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Titelbild: Karlsruher Wolkenatlas, Bernhard Mühr EXPERIMENT IN KLIMATOLOGIE UND HYDROLOGIE ABSCHLUSSBERICHT VON THOMAS GRIESSER F RANCESCO I SOTTA MICHAEL LITSCHI DANIEL WALKER BETREUUNG : PETER SCHELANDER

Experiment in Klimatologie und Hydrologieiacweb.ethz.ch/staff/krieger/pdf/Bericht2004Turbulenz.pdfExperiment in Klimatologie und Hydrologie 2004 4 Messplatz nach Norden bzw. Nordosten

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  • Titelbild: Karlsruher Wolkenatlas, Bernhard Mühr

    EXPERIMENT IN KLIMATOLOGIE UND HYDROLOGIE

    ABSCHLUSSBERICHT

    VON

    THOMAS GRIESSER

    FRANCESCO ISOTTA

    MICHAEL LITSCHI

    DANIEL WALKER

    BETREUUNG: PETER SCHELANDER

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    INHALTSVERZEICHNIS

    1. EINLEITUNG

    2. ATMOSPHÄRISCHE GRENZSCHICHT UND TURBULENZ

    3. MESSINSTRUMENTE UND MESSPRINZIP

    4. VORGEHEN

    5. RESULTATE

    6. DISKUSSION

    7. LITERATURVERZEICHNIS

    8. ANHANG

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    1. EINLEITUNG

    Im Rahmen der Veranstaltung „Experiment in Klimatologie und Hydrologie“ wurde auf dem

    Üetliberg vom 16.4. bis 4.6.2004 eine Messkampagne durchgeführt. Dabei wurden zeit-

    gleich von verschiedenen Gruppen der ETH Zürich Datenreihen der Luftschadstoffe,

    Aerosole sowie der Turbulenz aufgenommen. Des weiteren hatten wir die Möglichkeit an

    zwei Tagen Radiosondierungen in der Stadt Zürich (Kasernenareal) durchzuführen.

    In diesem Bericht befassen wir uns hauptsächlich mit den Turbulenzmessungen und dem

    lokalen Windfeld. Im Vordergrund steht die zeitliche und räumliche Entwicklung der

    Grenzschicht. Von Interesse sind insbesondere die folgenden Punkte:

    Stabilität und vertikale Flüsse

    Ø Wie verhält sich der Tagesgang des sensiblen Wärmeflusses während der Mess-

    periode?

    Ø Was bestimmt den Betrag des vertikalen Wärmeflusses?

    Ø Gibt es Tage mit abnormalen (über-/unterdurchschnittlichen) Wärmeflüssen?

    Ø Inwieweit beeinflusst der Wind die Stabilität der Grenzschicht?

    Tägliche Variabilität der Grenzschicht

    Ø Wie verändern sich Windrichtung und Windgeschwindigkeit während einem Tag?

    Ø Treten bei speziellen Wetterlagen lokale Zirkulationen auf?

    Ø Wie ändert der vertikale Wärmefluss?

    Ø Gibt es einen statistisch relevanten Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit

    und Windrichtung?

    Ø Weht der Wind bei jeweils gleicher Tageszeit aus bestimmten Richtungen?

    Ø Was limitiert die Höhe der Grenzschicht?

    Ausbildung einer lokalen Zirkulation zwischen der Stadt Zürich und dem Üetliberg:

    Unsere Modellvorstellung beruht auf der Tatsache, dass sich die Stadt Zürich und der

    Üetliberg unterschiedlich stark erwärmen. Durch diese thermische Differenz müsste sich

    im Verlauf des Morgens bis vor Mittag eine Zirkulation aufbauen (Baroklinität). Da sich die

    Stadt stärker erwärmt, kommt es zur Ausbildung einer Wärmeinsel mit aufsteigender Luft

    und damit zu einem Abfliessen der Luft vom Üetliberg in Richtung Stadt. Durch eine vom

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    Messplatz nach Norden bzw. Nordosten abfallende Rinne sollte sich im Falle einer lokalen

    Zirkulation bis gegen Mittag eine Strömung in dieser Richtung ausbilden.

    Ziel war es nun, Tage zu finden, an welchen dieses Muster auftritt.

    Wachstumsrate der Grenzschicht über der Stadt und das Erreichen der Erhöhung

    Annaburg:

    Ein weiterer Aspekt, der uns interessierte, ist die Entwicklung der turbulenten Grenz-

    schicht. Dies ist von grosser Wichtigkeit für die Verteilung der Luftschadstoffe, welche ihre

    Quellen im urbanen Gebiet haben.

    Zur Beantwortung dieser Frage verwendeten wir zum einen die Daten der „Station Anna-

    burg", zum anderen einen Vorprozessor, welcher mit meteorologischen Daten vom Dach

    der Universität Irchel arbeitet.

    Eine erhöhte Turbulenzintensität wurde als Hinweis für den Zeitpunkt angesehen, zu dem

    die Grenzschicht die Höhe von Annaburg erreichte. Der Vorprozessor, welcher die Grenz-

    schichthöhe für den ganzen Tag modellierte, lieferte uns diesbezüglich weitere Anhalts-

    punkte.

