• search hit 6 of 49
Back to Result List

Untersuchung der Wechselwirkung synoptisch-skaliger mit orographisch bedingten Prozessen in der arktischen Grenzschicht über Spitzbergen

  • In der vorliegenden Arbeit wird die planetare Grenzschicht in Ny-Ålesund, Spitzbergen, sowohl bezüglich kleinskaliger („mikrometeorologischer“) Effekte als auch in ihrer Kopplung mit der Synoptik untersucht. Dazu werden verschiedene Beobachtungsdaten aus der Säule und in Bodennähe zusammengezogen und bewertet. Die so gewonnenen Datensätze werden dann zur Validierung eines nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodells genutzt. Weiterhin werden orographisch bedingte Einflüsse, die Untergrundbeschaffenheit und die lokale Heterogenität der Unterlage untersucht. Hierzu werden meteorologische Größen, wie die Variabilität der Temperatur und insbesondere die jährliche Windverteilung in Bodennähe untersucht und es erfolgt ein Vergleich von in-situ gemessenen turbulenten Flüssen von den Eddy-Kovarianz-Messkomplexen bei Ny-Ålesund und im Bayelva-Tal unter demselben Aspekt. Es zeigt sich, dass der Eddy-Kovarianz-Messkomplex im Bayelva-Tal sehr stark durch eine orographisch bedingte Kanalisierung der Strömung beeinflusst ist und sich nicht fürIn der vorliegenden Arbeit wird die planetare Grenzschicht in Ny-Ålesund, Spitzbergen, sowohl bezüglich kleinskaliger („mikrometeorologischer“) Effekte als auch in ihrer Kopplung mit der Synoptik untersucht. Dazu werden verschiedene Beobachtungsdaten aus der Säule und in Bodennähe zusammengezogen und bewertet. Die so gewonnenen Datensätze werden dann zur Validierung eines nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodells genutzt. Weiterhin werden orographisch bedingte Einflüsse, die Untergrundbeschaffenheit und die lokale Heterogenität der Unterlage untersucht. Hierzu werden meteorologische Größen, wie die Variabilität der Temperatur und insbesondere die jährliche Windverteilung in Bodennähe untersucht und es erfolgt ein Vergleich von in-situ gemessenen turbulenten Flüssen von den Eddy-Kovarianz-Messkomplexen bei Ny-Ålesund und im Bayelva-Tal unter demselben Aspekt. Es zeigt sich, dass der Eddy-Kovarianz-Messkomplex im Bayelva-Tal sehr stark durch eine orographisch bedingte Kanalisierung der Strömung beeinflusst ist und sich nicht für Vergleiche mit regionalen Klimamodellen mit horizontalen Auflösungen von <1km eignet. Die hohe Bodenfeuchte im Bayelva-Tal führt zudem zu einem deutlich kleineren Bowen-Verhältnis, als es für diese Region zu erwarten ist. Der Eddy-Kovarianz-Messkomplex bei Ny-Ålesund erweist sich hingegen als geeigneter für solche Modellvergleiche, aufgrund der typischen, küstennahen Windverteilung und des repräsentativen Footprints. Letzteres wird durch die Bestimmung der Footprint-Klimatologie des Jahres 2013 mit einem aktuellen Footprint-Modell erarbeitet. Weiterhin wird die Auswirkung von (Anti-) Zyklonen über den Archipel auf die zeitliche Variabilität der lokalen Grenzschichteigenschaften untersucht und bewertet. Dazu wird ein Zyklonen-Detektions-Algorithmus auf ERA-Interim-Reanalysedatensätze angewendet, wodurch die Häufigkeit von nahezu ideal konzentrischen Hoch- und die Tiefdruckgebieten für drei Jahre bestimmt wird. Aus dieser Verteilung werden insgesamt drei interessante Zeiträume zu verschiedenen Jahreszeiten ausgewählt und im Rahmen von Prozessstudien die lokalen bodennahen meteorologischen Messungen, der turbulente Austausch an der Oberfläche und die Grenzschichtdynamik in der Säule untersucht. Die zeitliche Variabilität der dynamischen Grenzschichtstabilität in der Säule wird anhand von zeitlich hoch aufgelösten vertikalen Profilen der Bulk-Richardson-Zahl aus Kompositprofilen aus Fernerkundungsinstrumenten (Radiometer, Wind-LIDAR) sowie Mastdaten (BSRN-Mast) untersucht und die Grenzschichthöhe ermittelt. Aus diesen Analysen ergibt sich eine deutliche Abhängigkeit der thermischen Stabilität beim Durchzug von Fronten, eine damit einhergehende erhebliche Abhängigkeit der Grenzschichtdynamik und der Grenzschichthöhe sowie des turbulenten Austauschs von der zeitlichen Variabilität der Windgeschwindigkeit in der Säule. Auf Grundlage der Standortanalysen und Prozessstudien erfolgt ein Vergleich der bodennahen Messungen und den Beobachtungen aus der Säule, sowohl von den genannten Fernerkundungsinstrumenten als auch von In-situ-Messungen (Radiosonden) für den Zeitraum einer Radiosondierungskampagne mit dem nicht-hydrostatischen, regionalen Klimamodel WRF (ARW). Auf Grundlage der Fragestellung, inwieweit aktuelle Schemata die Grenzschichtcharakteristika in orographisch stark gegliedertem Gelände in der Arktis reproduzieren können, werden zwei Grenzschichtparametrisierungsschemata mit verschiedenen Ordnungen der Schließung validiert. Hierzu wird die zeitliche Variabilität der Temperatur, der Feuchte und des Windfeldes in der Säule bis 2000m in den Simulationen mit den Beobachtungsdaten vergleichen. Es wird gezeigt, dass durch Modifikation der Initialwertfelder eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den Beobachtungen bereits bei einer horizontalen Auflösung von 1km erreicht werden kann und die Wahl des Grenzschichtschemas nur untergeordneten Einfluss hat. Hieraus werden Ansätze der Weiterentwicklung der Parametrisierungen, aber auch Empfehlungen bezüglich der Initialwertfelder, wie der Landmaske und der Orographie, vorgeschlagen.show moreshow less
