Abstract:
Der Austausch von Energie, Materie und Impulsen zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre findet in der atmosphärischen Grenzschicht statt. Die Eddy-Kovarianz (EC) ist die direkteste Methode zur Messung dieses Austauschs. Die Genauigkeit der mit dieser mikrometeorologischen Technik gemessenen Flüsse ist von entscheidender Bedeutung für die Untergitter-Parametrisierung numerischer Wettervorhersagemodelle und für die Vorhersage von Trends bei Treibhausgasemissionen durch Erdsystemmodelle. Gemessene, turbulente Wärmeströme werden jedoch im Vergleich zur verfügbaren Gesamtenergie oft unterschätzt, was zu dem Problem des Energiebilanzabschlusses führt. ... mehrDieses Ungleichgewicht kann unter anderem auf Messfehler bei den Anemometern und auf die Unzulänglichkeit von Punktmessungen mit nur einem Turm zur Erfassung des submesoskaligen Transports zurückgeführt werden. In dieser Arbeit wurden diese beiden potenziellen Ursachen für das Ungleichgewicht mit Hilfe von hochauflösenden Large-Eddy-Simulationen (LES) untersucht.
Ultraschallanemometer spielen eine zentrale Rolle in der EC, da sie Geschwindigkeitsmessungen liefern, die für Flussberechnungen erforderlich sind. Da es keine Referenzkalibrierung gibt, variiert die Größe des Fehlers bei Studien zur sondeninduzierten Strömungsverzerrung, die sich auf Windkanaltests oder Feldvergleiche stützen, erheblich. Unter kontrollierten Bedingungen kann die Unsicherheit bei der Fehlerquantifizierung durch die Definition des Etalons in numerischen Experimenten verringert werden. Die Strömungsverzerrungsfehler von Campbell CSAT3, einem weit verbreiteten Instrument für EC, wurden mit LES in OpenFOAM bewertet. Bei den Simulationen wurden den Geschwindigkeitskomponenten Oszillationen mit typischen Frequenzen und Amplituden aufgezwungen, die in den Turbulenzspektren der Oberflächenschicht zu finden sind. Die Simulationen wurden für verschiedene Kombinationen von Frequenz, Amplitude, Azimutwinkel und Anstellwinkel wiederholt. Die Strömungsverzerrung, quantifiziert durch den relativen Fehler der Standardabweichung zwischen der virtuellen Messung und dem Eingangssignal, lag für die vertikale Geschwindigkeitskomponente in Abhängigkeit vom Azimutwinkel zwischen 3 und 7%. Es wurde festgestellt, dass die Frequenz der Windgeschwindigkeitsoszillation bei Amplituden, die typisch für Oberflächenschichtturbulenz sind, von geringer Bedeutung ist. Außerdem wurden zwei bestehende Ansätze zur Korrektur von Strömungsverzerrungen bewertet. Beide Methoden verringern zwar den Fehler, berücksichtigen aber nicht die Azimutabhängigkeit der Strömungsverzerrung.
Der submesoskalige Transport kann mit LES nur untersucht werden, wenn die Oberflächenschicht ausreichend aufgelöst ist ($\mathrm{O(1\ m)}$). Dieses hohe Auflösungsniveau ist mit einem einzigen Gitter mit fester Auflösung für das gesamte Gebiet nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand zu erreichen. Um diese Berechnungsbeschränkung zu überwinden, wurde in PALM ein LES-in-LES-Ansatz entwickelt. Diese vertikale Gitterverschachtelung ermöglicht eine feinere Auflösung in Oberflächennähe. Der Zwei-Wege-Schachtelungsalgorithmus modifiziert das bestehende Runge-Kutta-Zeitschrittverfahren dritter Ordnung, um Daten zwischen den beiden Gittern auszutauschen und beide Gitter zeitlich zu integrieren. Die obere Randbedingung für das feine Gitter wird aus den Größen des groben Gitters abgeleitet, und ein Rückkopplungsprozess aktualisiert den Bereich des groben Gitters bei jedem Zeitschritt in der überlappenden Region. Der vertikale Verschachtelungsalgorithmus wurde anhand einer Referenzsimulation validiert und die Skalierbarkeit auf Tausenden von Rechenkernen wurde ebenfalls nachgewiesen.
