Kohärente Wirbelstrukturen in der atmosphärischen Grenzschicht

Zusammenfassung

In dieser Arbeit werden kohärente Wirbelstrukturen anhand von
Turbulenzmessungen aus mehreren Höhen am 200 m hohen Mast des
Forschungszentrums Karlsruhe untersucht. Für die Detektion
dieser Strukturen wird mit der Wavelettransformation ein Ver-
fahren vorgestellt, das anhand der Vorzeichenwechsel der
Waveletkoeffizienten die auftretenden Mikrofronten im Verlauf
der Temperatur detektiert und so die Untersuchung eines großen
Datenmaterials mit einer objektiven Methode ermöglicht. Die
Einteilung der Zeitreihen mit den Waveletkoeffizienten in zwei
Zeitskalen erlaubt über die mittleren Zeitskalen hinaus die
Berechnung von Häufigkeitsverteilungen, die eine Abhängigkeit
von der thermischen Schichtung der Atmosphäre aufweisen.
Aufgrund dieser Einteilung ist u. a. eine Quantifizierung des
Beitrags solcher Strukturen zum turbulenten Transport möglich.
Des Weiteren werden mit Kreuzwaveletanalysen große Strukturen
bei extremen Temperaturschichtungen identifiziert, die lokal
Eigenschaften gegen den mittleren Gradienten transportieren.
In einer Vorarbeit wird das Auftreten eines störenden Weißen
Rauschens in den Varianzspektren der Geschwindigkeitskomponenten
... mehrauf Hochfrequenzeinstrahlungen eines regionalen
Langwellensenders zurückgeführt, vor denen das Messgerät mit
einem Faraday'schen Käfig abgeschirmt werden kann. Außerdem wird
der Einfluß des Mastes auf die Turbulenzstruktur in seiner
Nachlaufregion untersucht. Es zeigt sich eine Erhöhung der
spektralen Energiedichte im hochfrequenten Bereich, deren
Deutlichkeit von der Turbulenzintensität der ungestörten
Strömung abhängt. Zusammen mit den mittleren Längenskalen der
Nachlaufwirbel erlauben die gemachten Untersuchungen, Daten auch
aus der gestörten Region auszuwerten, falls für ein besonderes
meteorologisches Ereignis nur solche Daten verfügbar sind.

Abstract

The occurence of coherent vortex structures is investigated
using turbulence measurements at several altitudes on the 200 m
tower at the Research Center Karlsruhe. Using the wavelet
transform, a method is presented for the detection of the
occuring microfronts on the time series of temperature by the
zero-crossing of the wavelet coefficients. This technique allows
an objective analysis of a large data set. The graduation of the
time series with the wavelet coefficients into 2 time scales
makes it possible not only to gain information about the mean
time scales, but also to calculate their distributions, which
depend on atmospheric stratification. Furthermore, the
graduation can be used to quantify the contribution of the
coherent structures to the turbulent transport. In addition, the
wavelet cross-correlation analysis reveals counter-gradient of
momentum and heat at large scales when stratification is strong.
In a preparatory work, a white noise behaviour of the power
spectra of the velocity components is attributed to
high-frequency radiation from a regional longwave transmitter. A
Faradays cage protects the ultrasonic anemometer from the
radiation. Furthermore, the in of a tower on the turbulence
structure is investigated with spectral methods.
Spectral energy density is increased in the high-frequency range
with a distinctness depending on turbulence intensity. Together
with the relevant scales of wake turbulence, the investigations
allow the analysis of disturbed data, when only data from the
wake region are available for some particular meteorological event.