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Zur Parametrisierung der stabilen atmosphärischen Grenzschicht über einem antarktischen Schelfeis

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Handorf, D. (1996): Zur Parametrisierung der stabilen atmosphärischen Grenzschicht über einem antarktischen Schelfeis , PhD thesis,
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Auf der Grundlage zweier umfangreicher Grenzschichtmeßprogramme an der deutschenantarktischen Forschungsstation "Neumayer" wird die stabile atmosphärische Grenzschichtuntersucht. Die dort anzutreffenden Bedingungen erlauben die Überprüfung und Erweiterungbekannter hydrodynamischer Theorien und empirischer Gesetze (universelle Funktionen) übereiner horizontal homogenen Unterlage, auf denen fast alle Parametrisierungen des turbulentenAustausches in atmosphärischen Modellen vom Grenzschicht- bis zum globalen Klimamodellbasieren. In dieser Arbeit werden empirische und theoretische Untersuchungen vonParametrisierungsbeziehungen für die Oberflächenflüsse, die turbulenten Flüsse in der gesamtenGrenzschicht und die Grenzschichthöhe durchgeführt.Mit den Daten der "Neumayer"-Station werden universelle Funktionen in dem bislang weniguntersuchten Bereich mäßig bis stark stabiler Schichtung und in verschiedenen Höhen bestimmt.Die üblicherweise verwendete lineare Abhängigkeit der universellen Funktionen von der Stabilität(charakterisiert durch die dimensionslose Höhe z/L) bestätigt sich auch in diesem Bereich,allerdings nur bis zu einem charakteristischen Wert des Stabilitätsparameters (z/L=1). Mitzunehmender Stabilität erreichen die universellen Funktionen konstante Werte. Weiterhin werdendie Oberflächenflüsse aus Profilmessungen berechnet, wobei Methoden der Optimierungstheorieangewandt werden. Die berechneten turbulenten Oberflächenflüsse stimmen gut mit direktgemessenen Flüssen überein.Es wird gezeigt, daß die Höhe der stabilen Grenzschicht an der Neumayer-Station sehr gering ist.Als entscheidende Ursache für dieses Phänomen wird die Stabilität der freien Atmosphäreoberhalb der Grenzschicht ermittelt. Ausgehend von den Bewegungsgleichungen wird eineerweiterte Parametrisierungsbeziehung für die Höhe der stabilen Grenzschicht unter Einbeziehungder Stabilität der freien Atmosphäre abgeleitet und mit Messungen verifiziert. Bei Berücksichtigungdieser Parametrisierungsbeziehung im Turbulenzschließungsschema eines eindimensionalenGrenzschichtmodells wird die beste Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenenGrenzschichtentwicklungen erzielt.\parDie aus den theoretischen und experimentellen Untersuchungen gewonnenen verbessertenParametrisierungsbeziehungen werden in einem eindimensionalen Grenzschichtmodell zurSimulation der stabilen Grenzschicht angewendet. Neben dem stationären Zustand werden dieAuswirkungen verschiedener externer Einflüsse auf die zeitliche Entwicklung einer stabilenGrenzschicht untersucht. Die mit dem Modell berechnete zeitliche Entwicklung der Grenzschichtwird unter Vorgabe variabler Oberflächenrandbedingungen für ausgewählte Fallstudien mitMeßergebnissen verglichen.

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