    Es ist jedoch zu beachten, dass die Daten für die Berechnung der Grenzschichthöhen aus

    der bodennahen Grenzschicht über der Stadt stammen und somit die Situation am Üetli-

    berg nicht korrekt wiedergeben können. Über der Stadt ist häufig eine ganz andere nächt-

    liche/frühmorgendliche Stratifizierung zu finden als über ländlichen Gegenden. Zur Unter-

    suchung der tatsächlichen Stratifizierung über der Stadt Zürich konnten wir im Laufe des

    Experimentes drei Ballonsondierungen im Kasernenareal durchführen; leider decken sich

    die Tage der Sondierungen nicht mit den Fällen, welche wir betrachten.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    2. ATMOSPHÄRISCHE GRENZSCHICHT UND TURBULENZ

    (Quelle: „Grenzschichtmeteorologie“ – Skript zur gleichnamigen Vorlesung an der ETHZ;

    H.P. Schmid, M. Rotach; 2000)

    2.1 DIE ATMOSPHÄRISCHE GRENZSCHICHT

    Die atmosphärische Grenzschicht ist die Kontaktzone zwischen Erdoberfläche und Atmo-

    sphäre.

    Erdoberfläche und Atmosphäre befinden sich in ständiger Wechselwirkung, welche sich in

    einem fortwährenden Austausch von Energie, Impuls und Masse (Wasser, CO2, organi-

    sche Spurengase, Staub etc.) manifestiert. Dieser Austausch erfolgt an der Erdoberfläche,

    wo die Beeinflussung der Atmosphäre durch die Oberfläche am stärksten ist. Die Aus-

    tauschprozesse in der Grenzschicht sind hauptsächlich vertikal.

    Die Atmosphäre stellt sich in der Grenzschicht zuerst, am schne llsten und am stärksten

    auf neue zeitliche und räumliche Bodenbedingungen ein, weiter oben sind die Reaktions-

    zeiten länger und die Amplituden gedämpft. Die Grenzschicht ist daher im Vergleich zur

    übrigen Atmosphäre durch eine grosse zeitliche und räumliche Variabilität geprägt.

    Eine mögliche Definition für die Grenzschicht könnte daher wie folgt lauten (nach Stull,

    1988):

    Die planetare Grenzschicht ist der Teil der Atmosphäre, der mit der Erdoberfläche in di-

    rekter Wechselbeziehung steht und auf Veränderungen an der Erdoberfläche innerhalb

    von wenigen Stunden (

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    2.1.1 STRUKTUR DER GRENZSCHICHT

    Die Eigenschaften der Grenzschicht sind in erster Linie von der Turbulenzaktivität abhän-

    gig. Turbulenz hat zwei verschiedene Ursachen:

    Ø Durch Instabilitäten in Bereichen mit starker Windscherung (z.B. bei Bodenreibung)

    entsteht die mechanisch induzierte Turbulenz. Sie ist an die Präsenz einer mittleren

    Strömung gebunden.

    Ø Erwärmung des Erdbodens erhöht die Temperatur der untersten Luftpakete und be-

    wirkt positive Auftriebskräfte in ihnen – die Schichtung wird instabil. Die resultierende

    Aufstiegsbewegung und das ausgleichende Absinken von kühleren Luftpaketen weiter

    oben führen zur thermisch induzierten Turbulenz. Entsprechend der Sonnenstrahlung

    unterliegt sie einem starken Tagesgang.

    Tagsüber ist die thermische Turbulenz meist dominant, die Turbulenzaktivität stark ausge-

    prägt. Nachts dagegen entsteht meist keine thermische Turbulenz bzw. die vorhandene

    Turbulenz wird sogar durch negative Auftriebskräfte gedämpft. Mechanisch induzierte

    Turbulenz ist dann die einzige Quelle, und die Turbulenzaktivität meist stark reduziert.

    Die vorherrschende Art der Turbulenz wird als primäres Kriterium zur Unterscheidung von

    verschiedenen Zuständen der Grenzschicht verwendet:

    Ø Konvektive Grenzschicht: Thermische Turbulenz ist dominant und führt zu einem star-

    ken vertikalen Austausch und guter Durchmischung der Grenzschicht (Schadstoffe!).

    Ø Stabile Grenzschicht: Der vertikale Austausch durch die meist nur schwache,

    mechanische Turbulenz wird von negativen Auftriebskräften in der stabilen Schichtung

    gedämpft: die Durchmischung ist fast gänzlich unterbunden.

    Ø Neutrale Grenzschicht: Turbulenz entsteht nur mechanisch, der vertikale Austausch

    wird weder gefördert, noch gedämpft, da in einer neutralen Schichtung keine Auf-

    triebskräfte wirken.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    2.2 TURBULENZ

    2.2.1 GEGENÜBERSTELLUNG: LAMINAR – TURBULENT

    Laminare Strömung:

    Ø Die Trajektorien von Fluidteilchen kreuzen sich (fast) nicht.

    Ø Mikroskopisch hat jedes Fluidteilchen zwei Geschwindigkeitskomponenten: die

    geradlinige der Fliessbewegung, mit der sich das Teilchen fortbewegt, und die unre-

    gelmässige der Brownschen Bewegung, die sich aber im Mittel aufhebt.