  • In this work, the planetary boundary layer in Ny-Ålesund, Svalbard is investigated both in terms of small scale (“micrometeorological”) effects and its connection to synoptic scale processes. Therefore several observational data from the lower troposphere and near the surface are added together and evaluated. These datasets are used to validate a non-hydrostatic, regional climate model. Furthermore orographically induced influences and the character of the surface and its local heterogeneity are investigated. To this, meteorological quantities like the temperature variability and the annual wind distribution near the surface are analysed and a comparison of in-situ measurements of the turbulent fluxes from the eddy covariance measuring complexes near Ny-Ålesund and in the Bayelva valley are conducted accordingly. It is shown that the eddy-covariance measuring complex in the Bayelva valley is influenced considerably by local channelling of the flow. Therefore this station is not suitable for comparisons with a regional climate modelIn this work, the planetary boundary layer in Ny-Ålesund, Svalbard is investigated both in terms of small scale (“micrometeorological”) effects and its connection to synoptic scale processes. Therefore several observational data from the lower troposphere and near the surface are added together and evaluated. These datasets are used to validate a non-hydrostatic, regional climate model. Furthermore orographically induced influences and the character of the surface and its local heterogeneity are investigated. To this, meteorological quantities like the temperature variability and the annual wind distribution near the surface are analysed and a comparison of in-situ measurements of the turbulent fluxes from the eddy covariance measuring complexes near Ny-Ålesund and in the Bayelva valley are conducted accordingly. It is shown that the eddy-covariance measuring complex in the Bayelva valley is influenced considerably by local channelling of the flow. Therefore this station is not suitable for comparisons with a regional climate model with horizontal resolutions ≥1km. In addition, higher soil moisture results in lower Bowen-ratio than expected for this site. It turned out that the eddy-covariance measuring complex near Ny-Ålesund is more appropriate for such model studies due to typical coastal wind distribution and a representative footprint. The latter is calculated by determining the footprint climatology of the year 2013 with a current footprint model. Furthermore the impact of (anti-) cyclones over the archipelago on the temporal variability of boundary layer characteristics is investigated and evaluated. For this purpose, a cyclone detection algorithm is applied to ERA-Interim reanalysis data which determines the frequency of nearly ideal concentric high and low pressure systems for three years. From this distribution, three interesting time periods are selected at different seasons and the local near surface meteorological measurements, the turbulent fluxes at the surface and the boundary layer dynamics in the column are examined in case studies. The temporal variability of the dynamic stability of the planetary boundary layer in the column is examined by temporally high resolved vertical profiles of the bulk Richardson number from composite profiles compiled from remote sensing data (radiometer, wind LIDAR) as well as data from the BSRN mast. From these analyses, a clear dependence of the thermal stability during the passage of fronts, a corresponding dependence of the boundary layer dynamics and the boundary layer height as well as the turbulent exchange from the temporal variability of the wind speed in the column results. On the basis of the site analyses and the case studies, a comparison of near surface measurements and observations from the column is made, both from the above-mentioned remote sensing instruments and in-situ measurements (radio soundings) for the period of an intense radio sounding campaign with the non-hydrostatic regional climate model WRF (ARW). On the basis of the question as to how far current schemes can reproduce the boundary layer characteristics in complex terrain in the Arctic, two boundary layer parameterization schemes with different orders of closure are validated. For this purpose, the temporal variability of the temperature, humidity and wind field in the column up to 2000m height in the simulations is compared with observational data. It is shown that by modifying fields of initial value, a very good agreement between the simulations and the observations can already be achieved with a horizontal resolution of 1km. The choice of the boundary layer scheme has only a minor influence. From this, approaches to the further development of the parameterizations as well as recommendations concerning the initial value fields, such as the land mask and the orography, are proposed.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar Statistics
Metadaten
Author:Alexander SchulzORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-400058
Advisor:Klaus Dethloff
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of first Publication:2017/09/15
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2017/06/22
Release Date:2017/09/15
Tag:Mikrometeorologie; Turbulenzmessung; arktische Atmosphäre; atmosphärische Grenzschicht; regionale Klimamodellierung
Arctic atmosphere; atmospheric boundary layer; micrometeorology; regional climate modelling; turbulence measurement
Pagenumber:vi, 194
RVK - Regensburg Classification:RY 60423
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht