Large-eddy simulations of the polar boundary layer during the ISOBAR measurement campaigns and test of the gradient-based similarity concept under stable conditions

Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der polaren Grenzschicht, wie sie in zwei intensiven Feldkampagnen in Hailuoto, Finnland (ISOBAR-Kampagne), im Februar 2017 und 2018 beobachtet wurde.
In der ISOBAR-Kampagne wurden bodengestützte Strömungs- und Profilbeobachtungen mit Methoden der Grenzschicht-Fernerkundung und dem umfangreichen Einsatz verschiedener unbemannter Flugsysteme (UAS) kombiniert.
Zahlreiche stabile und sehr stabile Grenzschichten wurden untersucht, die durch starke atmosphärische Schichtung, schwache Winde und klaren Himmel gekennzeichnet sind.

Es wurden rasche Änderungen in der vertikalen Grenzschichtstruktur beobachtet, die möglicherweise mit Scherinstabilitäten eines Tiefdruckgebiets, schnellen und starken Abkühlungsereignissen in einigen Metern Höhe sowie oberflächennah turbulenzinduzierende Wellenbrechungen, die intensive Turbulenz in Oberflächennähe auslösen, zusammenhängen.

Die zugrundeliegenden Prozesse sind bisher noch nicht geklärt. Außerdem werden derzeit erste Versuche unternommen, die gradientenbasierte Ähnlichkeitstheorie unter stabilen Bedingungen anhand von ISOBAR-Daten zu testen. Die Leistungsfähigkeit von Large-Eddy-Simulationsmodellen (LES) zur Simulation sehr stabiler Bedingungen wurde noch nicht anhand von In-situ-Daten getestet und bewertet.

Ziel des Projekts ist es, mit dem LES-Modell PALM ausgewählte Grenzschichten zu simulieren, wie sie während ISOBAR beobachtet wurden, um nach physikalischen Erklärungen für die oben beschriebenen Merkmale der Grenzschicht zu suchen. Darüber hinaus sollen die gradientenbasierten Ähnlichkeitsbeziehungen auf Grundlage der LES-Daten berechnet und mit denen der ISOBAR-Daten verglichen werden. Schließlich sollen die gradientenbasierten Ähnlichkeitsbeziehungen in PALM als Oberflächen-Randbedingung implementiert werden, um eine zuverlässigere Leistung bei der Simulation sehr stabiler Bedingungen zu erzielen.
Diese Arbeit wird in enger Zusammenarbeit mit Prof. Joachim Reuder und seiner Forschungsgruppe am Geophysikalischen Institut der Universität Bergen durchgeführt.