    Durch die Brownsche Bewegung können benachbarte Teilchen ihre Plätze tauschen. Auf

    diese Weise werden in laminaren Strömungen Impuls, Temperatur, chemische Konzentra-

    tionen etc. übertragen und durchmischt. Diese molekulare Diffusion erfolgt in allen

    Richtungen, also auch in der Ebene senkrecht zur Fliessbewegung.

    Turbulente Strömung:

    Ø Die Trajektorien von Fluidteilchen überschneiden sich oft und auf unregelmässige

    Weise.

    Ø Die Bewegung eines Fluidteilchens kann auch hier in zwei Komponenten unterteilt

    werden, nämlich in die Geschwindigkeit der mittleren Fliessbewegung und die Ge-

    schwindigkeit der momentanen turbulenten Bewegung.

    Ø Der Mischungsweg ist abhängig von der Intensität der Turbulenz, d.h. davon, wie stark

    sich die Trajektorien kreuzen.

    Als Grenzwert für den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung gilt üblicherweise

    2000Re > . Die dimensionslose Reynoldszahl (Re) ist definiert als das Verhältnis von

    Inertialkräften zu viskoser Reibung: ν

    UL ⋅=Re .

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    2.2.2 QUELLEN UND STRUKTUR VON TURBULENZ IN DER GRENZSCHICHT

    Mechanischer Einfluss:

    Ø Bodenrauhigkeit führt zu Reibung und grossen Scherkräften. Die daraus resultieren-

    den Instabilitäten kumulieren in mechanischer Turbulenz.

    Ø Hindernisse (Bäume, Gebäude, Felsformationen, Grashalme, Wasserwellen) induzie-

    ren eine Teilung der Stromlinien und damit beachtliche Druckschwankungen auf

    kleinstem Raum. Die in der Folge entstehenden Nachlaufwirbel können in mechani-

    scher Turbulenz resultieren.

    Diese Prozesse benötigen einen andauernden Input an kinetischer Energie (beispiels-

    weise von der mittleren Strömung), die dann in turbulente kinetische Energie (TKE) um-

    gewandelt wird.

    Thermischer Einfluss:

    Ø Erwärmung des Bodens, v.a. durch die Sonne, führt zu Dichteveränderungen in der

    bodennahen Luft. Die erwärmten Luftpakete erhalten positiven Auftrieb und beginnen

    aufzusteigen. Das Resultat ist thermische Turbulenz.

    Hier ist keine mittlere Strömung (makroskopische kinetische Energie) notwendig, dafür

    aber Wärme (mikroskopische kinetische Energie), die dann in TKE umgesetzt wird.

    2.3 BESCHREIBUNG VON TURBULENZ

    Turbulente Bewegungen von atmosphärischen Strömungen können in der Praxis nicht im

    Detail beschrieben werden, weshalb mit statistischen Methoden gearbeitet werden muss.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    2.3.1 TAYLOR HYPOTHESE

    Anstatt ein Luftvolumen auf seinem Weg zu beobachten, fällt es sehr viel leichter, an ei-

    nem Punkt über eine lange Zeit kontinuierlich zu messen. Ein Anemometer oder Thermo-

    meter auf einem Messturm liefert Zeitreihen der Wind- bzw. Temperaturverhältnisse in

    dem Teil der Grenzschicht, der am Instrument vorüberzieht. Dabei werden verschiedene

    Bereiche der Luft zu unterschiedlichen Zeitpunkten bemessen. Um die Entwicklung eines

    Wirbels zu betrachten wird die sogenannte Taylor Hypothese angewandt:

    Die Turbulenz kann als eingefroren betrachtet werden, während sie am Instrument

    vorüberzieht.

    2.3.2 STATIONARITÄT

    Turbulente Prozesse und die daraus resultierenden Felder von Windgeschwindigkeit,

    Temperatur etc. sind zwangsläufig zeitlich (und räumlich) sehr stark variabel. Es zeigt sich,

    dass die Statistik dieser Zufallsprozesse unter gewissen Umständen unabhängig von der

    Zeit, d.h. stationär, ist.

    Stationarität im engeren Sinn, d.h. für ∞ gegeben ist (Tf:

    forcing time scale, oft sfT f41 10≈= − ; Tm: Zeitskala der Veränderung von mittleren Grös-

    sen): eine Einwirkung muss über lange Zeit relativ konstant sein, damit sich einigermassen

    konstante mittlere Profile einstellen können.

    Die Erfahrung zeigt, dass in der Atmosphäre ein Mittelungsintervall von einer Stunde an-

    genommen werden kann, in welchem oft Quasi-Stationarität vorhanden ist, denn im Spekt-

    rum der Windgeschwindigkeiten (siehe Abb. 1) besteht im Bereich um eine Stunde eine

    Lücke an spektraler Dichte, d.h. es gibt kaum atmosphärische Fluktuationen mit Dauer von

    einer Stunde.

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    Abb. 1: Van der Hoven Spektrum der Windgeschwindigkeiten

    2.4 Einige Definitionen und Begriffe

    In diesem Abschnitt sollen noch einige für die Grenzschichtmeteorologie wichtige Begriffe

    kurz erläutert werden.