Als nächstes wurde eine LES-Studie der LITFASS-2003-Kampagne durchgeführt, um den Energiebilanzabschluss in einer heterogenen Landschaft zu untersuchen. Durch vertikale Verschachtelung des Gitters wurde eine Auflösung von 1 m in vertikaler Richtung erreicht. Die aus Feldmessungen abgeleiteten Flüsse lieferten die unteren Randbedingungen für die Simulation. Um Ensemble-Statistiken zu berechnen, die die heterogenitätsbedingte Effekte von Turbulenzfluktuationen trennen, waren mehrere Realisierungen des Simulationsbereichs erforderlich. Die Existenz von Sekundärzirkulationen in der Oberflächenschicht konnte qualitativ nachgewiesen werden. Außerdem wurde festgestellt, dass die Unterschätzung systematisch und höhenabhängig ist. Es wurde nachgewiesen, dass die durch die Sekundärzirkulation verursachten dispersiven Flüsse bei einer typischen EC-Turmhöhe von 10 m bis zu 5% des an der Oberfläche vorgeschriebenen Flusses betragen. Insbesondere die hochauflösende LES ermöglichte die Berechnung der Unterschätzung auf einem Niveau, das zuvor nicht möglich war. Die fehlende Energie kann jedoch nicht vollständig erklärt werden, da der dispersive Fluss viel kleiner war als das bei Feldmessungen festgestellte Ungleichgewicht.
Abstract (englisch):
The exchange of energy, matter, and momentum between the Earth's surface and the atmosphere takes place in the atmospheric boundary layer. The eddy covariance (EC) is the most direct method of measuring this exchange. The accuracy of flux measured by this micrometeorological technique is crucial for subgrid parameterisation of numerical weather prediction models, and for forecasting trends in greenhouse gas emissions by earth system models. However, measured turbulent heat fluxes are often underestimated when compared to the total available energy, thus leading to the energy balance closure problem. ... mehrThis imbalance may be due to measurement errors associated with the anemometers, and the inability of single-tower point measurements in capturing the sub-mesoscale transport, among other reasons. In this thesis, these two potential sources of imbalance were evaluated by employing high-resolution large-eddy simulations (LES).
Sonic anemometers play a central role in EC as they provide velocity measurements necessary for flux calculations. In the absence of a reference calibration, the magnitude of error varies vastly across probe-induced flow distortion studies that rely on wind-tunnel tests or field intercomparisons. Under controlled conditions, the uncertainty in error quantification can be reduced by defining etalon in numerical experiments. The flow distortion errors of Campbell CSAT3, a widely used instrument for EC, was evaluated by LES in OpenFOAM. In the simulations, oscillations to the velocity components were imposed at typical frequencies and amplitudes found in the surface-layer turbulence spectra. The simulations were repeated for different combinations of frequency, amplitude, azimuth angle, and angle-of-attack. The flow distortion, quantified by relative error of standard deviation between the virtual measurement and the input signal, ranged from 3 to 7% for the vertical velocity component depending on the azimuth angle. The frequency of wind speed oscillation was found to be of minor importance at amplitudes typical for surface-layer turbulence. Furthermore, two existing flow distortion correction approaches were evaluated. While both methods reduce error, they do not consider azimuth dependence of the flow distortion.
Sub-mesoscale transport can be investigated by LES only if the surface layer is sufficiently resolved ($\mathrm{O(1\ m)}$). This order of high-resolution becomes prohibitively expensive to achieve with a single fixed resolution grid for the entire domain. To overcome this computational limitation an LES-within-LES, approach was developed in PALM. This vertical grid nesting enables a finer resolution near the surface, and a coarse resolution grid that resolves the entire atmospheric boundary layer. The two-way nesting algorithm modifies the existing third-order Runge-Kutta time stepping to exchange data between the two grids, and to concurrently integrate both grids in time. The top boundary condition for the nested fine grid is derived from coarse grid quantities and a feedback process updates coarse grid domain at every time step in the overlapping region. The vertical nesting algorithm was validated with a reference simulation and the scalability on thousands of computational cores was also demonstrated.
Next, an LES study of the LITFASS-2003 campaign was conducted to investigate the energy balance closure in a heterogeneous landscape. A resolution of 1 m in the vertical direction was achieved by employing vertical grid nesting. The composite fluxes derived from field measurements provided lower boundary conditions for the simulation. To calculate ensemble statistics that separate heterogeneity-induced effects from turbulence fluctuations, multiple realisations of the simulation domain were required. The presence of secondary circulations in the surface layer was qualitatively demonstrated. Furthermore, the underestimation was found to be systematic and dependent on height. The dispersive fluxes, induced by secondary circulation, at a typical EC tower height of 10 m was found to be up to 5% of the composite flux prescribed at the surface. Notably, the high-resolution LES enabled the calculation of underestimation at a level previously not possible. However, the missing energy cannot be fully explained as the dispersive flux was much smaller than the imbalance found in field measurements.
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