Räumliche Inhomogenität von Surface Layer Turbulenz in komplexer Topographie

In diesem Projekt sollen die Charakteristika der Turbulenz in der Bodennahen Grenzschicht (Surface Layer [SL], auch Prandtl-Schicht) über komplexer Topographie untersucht werden. Da der Strahlungsantrieb, aber auch das dynamische Forcing über dieser Art Oberfläche inhärent inhomogen ist, stellt sich die Frage ob, oder in welchem Ausmaß das heutige theoretische Verständnis von SL-Turbulenz, das auf der Annahme von horizontal homogenen und flachen (HHF) Oberflächen beruht, Gültigkeit hat. Die verfügbare Theorie, die als Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie` (MOST) bekannt ist, wurde über HHF-Oberflächen ausführlich verifiziert, aber über komplexer Topographie fehlen vergleichbare Analysen weitgehend. Trotzdem wird MOST aufgrund mangelnder Alternativen in vielen Anwendungen wie der numerischen Wetterprognose (Boden-Austausch Parametrisierung), der hydrologischen oder Schadstoffausbreitungs-Modellierung benutzt, ob diese nun über HHF-Oberflächen oder komplexer Topographie eingesetzt werden. Im vorliegenden Projekt wird ein existierender Langzeit-Datensatz benutzt um im wesentlichen zwei Hauptaufgaben anzugehen: i) die Charakterisierung von SL-Turbulenz (turbulente Flüsse, Integralstatistiken) durch deren relative Magnitude und mittlere Tagesgänge an verschiedenen Stationen (Talboden`, Hang`, Krete`) in einem durch hohe Komplexität der Topographie gekennzeichneten Gebiet; und ii) die Untersuchung der Anwendbarkeit (und, falls nötig, Ergänzung) von MOST über komplexen Oberflächen. Um diese zwei Hauptaufgaben erfolgreich zu bearbeiten, muss zunächst die Datenbehandlung (post-processing`) der Turbulenzdaten, die sich üblicherweise an den Bedürfnissen über HHF-Oberflächen orientiert, den Gegebenheiten in komplexer Topographie angepasst werden. Schließlich sollen die Ergebnisse der beiden Tasks` benutzt werden, um Turbulenzspektren in komplexer Topographie zu analysieren, um daraus ein integrales Bild der atmosphärischen Turbulenz über komplexer Topographie zu gewinnen. Die Messdaten, die für dieses Projekt zur Verfügung stehen, stammen aus einer grösser angelegten Initiative am Institut des Antragstellers (die auch hoch-aufgelöste numerische Simulationen mit einschließt), die zum Ziel hat den gesamten (nicht nur den turbulenten) Austausch zwischen komplexer Topographie und der freien Troposphäre` darüber zu verstehen. Da die einzelnen Messstationen für dieses Projekt in einer Box` von ca. 20 x 25 km Ausdehnung konzentriert sind, kann die räumliche Charakteristik der Turbulenz (task i) für verschiedene Bedingungen (atm. Stabilität, Bodenbedeckung und Eigenschaften oder lokales Wetter wie Föhn) erfasst werden. Der Langzeitcharakter der Messungen erlaubt es zudem diese verschiedenen Zustände mit genügend grosser Datenbasis zu untersuchen (task ii), so dass statistisch signifikante Resultate erreicht werden können. Zusätzliche Datensätze aus anderen mehr episodischen` Projekten - stehen zudem zur Verallgemeinerung der Resultate zur Verfügung.

Am Übergang zwischen der Atmosphäre und der Erdoberfläche (Atmosphärische Grenzschicht) findet ein reger Austausch von Energie, Masse und Impuls statt. Das wichtigste Charakteristikum der atmosphärischen Strömung in dieser Schicht ist, dass sie turbulent ist. Das Verständnis der Turbulenz ist also eine wichtige Voraussetzung um Wetter- und Klimasimulationen physikalisch adäquat betreiben zu können. Unser theoretisches Verständnis dieser turbulenten Austauschprozesse in der Nähe der Erdoberfläche beschränkt sich auf flache, horizontal homogene Oberflächen. Deshalb hat sich das Projekt Räumliche Inhomogenität von Surface Layer Turbulenz in komplexer Topographie zum Ziel gesetzt, Turbulenz und Austauschprozesse in inhomogener, gebirgiger Umgebung zu untersuchen. Dabei wurde auf einen einmaligen Datensatz, der an der Universität Innsbruck, Institut für Atmosphären- und Kyrosphärenwissenschaften (ACINN) erhoben wird, Innsbruck-Box oder kurz i-Box, zurückgegriffen. Es handelt sich um 6 sogenannte Fluss- Messstationen in sehr komplexer Topographie mit zum Teil langjährigen Datensätzen. Die Resultate können folgendermaßen zusammengefasst werden. Der erste Schwerpunkt des Projekts, die Charakterisierung der Turbulenz in komplexer Topographie (hier sollten Fragen wie Gibt es konsistente Muster, zum Beispiel in den Tagesgängen der Turbulenzvariabeln?, Wo wirkt sich die Inhomogenität am stärksten aus?, Gibt es Hinweise auf vergleichbare Strukturen aus anderen Gebieten [typischerweise wenige Mess-Tage in Kurzzeit-Projekten]? beantwortet werden) hat sehr vielfältige Resultate gezeitigt. In einer Talstruktur wie dem Inntal (Ost-West-Orientierung) ist es primär die lokale Topographie und nicht so sehr die Exposition, wie z.B. in einem Nord-Süd ausgerichteten Tal - die die Turbulenzstruktur bestimmt. Generell ist die Turbulenz über den Hängen stärker ausgeprägt als über dem flachen Talboden, was zu einer Art Homogenität entlang des Tales, aber nicht quer zur Talachse führt. Schließlich hat sich die Interaktion zwischen der Turbulenzstruktur und dem thermisch getriebenen Talwindsystem gezeigt. Zweiter Schwerpunkt: Die Theorie, wie sie für homogene und flache Gebiete gilt (Monin-Obukhov Ähnlichkeitstheorie), kann nicht eins-zu- eins im Gebirge angewendet werden. Allerdings zeigen die Resultate, dass durchaus Potential besteht, zu einer gewissen Verallgemeinerung zu gelangen. Ein so genannter Local Scaling-Ansatz ist für viele Variablen (und Lokalitäten) erfolgreich. Dafür konnten im vorliegenden Projekt erst Indikatoren identifiziert werden, die dann in weiterführenden Arbeiten näher untersucht und verallgemeinert werden müssen. Dieser Aspekt hat wichtige Implikationen auf die numerische Modellierung von Wetter und Klima im Gebirge sowie weiterführende Anwendungen wie die hydrologische Modellierung) - da die Modelle mangels Alternative auch an Gebirgsgitterpunkten die verfügbare Theorie für flache Oberflächen verwenden. Dieser Aspekt wird in parallelen Projekten zu INHOM-TCT untersucht.