    Reynoldszerlegung:

    Gemäss der Reynoldszerlegung kann die Variable einer Zeitreihe in eine mittlere und eine

    fluktuierende Komponente zerlegt werden: xxx ′+= .

    Stabilität/Instabilität

    In einer stabil geschichteten Atmosphäre kehrt ein aus seiner Ausgangslage ausgelenktes

    Luftpaket wieder dorthin zurück. In einer instabil geschichteten Atmosphäre dagegen steigt

    oder sinkt es immer weiter.

    Man unterscheidet zwischen statischer Stabilität/Instabilität, welche auf dem vertikalen

    Temperaturgradienten basiert, und dynamischer Stabilität/Instabilität, welche durch die

    Obukhov-Länge bzw. die Fluss-Reynoldszahl definiert wird.

    Logarithmisches Windprofil

    Infolge der Reibung an der Erdoberfläche gehorcht die Windgeschwindigkeit in Abhängig-

    keit der Höhe (z) über der Erdoberfläche im Mittel der folgenden Beziehung:

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    =

    0

    * ln)(zz

    ku

    zu . Dabei ist u* die sogenannte Reibungsgeschwindigkeit, z0 die

    Rauhigkeitslänge und 4.0≅k die Von-Kármán-Konstante.

    Rauhigkeitslänge

    Die Rauhigkeitslänge bezeichnet jene Höhe, auf welcher die Geschwindigkeit des loga-

    rithmischen Windprofils gleich null wird.

    Reibungsgeschwindigkeit

    Die Reibungs- oder Schubspannungsgeschwindigkeit ist definiert als ρτ=*u . Dabei ist

    22

    =′′⋅−=

    dzud

    lwu ρρτ die sogenannte Reynoldsspannung und ρ die durchschnittliche

    Dichte der Luft.

    Sensibler Wärmefluss

    Der sensible Wärmefluss ist definiert durch θρ ′′⋅⋅= wcH p . Dabei stehen ρ für die Dichte

    und cp für die Wärmekapazität von Luft; θ ′′w ist die Kovarianz der Fluktuationen der

    vertikalen Geschwindigkeitskomponente und der (potentiellen) Temperatur. Sie bestimmt

    in welche Richtung der Wärmetransport aufgrund der Fluktuationen erfolgt.

    Impulsfluss

    Der vertikale Transport von Impuls ist ähnlich definiert wie der sensible Wärmefluss:

    wuwu ′′⋅−≈′′−= ρρτ : . An die Stelle der Kovarianz der fluktuierenden vertikalen

    Geschwindigkeitskomponente und der potentiellen Temperatur tritt hier allerdings die Ko-

    varianz der Fluktuationen der vertikalen und der hauptsächlichen horizontalen Geschwin-

    digkeitskomponente.

    Obukhov-Länge

    Die Obukhov-Länge ist ein wichtiges Mass der Grenzschichtmeteorologie. Sie kann ver-

    standen werden als Höhe, auf der die Produktion von turbulenter kinetischer Energie

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    durch (mechanische) Windscherung und durch (thermischen) Auftrieb gerade gleich gross

    sind:

    0

    3*:

    3*

    )(:

    θθ

    θθ ′′

    −= →−=′′ =

    wg

    k

    uL

    kzu

    wg Lz .

    Fluss-Richardsonzahl

    Die Fluss-Richardsonzahl ist festgelegt als das Verhältnis zwischen der Arbeit, die gegen

    die Gravitation geleistet werden muss, und der Produktion von turbulenter kinetischer

    Energie infolge Windscherung: )(

    )(

    dzudT

    cHgR pf τ

    −= .

    Stabilitätsparameter z/L

    Im Rahmen der Monin-Obukhov-Ähnlichkeitstheorie für den surface layer wird z/L als Sta-

    bilitätsmass verwendet dabei ist 0/ >Lz stabil, 0/ =Lz neutral und 0/

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    13

    3. LOKALITÄT, MESSINSTRUMENTE UND MESSPRINZIP

    Lokalität:

    Die Messgeräte wurden bei Annaburg auf dem Üetliberg aufgebaut. Der Messstandort

    liegt auf einer Waldlichtung, welche nur teilweise von Bäumen umgeben ist. Gegen Nor-

    den/Nordosten verläuft ein kleines Tal in Richtung Stadt Zürich.

    Abb. 2: Lage des Messstandorts

    Abb. 3: Übersicht über den Baumbestand um den Messstandort

    Baumbewuchs um den Messstandort

    N

    x

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    14

    Messinstrument und Messprinzip:

    Zur Messung der Windgeschwindigkeit wurde ein 3-D-Ultraschall-Anemometer (Gill R2A)

    eingesetzt. Das Gerät berechnet aus der Laufzeit der Ultraschallpulse dreier Sonotroden-

    paare (Kombination von Mikrophon und Lautsprecher in konstantem Abstand L) die räum-

    lichen Komponenten der Windgeschwindigkeit und die Temperatur.

