Hochaufgelöste Turbulenzmodellierung über komplexem Gelände

Der Klimawandel bringt eine größere Anzahl an extremen Unwetterereignissen mit sich. Um die Gefahr für Menschen zu reduzieren, müssen wir die atmosphärischen Zustände (z.B. Temperatur und Windgeschwindigkeit) auf feinen räumlichen Skalen genau vorhersagen können. Obwohl die meisten Wettermodelle relativ zuverlässige Vorhersagen über einfachem Gelände liefern können, sind sie für komplexeres Gelände (wie hügelige oder gebirgige Landschaften oder unterschiedliche Landnutzung wie Ackerland oder Städte) nicht gut geeignet. Dieses komplexe Umfeld ist jedoch genau der Bereich, der uns am meisten interessiert, da es für unseren Alltag am relevantesten ist. In diesem Projekt setzen wir den Schwerpunkt auf Städte in Gebirgstälern also dicht besiedelte Gebiete, die oft gefährlichen Wetterbedingungen (z.B. Föhn, Stürme, schlechte Luftqualität) ausgesetzt sind. Eines der Hauptmerkmale von komplexem Gelände ist die ausgeprägte räumliche Variabilität. Die Temperatur kann zum Beispiel von einer Talseite zur anderen sehr unterschiedlich sein oder am Talboden im Vergleich zu den Berggipfeln oder in der Stadt im Vergleich zum Land. Auch Windgeschwindigkeiten und -richtungen variieren sehr stark, da die Luftströmung von Gebäuden und Bergen beeinflusst wird und durch Täler und Straßen kanalisiert wird. Über komplexem Gelände gibt es eine Vielzahl von Prozessen, die von sehr kleinen bis zu sehr großen Skalen ablaufen und miteinander interagieren. Die genaue Darstellung dieser Prozesse in Wettermodellen ist eine große Herausforderung. Technologische Fortschritte ermöglichen es, Simulationen mit sehr hoher Auflösung (sogenannte Large- Eddy-Simulationen oder LES) für reale Städte durchzuführen. Im Gegensatz zu aktuellen Wettermodellen, die Städte durch wenige Gitterboxen mit typischen Eigenschaften eines Stadtgebiets darstellen, werden unsere Simulationen die reale Stadtstruktur (einzelne Gebäude, Straßen und Bäume) für die Alpenstadt Innsbruck einbeziehen. Diese Simulationen werden zu jedem Zeitpunkt ein dreidimensionales Bild der atmosphärischen Bedingungen in der Stadt liefern. Das ermöglicht eine detaillierte Untersuchung von Turbulenzprozessen, die sich auf Luftqualität, Wetter und Klima auswirken. Erstmalig wird ein LES-Modell zur Untersuchung des Einflusses sowohl von Gebäuden als auch von Bergen auf die Atmosphäre eingesetzt. Daher ist es besonders wichtig, das Modell mit beobachteten Messdaten zu überprüfen. Daraufhin wird das Modell als virtuelles Labor genutzt, um zu untersuchen, wie und warum sich Turbulenz horizontal von Ort zu Ort und vertikal vom Straßenniveau bis über die Dächer ändert. Das Modell wird zeigen, ob Messungen an bestimmten Punkten repräsentativ sind und ob alle relevanten Prozesse gemessen werden können. Die Ergebnisse werden neue Einblicke in die Struktur der Atmosphäre über komplexem Gelände geben und unserer Gesellschaft Wissen liefern, um sich besser auf extreme Wetterbedingungen und die Auswirkungen des Klimawandels vorzubereiten.