Vernachlässigung der Turbulenzerzeugung aufgrund von horizontaler Windscherung. Während horizontale Windscherung über flachem und homogenem Gelände im Vergleich zur vertikalen Windscherung als vernachlässigbar angesehen werden kann, treten in der Atmosphäre über Gebirgsregionen Prozesse auf, die diese Annahme infrage stellen. Beispielsweise sind thermisch getriebene Talwinde typischerweise durch horizontale und vertikale Windscherung gekennzeichnet, wobei die höchsten Windgeschwindigkeiten über der Oberfläche nahe der Talmitte auftreten. Im Projekt HOTSPOT wollen wir ermitteln, (i) wie groß die horizontale Windscherung im Querschnitt eines Alpentals ist im Vergleich zur vertikalen Windscherung, (ii) ob ein modernes Wettermodell die beobachtete horizontale Windscherung korrekt wiedergeben kann, (iii) welche Rolle die horizontale Windscherung für die gesamte Turbulenzerzeugung spielt und (iv) wie wichtig es ist, die Turbulenzproduktion durch horizontale Windscherung im Modell zu berücksichtigen um den Austausch von beispielsweise Feuchtigkeit und Luftschadstoffen in der Grenzschicht darzustellen. Hierzu werden Messungen mit unbemannten Flugsystemen (UAS) im Inntal, Österreich, durchgeführt. Während die meisten Turbulenzmessungen im Gebirge auf bodennahe Beobachtungen beschränkt sind, ermöglichen die UAS-Flüge eine Erfassung des Strömungsfeldes und der Turbulenz in verschiedenen Höhen. Die Beobachtungen werden zur Evaluierung von Simulationen mit dem Modell WRF verwendet, wobei ein horizontaler Gitterpunktsabstand von einigen hundert Metern verwendet wird, der der Auflösung zukünftiger operationeller regionaler Wettervorhersagemodelle entspricht.