    Die Druckwellen bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit c. Die Windgeschwindigkeits-

    komponente vp in Richtung eines Sondenpaares überlagert sich dem Schallsignal und

    führt zu unterschiedlichen Laufzeiten für Hin- (t1) und Rückweg (t2):

    pvcL

    t+

    =1 (1)

    pvcL

    t−

    =2 . (2)

    Für die Windgeschwindigkeitskomponente gilt dann

    −=

    21

    112 ttL

    v p , (3)

    für die Schallgeschwindigkeit

    +=

    21

    112 ttL

    c . (4)

    Mit Hilfe des Ultraschall-Anemometers lässt sich ausserdem die sogenannte akustische

    Temperatur berechnen: 2

    055.20

    =

    cT . (5)

    Abb. 4: Gill Sonic Anemometer

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    4. VORGEHEN

    Die Sonic-Ausgabe besteht aus Zeitreihen der drei Windgeschwindigkeitskomponenten,

    sowie der akustischen Temperatur mit einer Auflösung von 20Hz. Diese Ausgangsdaten

    werden bei der Verarbeitung durch ein Computerprogramm so umgewandelt, dass die u-

    Komponente des Windfelds entlang der mittleren Windrichtung während einer halben

    Stunde ausgerichtet ist, d.h. die u-Komponente verändert ihre geographische Ausrichtung

    von einem halbstündigen Durchschnittswert zum nächsten. Die v- und w-Komponenten

    werden dann jeweils senkrecht zur u-Komponente ausgerichtet.

    In einem nächsten Schritt werden allfällige Trends im Signal mittels Reynoldszerlegung

    eliminiert, wobei wiederum die Durchschnittswerte der halbstündigen Perioden als Mittel-

    werte dienen, was sich aus der Perspektive der Grenzschichtmeteorologie als sinnvoll er-

    weist (vgl. Kap. 2.3.2). Mit den so erhaltenen Mittelwerten und Fluktuationen der Windge-

    schwindigkeit und der Temperatur werden schliesslich sämtliche Werte der Turbulenzsta-

    tistik berechnet.

    Ausserdem wird mit Hilfe eines Vorprozessors, welchem Zeitreihen der Globalstrahlung,

    Windgeschwindigkeit, Temperatur (UNI Irchel) und des Bewölkungsgrads (MeteoSchweiz,

    SMA) eingegeben werden, der zeitliche Verlauf der Grenzschichthöhe modelliert. Dieser

    kann dann mit den Messwerten vom Üetliberg verglichen werden.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    16

    5. RESULTATE

    In diesem Abschnitt werden die Analysen und Interpretationen für fünf ausgewählte Tage

    präsentiert, die eingehender untersucht wurden. Die Auswahl dieser Einzeltage erfolgte

    einerseits anhand spezieller Ausschläge in den meteorologischen Daten (z.B. Global-

    strahlung), andererseits mittels synoptischer Karten.

    Datum Spezielle Messwerte Grosswetterlage Grenzschicht-höhe erreicht Annaburg um

    19. Apr 04 Tiefe Temperaturen, geringe Globalstrahlung (< 500 W/m2)

    Kaltfrontdurchgang 10:00

    21. Apr 04 Hohe Globalstrahlung bis 850 W/m2. Klar einsetzende Turbulenzintensität am Morgen.

    Hochdruckeinfluss 06:45

    22. Apr 04 Hohe Globalstrahlungswerte bis 900 W/m2. Klar einsetzende Turbulenzintensität am späteren Morgen.

    Etwas abgeschwächte Hoch-drucklage.

    06:45

    26. Apr 04 Starker Wind, konstante Windrichtung Leichte Bise 06:3029. Apr 04 Über der Schweiz liegt

    eine Okklusion.06:15

    Tab. 1: Auswahl der untersuchten Tage

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    17

    5.1 MONTAG, 19. APRIL

    Allgemeine Lage:

    Eine Kaltfront zieht vom Jura her über Schweiz. In der ganzen Schweiz fällt Regen, am

    späten Nachmittag kommt es zu ersten Aufhellungen.

    Wolken und Globalstrahlung

    0

    100

    200

    300

    400

    500

    600

    700

    800

    900

    1000

    19.0

    4.20

    04 0

    0:00

    19.0

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    7:00

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    8:00

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    0:00

    W/m

    0

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    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    Ach

    tel

    Globalstrahlung

    Wolkenbed.grad

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    Bis nach Mittag ist es im Raum Zürich vollständig bewölkt, folglich bleiben die Strahlungs-

    werte gering (

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    19

    Das Temperaturminimum des Tages wird gegen 8 Uhr, nach dem Frontdurchgang erreicht

    (fast -1°C). Danach steigt die Temperatur auf Annaburg langsam wieder an – bis ungefähr

    16:00 (4°C).

    Infolge der geringen Einstrahlung und der tiefen Temperaturen schwankt der sensible

    Wärmefluss bis nach dem Mittag zwischen 0 und 20W/m2.

    Am Nachmittag erfolgt dann eine markante Zunahme (bis 120W/m2) parallel zum Anstieg

    der Globalstrahlung zwischen etwa 13 und 16 Uhr.

    Nach 16 Uhr nimmt der sensible Wärmefluss rasch wieder ab, hin zu negativen Werten.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

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    Die Windrichtung bleibt den ganzen Tag über relativ konstant: am Morgen pendelt sie zwi-

    schen 180 und 240° (S, SW), in den Nachmittagsstunden dreht der Wind langsam auf

    durchschnittlich 120° (SE).

