Gebirgswellen-induzierte Grenzschichtablösung

 

FWF-Projekt: STABLEST - Ablösung und Turbulenz der stabilen Grenzschicht, 2012-2015 

Die Grenzschicht ist jener Teil der Atmosphäre, der sich am nächsten zur Erdoberfläche befindet und durch stark turbulente Luftbewegungen charakterisiert ist. Leewellen-induzierte Grenzschichtablösung (GSA) ist ein Prozess, in dem der oberflächennahe Luftstrom durch entgegengesetzte Druckgradienten vom Boden abgelöst wird. Die Druckgradienten haben ihren Ursprung in internen Schwerewellen, die in Strömungen über Gebirge ausgelöst werden. Das Auftreten von GSA geht häufig mit starken Verwirbelungen in der Atmosphäre einher; so zum Beispiel mit Wellenbrechen oder der Entstehung von atmosphärischen Rotoren, welche sich an der Leeseite von Gebirgsketten ausbilden und eine ernste Gefahr für den Luft- und Straßenverkehr darstellen.


Die Wechselwirkung von internen Schwerewellen, ausgelöst durch das Überströmen von Orografie, mit Strömungen in der atmosphärischen Grenzschicht ist eine der großen Herausforderungen für die Verbesserung von Wettervorhersagen in Gebirgsregionen. Leewellen-induzierte GSA hat abgesehen von ihrem Charakter als anspruchsvolles Problem der Geofluiddynamik auch wichtige praktische Konsequenzen. Über die zuvor genannten Aspekte betreffend den Luft- und Straßenverkehr hinaus kann GSA auch beträchtliche Auswirkungen auf die Effizienz der Stromgewinnung aus Windkraft im Gebirge haben, da sie durch das Verursachen von großer Turbulenz die Leistung von Windkraftwerken deutlich schmälert.
Im Projekt STABLEST sollen hochauflösende numerische Simulationen mit der Auswertung von Beobachtungsdaten kombiniert werden, um so Einblick in die die GSA bestimmenden Faktoren zu erhalten. Besondere Aufmerksamkeit soll dabei bisher ungeklärten Aspekten der GSA zuteil werden, insbesondere der möglichen Unstetigkeit des Ablösepunktes, den Abhängigkeiten von Wärmeflüssen zwischen Boden und Atmosphäre und dem Verhalten im Bereich von Hindernissen mit komplexem dreidimensionalem Profil.
Numerische Experimente in Form von Large-Eddy-Simulationen (LES), welche heute zu den fortschrittlichsten Methoden der Modellierung von turbulenten Strömungen in der Atmosphäre zählen, sollen durchgeführt werden. Sowohl idealisierte Simulationen, in denen die zur GSA führenden Bedingungen bewusst vereinfacht werden um das Verständnis der einzelnen Prozesse zu verbessern, als auch reale Fallstudien sollen betrieben werden. Letztere werden zu Beginn auf einem Ereignis von GSA basieren, für das bereits hochaufgelöste Beobachtungen zur Verfügung stehen.
Die Beobachtungsdaten, die während STABLEST ausgewertet werden sollen, schließen flugzeuggetragene in situ-Messungen und durch ein Doppler-Wolkenradar aufgenommene Windfelder mit ein. Die Daten wurden jüngst in Messkampagnen durch eine Gruppe an der University of Wyoming gesammelt und stehen den Wissenschaftlern von STABLEST durch eine existierende Partnerschaft zur Verfügung. Das Hauptaugenmerk der Forschung liegt in diesem Zusammenhang vor allem auf der Berechnung von Turbulenzparametern aus den Radardaten und soll einen Vergleich mit den Ergebnissen der numerischen Experimente zum Zwecke der Modellverifikation ermöglichen.


Eine Besonderheit des Projekts STABLEST ist das weit gespannte Netzwerk internationaler Kooperation, auf dem es aufbaut. Zu den Forschungspartnern zählen das National Center for Atmospheric Research (USA), ein Konsortium nordamerikanischer Universitäten um das Projekt MATERHORN, die University of Wyoming und die Universität Innsbruck. Die geplante Zusammenarbeit wird dazu führen, dass auch neue Beobachtungen der Grenzschichtablösung, aufgenommen durch ein Doppler-Lidar in natürlicher Umgebung oder mittels Particle Image Velocimetry in Laborexperimenten, in die Untersuchungen mit einfließen werden.

 

Forscher

Stefano Serafin
Lukas Strauss
Johannes Sachsperger
Vanda Grubišić
Samuel Haimov (University of Wyoming)

 

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