Turbulenter Austausch in der stabilen Gebirgsgrenzschicht

Turbulente Bewegungen in der atmosphärischen Grenzschicht, das heißt der untersten Schicht der Atmosphäre, spielen eine wichtige Rolle für den Austausch von Impuls, Wärme, Feuchte und anderen Atmosphärenbestandteilen zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre, sowie innerhalb der Grenzschicht. Die korrekte Darstellung dieser turbulenten Transportprozesse in Wettervorhersagemodellen und Klimamodellen ist daher maßgeblich für genaue Vorhersagen. Turbulenz wird in der Grenzschicht durch Windscherung und untertags durch Auftrieb aufgrund der Erwärmung des Bodens produziert. Andererseits wird Turbulenz in der Nacht durch die Abkühlung des Bodens und der daraus resultierenden stabilen Schichtung der Atmosphäre gedämpft. Turbulenz und turbulenter Transport sind daher typischerweise schwach und unterbrochen unter stabilen Bedingungen und die existierenden Theorien zur Beschreibung des turbulenten Austauschs in Vorhersagemodellen werden ungültig, sodass diese Modelle oftmals Probleme mit stark stabilen Verhältnissen haben. In diesem Projekt wollen wir den bodennahen turbulenten Austausch im österreichischen Inntal untersuchen. Gebirgstäler wie das Inntal sind bei ungestörten, wolkenlosen Bedingungen durch Windsysteme mit starkem Tagesgang gekennzeichnet. Aufgrund der stärkeren Abkühlung der Talatmosphäre im Vergleich zum Vorland entstehen nächtliche Talauswinde, die entlang der Talachse ausgerichtet sind. Zusätzlich führt die stärkere Abkühlung des Bodens an den Talhängen im Vergleich zur freien Talatmosphäre dazu, dass sich Hangabwinde bilden. Die vertikalen Windprofile der Talauswinde und der Hangabwinde sind durch starke vertikale Windscherung gekennzeichnet. Der horizontale Aufbau der Talauswinde und die Überlagerung der beiden Windsysteme führt zu weiterer Windscherung, welche ebenfalls zur Turbulenzproduktion beiträgt. Andererseits treten in Tälern häufig Kaltluftseen oder Temperaturinversionen auf, das heißt stark stabile Schichten, die Turbulenz dämpfen. Das Ziel dieses Projektes ist es die jeweiligen Beiträge dieser gebirgsspezifischen Prozesse zur Turbulenzproduktion beziehungsweise Turbulenzabschwächung in der Grenzschicht eines Gebirtstals zu untersuchen. Daten von sechs Eddy-Kovarianz Stationen im Inntal werden analysiert, die Teil des i-Box Projektes der Universität Innsbruck sind. Die Stationen stehen an unterschiedlichen Messstandorten: am Talboden, an den süd- und nordausgerichteten Hängen, sowie auf einem Berggipfel. Wir werden die räumlichen Variabilitäten des bodennahen turbulenten Austausches quantifizieren; bestimmen ob die beständige Windscherung aufgrund der charakteristischen Windsysteme ausreicht um, im Gegenteil zu unterbrochener, kontinuierliche Turbulenz zu erzeugen; den Einfluss von beobachteten Schwingungen in der nächtlichen Strömung bestimmen und den turbulenten Austausch während der morgendlichen und abendlichen Übergangszeiten beschreiben.

Turbulente Bewegungen spielen eine entscheidende Rolle beim Transport von Impuls, Wärme, Feuchtigkeit und anderen atmosphärischen Komponenten zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre sowie innerhalb der atmosphärischen Grenzschicht, d. h. der untersten Schicht der Atmosphäre. Die korrekte Darstellung des turbulenten Transports in Wetter- und Klimamodellen ist daher entscheidend für genaue Vorhersagen. Turbulenz in der atmosphärischen Grenzschicht wird durch Windscherung und tagsüber durch den Auftrieb infolge der Erwärmung der Oberfläche durch die Sonneneinstrahlung erzeugt. In der Nacht hingegen führt die Abkühlung der Oberfläche zu einer stabilen Schichtung der oberflächennahen Atmosphäre, die Turbulenz unterdrückt. Daher ist Turbulenz unter stabilen nächtlichen Bedingungen typischerweise schwach und intermittierend, und die bestehenden Theorien zur Beschreibung des turbulenten Austauschs in Vorhersagemodellen verlieren an Gültigkeit, sodass die Modelle oft Schwierigkeiten haben, stabile Bedingungen korrekt darzustellen. In TExSMBL analysierten wir den oberflächennahen turbulenten Austausch über gebirgigem Gelände anhand von Daten von fünf Eddy-Kovarianz-Stationen im Inntal, Österreich, die Teil der i-Box Infrastruktur der Universität Innsbruck sind. Die Ergebnisse zeigen eine starke Abhängigkeit der Turbulenzstärke und der Intermittenz von der Lage im Tal und von den an den verschiedenen Orten stattfindenden Prozessen. Am Talboden ist die oberflächennahe Atmosphäre in ungestörten, wolkenlosen Nächten typischerweise durch niedrige Windgeschwindigkeiten und eine starke Temperaturinversion, d.h. eine sehr stabile Schichtung, gekennzeichnet. Infolgedessen ist die beobachtete Turbulenz schwach und stark intermittierend. Im Gegensatz dazu ist die Turbulenz an Standorten entlang der Talhänge viel höher und die Intermittenz schwächer, wo Hangabwinde die ganze Nacht über anhalten, die augrund der starken Windscherung in der Vertikalen zur Turbulenzerzeugung beitragen. Da sowohl Hangwinde als auch Talwinde einem ausgeprägten Tageszyklus unterliegen, führt ihr Einfluss auf die oberflächennahe Turbulenz auch zu einer charakteristischen zeitlichen Entwicklung des turbulenten Austauschs während der Nacht. Darüber hinaus treten in der Nähe des Talbodens häufig mäandrierende Bewegungen auf, insbesondere bei hoher Stabilität und sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten. Während dieser Perioden variiert die Windrichtung stark und der turbulente Austausch wird weiter reduziert. Zur Analyse turbulenter Bewegungen in der Atmosphäre wird ein Hochpassfilter auf die Daten angewandt um großskalige Bewegungen herauszufiltern. Während stabiler nächtlicher Bedingungen treten viele kleinräumige, nichtturbulente Bewegungen auf, wie z. B. Mäandrieren, mit ähnlichen Zeitskalen wie turbulente Bewegungen. Im Rahmen von TExSMBL wurde eine statistische Beziehung zwischen der Zeitskala, die turbulente und nichtturbulente Bewegungen voneinander trennt, und der oberflächennahen Windgeschwindigkeit und Stabilität ermittelt. Diese Beziehung kann verwendet werden, um eine nicht konstante Filterzeitskala anzuwenden. Die Analyse der Daten aus dem Inntal ergab, dass eine Filterzeit von etwa 2 bis 3 Minuten für diesen Ort am besten geeignet ist, um die meisten turbulenten Bewegungen zu erfassen und gleichzeitig die meisten nicht-turbulenten Bewegungen herauszufiltern.