    An diesem Tag trifft das Phänomen der sonst beobachteten Hang-Talwind-Zirkulation

    nicht zu.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    21

    Die Windgeschwindigkeiten, welche sich grösstenteils im Bereich von 1-2m/s bewegen,

    sind eher durchschnittlich. Erst gegen Abend zeichnet sich eine Zunahme ab.

    Ein Tagesgang ist nicht zu beobachten, lediglich zwei „Maxima“ in den frühen Morgen-

    stunden und am Abend.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    22

    Die Standardabweichungen der einzelnen Windgeschwindigkeitskomponenten sind eher

    gering. Die Turbulenz dürfte also nur schwach ausgeprägt sein. Die Differenzen zeigen

    kaum Regelmässigkeiten, sind aber am Morgen eher stärker als am Nachmittag.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    23

    5.2 MONTAG, 26. APRIL

    Allgemeine Wetterlage:

    Bei fast wolkenlosem Himmel gibt es den ganzen Tag über viel Sonne. Dazu weht eine

    schwache Bise.

    Wolken und Globalstrahlung

    0

    100

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    W/m

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    10A

    chte

    l

    Globalstrahlung

    Wolkenbed.grad

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    24

    In den Morgenstunden ist in Zürich schwache Bewölkung zu beobachten, danach bleibt es

    aber den ganzen Tag über fast wolkenlos.

    Die Globalstrahlung zeigt eine „ideale Kurve“ mit einem Maximum um die Mittagszeit (ca.

    880W/m2).

    Grenzschichthöhe h

    0

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    0:00

    Gemäss dem Vorprozessor-Modell erreicht die Grenzschicht den Gipfel des Üetlibergs

    gegen 6:30 (LT).

    Temperatur am 26. April 2004

    0

    2

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    LT [hhmm]

    Tem

    per

    atu

    r (°

    C)

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    25

    Die Temperatur zeigt an diesem Tag einen „typischen“ Tagesgang mit dem Minimum

    (2.5°C) am Morgen (7:00 LT) und dem Maximum (13.5°C) am späteren Nachmittag (16:00

    LT).

    Der sensible Wärmefluss zeigt einen sehr unregelmässigen Verlauf mit zahlreichen

    Schwankungen zwischen positiven und negativen Werten über den ganzen Tag. Insge-

    samt ist der Wärmefluss relativ gering. Eine Korrelation mit der Globalstrahlung besteht

    kaum. Ursache könnte die hohe Windgeschwindigkeit/Turbulenz sein.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    26

    Den ganzen Tag über bestimmt die Bise die Windrichtung: der Wind weht aus nördlicher

    Richtung (20°).

    Der Wind weht aus einer Richtung, in welcher der Messstandort nicht von Bäumen umge-

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    27

    ben ist. Wahrscheinlich sind die Windgeschwindigkeiten deshalb meistens ziemlich hoch

    (≥3m/s, am Morgen sogar bis 7m/s). Im Verlauf des Tages geht der Wind zurück.

    Die Standardabweichungen der Windgeschwindigkeitskomponenten sind mit 1m/s relativ

    hoch. Wahrscheinlich war die Turbulenz am Messstandort den ganzen Tag über ziemlich

    gut ausgeprägt, allerdings ist bei dieser Wetterlage mit eher hohen Windgeschwindigkei-

    ten eine Interpretation dieser Messwerte schwierig.

    Erst am späteren Nachmittag dürfte die Turbulenzintensität nachgelassen haben.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    28

    5.3 MITTWOCH, 21 APRIL

    Allgemeine Wetterlage:

    In der Nacht erreicht eine Warmfront die Westschweiz. Über den Alpen finden wir ein

    Hochdruckgebiet (Philipp). In der Nacht ist der Luftdruck in Zentraleuropa noch am stei-

    gen, während er am Nachmittag in der Schweiz bereits wieder am Fallen ist.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    29

    Wolken und Globalstrahlung

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    W/m

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    Ach

    tel

    Globalstrahlung

    Wolkenbed.grad

    Grenzschichthöhe h

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    0:00

    Die Globalstrahlung erreicht an diesem Tag Werte bis 850W/m2, die Bewölkung bleibt bei

    maximal fünf Octas. Dies zeigt uns, dass es sich um einen sonnigen Tag handelt. Der Ta-

    gesgang ist klassisch und wird kaum durch Bewölkung gestört.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    30

    Der sensible Wärmefluss ist mit Werten über 200 W/m2 sehr hoch.

    Das Einsetzen von grösseren Wärmeflüssen steht in Verbindung mit der Turbulenzinten-

    sität, welche ebenfalls um 8 Uhr (LT) ansteigt.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    31

    Zu Zeiten, an welchen die Turbulenz anwächst bzw. zurückgeht, liegen Mimima in der

    Windgeschwindigkeit vor. Gleichzeitig kommt es auch zu Windrichtungswechseln.

    Besonders interessante Zeitpunkte sind:

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    32

    8:00 Uhr:

    - Zunahme der Turbulenz und damit des sensiblen Wärmeflusses.

    - Die Windgeschwindigkeit erreicht ein Minimum.

