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Instrumentenpraktikum. Theoretische Grundlagen: Bodenenergiebilanz und turbulenter Transport. Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie. Kapitel 1 Die Bodenenergiebilanz. 1.1 Energieflüsse am Erdboden 1.2 Energiebilanz. LS Umweltmeteorologie Dr. Klaus Keuler. Solare Strahlung.
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Instrumentenpraktikum Theoretische Grundlagen: Bodenenergiebilanz und turbulenter Transport Dr. Klaus Keuler LS Umweltmeteorologie
Kapitel 1Die Bodenenergiebilanz 1.1 Energieflüsse am Erdboden 1.2 Energiebilanz LS UmweltmeteorologieDr. Klaus Keuler
Solare Strahlung Atmosphäre Kurzwellige Strahlungsbilanz QS = S↓ – S↑ = (1 – A) • S↓ Solare Einstrahlung S↓ Reflektierte Strahlung S↑ = A • S↓ Albedo A Boden 1 Die Bodenenergiebilanz1.1 Energieflüsse am Erdboden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Terrestrische Strahlung Atmosphäre TA =Temperatur der Atmosphäre QS = S↓ – S↑ Langwellige Strahlungsbilanz QL = L↓ – L↑ Thermische Ausstrahlung L↑ Atmosphärische Gegenstrahlung L↓ Albedo A TS =Temperatur der Oberfläche Boden 1 Die Bodenenergiebilanz1.1 Energieflüsse am Erdboden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Sensibler und Latenter Wärmefluss Atmosphäre QS = S↓ – S↑ QL = L↓ – L↑ Fühlbarer Wärmestrom HLatenter Wärmestrom E TA Verdunstung Wärmeabgabe Albedo A Wasser TS Boden 1 Die Bodenenergiebilanz1.1 Energieflüsse am Erdboden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Bodenwärmestrom Atmosphäre QL = L↓ – L↑ QS = S↓ – S↑ H E TA Albedo A Wasser TS Bodentemperatur TB Wärmefluss in Erdboden B 1 Die Bodenenergiebilanz1.1 Energieflüsse am Erdboden Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Bilanzierung von Flüssen • Eine Grenzfläche kann keine Energie speichern • Sie kann Energieflüsse nur umwandeln • An der Erdoberfläche muss daher die Summe der zufließenden Energie gleich der Summe der abfließenden Energie sein Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben 1 Die Bodenenergiebilanz1.2 Energiebilanz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Die Bodenenergiebilanz • Die Summe aller Energieflüsse an der Erdoberfläche muss Null ergeben Q =H+E+B Q–H–E– B = 0 QS > 0 QL < 0 H > 0 E > 0 Strahlungsbilanz Q = QS + QL B > 0 1 Die Bodenenergiebilanz1.2 Energiebilanz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Änderung der Flussbilanzen • Vorzeichen der Wärmeflüsse und Strahlungs-bilanzen können wechseln • Beispiel: Wolkenfreie (Strahlungs-) Nacht QS = 0 QL < 0 H < 0 E < 0 Q–H–E– B = 0 TS < TA TS TS <TB B < 0 1 Die Bodenenergiebilanz1.2 Energiebilanz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Kapitel 2Turbulente Energieflüsse 2.1 Turbulente Schwankungen 2.2 Transport durch Turbulenz 2.3 Turbulente Flüsse LS UmweltmeteorologieDr. Klaus Keuler
Beispiel: Temperaturmessung = ↑ + ↓ 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.1 Turbulente Schwankungen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Reynolds-Zerlegung • Ursache der schnellen Schwankungen • turbulente Bewegung in der Atmosphäre • Skalentrennung der Variablen in • langsam variierenden zeitlich gemittelten Anteil • schnelle ‚stochastische‘ Fluktuationen 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.1 Turbulente Schwankungen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Reynolds-Zerlegung • Analoge Skalentrennung für alle meteorologischen Variablen • Temperatur (T), Dichte (ρ), Druck (P) • Geschwindigkeitskomponenten (u,v,w) • Spezifische Feuchte (q) 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.1 Turbulente Schwankungen Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulenter Austausch Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z Schichtmitteltemperatur z3 <T3> = turbulenter Austausch z2 <T2> = z1 <T1> = 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.2 Transport durch Turbulenz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulenter Austausch Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Temperaturen z Schichtmitteltemperatur z3 <T3> = turbulenter Austausch z2 <T2> = z1 <T1> = 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.2 Transport durch Turbulenz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulente Durchmischung • Turbulenter Austausch von Luftteilchen zwischen verschiedenen Schichten bewirkt: • vertikale Durchmischung der Atmosphäre • Austausch von Eigenschaften (Temperatur z.B.) • Durch Austausch von Teilchen entsteht ein turbulenter Wärmefluss der • wärmere Luft von unten nach oben • und kältere Luft von oben nach unten transportiert • Stärke des Wärmeflusses hängt ab von • Intensität des Austausches • Temperaturunterschied zwischen Schichten 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.2 Transport durch Turbulenz Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulenzterme Mathematische Beschreibung der turbulenten Flüsse z Schichtmitteltemperatur T3 = <T3> z3 <T3> = T′ > 0 w′ > 0 T′w′ > 0 T′ < 0 w′ < 0 z2 <T2> = T2 = <T2> z1 <T1> = 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.3 Turbulente Flüsse Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulenter Wärmefluss • Repräsentiert zeitliches Mittel des Produktes der turbulenten Fluktuationen T′ und w ′ • Ist > 0 wenn T mit Höhe (z) abnimmt • Wärmefluss von unten nach oben • Ist < 0 wenn T mit Höhe (z) zunimmt • Wärmefluss von oben nach unten • Nimmt zu, wenn Fluktuationen T′, w ′ zunehmen • Ist Maß für turbulenten Wärmefluss 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.3 Turbulente Flüsse Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulente Flüsse • Turbulenter sensiblerWärmefluss • = Dichte • cp = spezif. Wärmekapazität der Luft • Analog folgen der • turbulente latenteWärmefluss • q = spezifische Feuchte • L = Kondensationswärme von Wasserdampf • turbulente Impulsfluss • u′, v′, w′ Geschwindigkeitsfluktuationen • als Maß für die Reibung durch Turbulenz 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.3 Turbulente Flüsse Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
Turbulenter Impulsfluss Luftteilchen in verschiedenen Höhen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten <u3> = u3 <w3> = 0 z Mittlere Geschwindigkeits-komponenten u3 = <u3> z3 u′ < 0 w′ > 0 u′w′ < 0 u′ > 0 w′ < 0 <u2> = u2 <w2> = 0 z2 u2 = <u2> <u1> = u1 <w1> = 0 z1 u3 > u2 > u1 2 Parametrisierung der Energieflüsse2.3 Turbulente Flüsse Begleitmaterial zur Lehrveranstaltung "Instrumentenpraktikum"