    - Die Windrichtung wechselt von 220° (Südwest) auf 0° (Nord).

    17:30 Uhr:

    - Wir stellen die umgekehrten Phänomene fest: die Turbulenz nimmt wieder ab, der

    Wind erreicht erneut ein Minimum und es kommt zu einem Wechsel der Windrichtung

    nach Norden.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    33

    5.4 DONNERSTAG, 22 APRIL

    Allgemeine Wetterlage:

    Das Hoch hat sich etwas nach Osten verschoben. Eine Störung wandert in Richtung

    Schweiz, hat aber gemäss Wetterkarte unser Land noch nicht erreicht.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    34

    Wolken und Globalstrahlung

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    2004

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    Auch der 22. April ist ein sonniger Tag mit Werten der Globalstrahlung von knapp

    900W/m2. Im Unterschied zum Vortag ist aber eine zeitliche Verzögerung in allen Signalen

    zu erkennen.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    35

    Verstärkte Turbulenz und damit ein erhöhter sensibler Wärmefluss setzen erst gegen 10

    Uhr ein.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    36

    Die Windrichtung ändert etwa um die gleiche Zeit, während das Minimum der Windge-

    schwindigkeit erst gegen 11 Uhr erreicht wird.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    37

    5.5 DONNERSTAG, 29. APRIL

    Allgemeine Wetterlage:

    Über der Schweiz liegt eine Okklusion mit der damit verbundenen Bewölkung.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    38

    Wolken und Globalstrahlung

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    Ach

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    Globalstrahlung

    Wolkenbed.grad

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    Die Globalstrahlung steigt mit einigen Einbrüche bis auf über 900W/m2 an, was trotz des

    grossen Bewölkungsgrades auf einen eher sonnigen Tag schliessen lässt.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    39

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    40

    Die Turbulenz und der sensible Wärmefluss beginnen jedoch erst nach 8 Uhr

    anzusteigen.Die Änderung der Windrichtung und das Ansteigen der Turbulenz haben an

    diesem Tag aber nichts miteinander zu tun. Der Windrichtungswechsel ist allein durch die

    Wetterlage bedingt

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    41

    Die minimale Windgeschwindigkeit wird bereits vor 5 Uhr erreicht. Die Änderung der Wind-

    richtung von 220° auf 0° fällt auch auf diesen Zeitpunkt.

    Während dem Tag wechselt der Wind von Südwesten auf Nordosten.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    42

    6. DISKUSSION

    6.1 BEOBACHTUNGEN

    Im Verlauf der Durchführung des Experiments konnten wir feststellen, dass sich nicht bei

    allen auftretenden Wetterlagen eine ausgeprägte Zirkulation zwischen der Stadt Zürich

    und dem Üetliberg etablieren kann. Zu untersuchen war daher, bei welchen Wetterlagen

    sich ein solches Strömungsmuster ausbildet.

    Genauer analysiert wurden fünf Fälle (siehe Kap. 5), welche sich grob in drei Gruppen

    einteilen lassen:

    Ø An den untersuchten Tagen mit Kaltfrontdurchgang bzw. Bisenlage ergaben sich keine

    Anzeichen einer Strömung parallel zur nördlich bis nordöstlich verlaufenden Rinne.

    Ø Demgegenüber konnte an ausgewählten Tagen mit Hochdruckeinfluss eine klare Aus-

    richtung des Windes mit einer deutlichen Drehung der Windrichtung in den Morgen-

    stunden festgestellt werden.

    Ø Einer dritten Gruppe ist der Durchgang einer Okklusion zuzuordnen: am betrachteten

    Tag konnte ebenfalls ein Wechsel der Windrichtung gemessen werden, welcher ähnli-

    che Schlüsse wie bei den Hochdrucklagen zulassen würde. Durch die Betrachtung der

    Grosswetterlage ist dieses Muster jedoch einer Störung zuzuordnen. Beim Untersu-

    chen von Phänomenen auf der kleinen Skala muss also die Grosswetterlage stets

    mitberücksichtigt werden.

    6.2 INTERPRETATION

    Aufgrund der gemachten Beobachtungen und der eingangs erläuterten Modellvorstellung

    gehen wir davon aus, dass sich eine lokale Zirkulation bei Wetterlagen mit Hochdruckein-

    fluss ausbilden kann. Wir stellen uns vor, dass eine nächtliche Inversion das Einsetzen der

    Zirkulation im Laufe des Morgens zunächst noch hemmt. Bei zunehmender Erwärmung

    des Stadtgebietes erreicht die Zirkulation durch die Wirkung der Stadt als Wärmeinsel ihr

    Maximum am frühen Nachmittag. Diese Aussagen sind jedoch mit einer gewissen Unsi-

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    43

    cherheit behaftet, da wir für unsere Analyse nur eine Punktmessung zur Verfügung hatten,

    während detaillierte Windmessungen in der Rinne selbst fehlten.

    Für eine genauere Untersuchung der lokalen Verhältnisse müssten Messungen an weite-

    ren Standorten durchgeführt werden, der Einsatz von "Remote Sensing"-Instrumenten

    (LIDAR, Windprofiler, Sondierungen…) liesse eine präzisere Darstellung des Grenz-

    schichthöhe zu.

    Auch die Stadt Zürich war an den Ergebnissen unserer Untersuchung interessiert: für die

    Charakterisierung des urbanen Klimas ist es von Bedeutung zu wissen, welche Transport-

    prozesse auf die Schadstoffe wirken und diese dadurch im Stadtgebiet und der näheren

    Umgebung verteilen. Dafür ist die Kenntnis der Grenzschichtmächtigkeit, ihrer Struktur

    und Schichtung eine Voraussetzung. Mit Hilfe unserer Messungen konnten wir unterschei-

    den, ob sich eine konvektive Grenzschicht mit ihren für die Einwohner positiven Mi-

    schungseigenschaften entwickeln konnte, und zu welchen Zeiten sie die Höhe der Anna-

    burg und damit eine gewisse Mächtigkeit erreichte.

    Je höher die Grenzschicht an einem Tag anzuwachsen vermag, desto grösser wird auch

    das Luftvolumen, in welchem die Schadstoffe verdünnt werden. Dies ist in Städten vor al-

    lem bei starken Inversionslagen problematisch und führt zu gesundheitlichen Beschwer-

    den bei der Bevölkerung.

    Die Untersuchung der Schadstoffkonzentrationen erfolgte durch Studenten der Umwelt-

    naturwissenschaften. Ihre Resultate zeigten gute Übereinstimmungen mit unseren Analy-

    sen.

    6.3 AUFGETRETENE PROBLEME

    Standortwahl: Unser Messwagen befand sich auf einer Waldlichtung und war deshalb beinahe allseitig von Bäumen umgeben. Folglich ist es problematisch, Aussagen über die tatsächliche Strömung zu ma-chen, wenn sich die Messanlagen im Einflussbereich dieser Hin-dernisse befanden. Es wäre zu prüfen, wie repräsentativ unsere Messungen für die dominierenden Windverhältnisse wirklich sind.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    44

    Räumliche Auflösung: Um die Zirkulation zwischen der Stadt Zürich und dem Üetliberg genau wiedergeben zu können, wäre eine höhere räumliche Auflösung erforderlich: mit nur einer Messanlage ist es sehr schwierig auf ein Strömungsfeld zu schliessen.

    Vorprozessor: Dieses Programm berechnet nach der Eingabe von Wind-,

    Temperatur-, Strahlungs- und Bewölkungsdaten den sensiblen Wärmefluss, die Reibungsgeschwindigkeit, die Obukhov-Länge, die Grenzschichthöhe u.a. Diese Daten sind wertvoll, da wir keine Remote-Sensing Instru-mente zur Verfügung hatten und damit keine Aussage über die zeitliche Entwicklung der Grenzschicht machen konnten. Das Problem dabei ist allerdings, dass das Datenmaterial für den Vorprozessor vom Dach der Univerisität Irchel stammt. Deshalb sind die Resultate auch nur beschränkt repräsentativ für den Standort Üetliberg. Zudem stellt der Vorprozessor nur eine grobe Parametrisierung der tatsächlich ablaufenden Prozesse dar. Seine Präzision ist deshalb einerseits durch die Genauigkeit der Inputdaten beschränkt, andererseits auch dadurch, wie exakt die Parametrisierungen die Prozesse am jeweiligen Tag zu be-schreiben vermögen.

    6.4 SCHLUSSBEMERKUNGEN Der Kurs „Experiment in Klimatologie und Hydrologie“ bot uns einen guten Einblick in die Arbeit eines Grenzschichtmeteorologen. Es war sehr aufschlussreich, eine Versuchsan-ordnung einmal selbst aufzubauen und anschliessend mit "eigenen" Daten zu arbeiten. Bereichernd war es auch, die Gruppenarbeit mit den Kollegen der Umweltnaturwissen-schaften durchzuführen, unabhängig von ihnen Daten zu untersuchen und anschliessend die Resultate zu vergleichen. Ihr Wissen im Bereich der Atmosphärenchemie und Aero-sole lieferte wertvolle Impulse für unsere Analysen. Der Kurs war eine gute Erfahrung. Wir möchten allen Betreuern herzlich dafür danken.

  • Experiment in Klimatologie und Hydrologie 2004

    45

    7. LITERATURVERZEICHNIS

    Ø Grenzschichtmeteorologie (Skript zur gleichnamigen Vorlesung an der ETH Zürich);

    H.P. Schmid, M. Rotach; 2000

    Ø Mikroklimatologie (Skript zur gleichnamigen Vorlesung an der ETH Zürich); A.

    Ohmura, M. Rotach; 2001

    Ø An Introduction to Boundary Layer Meteorlogy; R. B. Stull; Dordrecht: Kluwer

    Academic Press; 1988

    Ø Berliner Wetterkarten vom 21., 22. und 29. April 2004; Institut für Meteorologie,

    Fachbereich Geowissenschaften der Freien Universität Berlin

    Ø Wetterkarten des Deutschen Wetterdienstes vom 19. und 26. April 2004

    Ø Webseite des Schweizer Fernsehens DRS: www.sfdrs.ch

    Ø Webseite mit Stadtplan der Stadt Zürich: www.gis.zh.ch

    Ø Bewölkungsgrad während der Messperiode: Daten von der MeteoSchweiz