Atmosphäre und Gebirge – - DMG

promet, Jahrg. 32, Nr. 1/2, 2006 C. Kottmeier, F. Fiedler: Vertikaler Austausch über Mittelgebirgen
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Hinzu kommen aber Phänomene, die durch Kanalisierung
in Längstälern und der Beschleunigung der Strömung
bei Querschnittsverengung wie beispielsweise
über Sattellagen zwischen zwei Bergen geprägt sind.
Die Querüberströmung von Tälern unterschiedlicher
Geometrie kann sowohl talparallele Winde (WIPPER-
MANN 1984) wie auch Querzirkulationen hervorrufen.
Ist die Grenzschichtströmung durch eine Inversionsschicht
in der Höhe h i nach oben begrenzt, wirken
sich die Hindernisse vor allem in der Grenzschicht
selbst aus und der vertikale Austausch ist höhenmäßig
durch h i begrenzt. Anstelle der Berghöhe H kann jetzt
die Schichtdicke der Strömung bis zur Inversionshöhe
als charakteristisches Längenmass in die Froudezahl
eingesetzt werden. Ähnlich wie bei einer Wasserströmung
mit geringer Dicke kommt es zu den Strömungszuständen
fließender Strömung (Anströmfroudezahl
Fr an = U / (N (h i - H)) > 1). Große Froudezahlen Fr an bewirken
eine gleichmäßige Überströmung mit annähernd symmetrischem
Stromlinienbild ohne Bildung von Schwerewellen.
Bei luvseitigen Froudezahlen Fr an < 1 wird
die Strömung stromab des Gipfels beim Übergang
vom unterkritischen zum überkritischen Zustand stark
beschleunigt und schießt mit hoher Geschwindigkeit
(Fr > 1) in geringer Schichtdicke bis zu einem stromab
gelegenen hydraulischen Sprung. Hier erfolgt abrupt
eine Zunahme der Schichtdicke und Abnahme der Geschwindigkeit
und damit ein Übergang in den unterkritischen
Zustand. Sehr flache Grenzschichten
(h i < H) sind mit Hindernisumströmung und Ausbildung
von ablösenden Wirbeln auf der Leeseite verbunden.
Die Bedeutung der Froudezahl für den Strömungszustand
hat, wie KUNZ und KOTTMEIER (2006) zeigen
konnten, auch für die orografisch beeinflusste
Niederschlagsbildung bei der Bergüberströmung einen
wichtigen Einfluss. Für niedrige Froudezahlen Fr ≈ 1
ist demnach aufgrund der dominierenden Bergumströmung
die orografisch bedingte Niederschlagszunahme
erheblich geringer als im Fall hoher Froudezahlen. Da
Niederschlag ebenfalls mit einer vertikalen Umverteilung
von Wasser in verschiedenen Phasen verbunden
ist, folgt hieraus ein weiterer Mechanismus des vertikalen
Austauschs mit deutlichen Unterschieden zu
ebenem Gelände.
3 Konvektiver Austausch
Konvektiver Austausch ist im allgemeinen deutlich effizienter
als dynamischer Austausch und erstreckt sich
bei Wolkenbildung und insbesondere hochreichender
Konvektion auch bis in die mittlere und obere Troposphäre.
Für die Entwicklung von Konvektion und konvektiven
Niederschlägen sind drei wesentliche Voraussetzungen
notwendig: ein Auslöseprozess durch Erhitzung der
Erdoberfläche oder Hebung der entsprechenden Luftmasse,
eine ausreichende Feuchte in der Atmosphäre
und eine Dichteschichtung in der freien Atmosphäre,
welche die Hebung bis in ausreichende Höhen zulässt.
Die Bereitstellung der Feuchte und die Hebung von
Luftmassen erfolgt sowohl durch synoptische Systeme
mit einer Ausdehnung von d ≈ 1000 km, durch regionale
Systeme (d ≈ 50 km) als auch durch kleinräumige
Austauschvorgänge auf der Skala von nur einigen Kilometern.
Den regionalen und lokalen Systemen
kommt bei konvektiven Wetterlagen häufig eine
Schlüsselrolle zu, da durch sie die Konvektion nur an
bestimmten Stellen ausgelöst wird, auch wenn die
großräumigen Bedingungen für eine Konvektionsentwicklung
weitgehend ähnlich sind.
Wichtig für die Auslösung, die zeitliche Entwicklung
und die Intensität der regionalen Systeme ist es, wie
sich die verfügbare Strahlungsenergie am Erdboden
auf den fühlbaren bzw. latenten Wärmestrom verteilt.
Ersterer führt zu einer Erhöhung der Lufttemperatur,
der zweite zu einer Erhöhung der Feuchte in der Atmosphäre.
Die Aufteilung der Strahlungsenergie
wiederum hängt von den Erdboden- und Oberflächeneigenschaften
ab. Regionale, thermisch induzierte
Windsysteme entstehen besonders in Verbindung mit
der Orografie. Dabei kommt es häufig über den Bergrücken
zu Konvergenz mit starken Aufwinden und zur
Auslösung von Konvektion.
Zwei umfangreiche Messprogramme, die sich u. a. mit
dem konvektiven Vertikaltransport über Mittelgebirgen
befassten, waren die Vorhaben ESCOMPTE (Expérience
sur site pour contraindre les modèles de pollution
atmosphérique et de transport d' émissions;
CROS et al. 2004) und VERTIKATOR (Vertikaler
Austausch und Orografie im Atmosphärenforschungsprogramm
des BMBF AFO 2000; FIEDLER et al.
2005). Beide Projekte gaben die Möglichkeit, den konvektiven
Vertikaltransport durch boden- und flugzeuggestützte
Messungen detailliert zu untersuchen.
3.1 Konvektiver Austausch von Spurenstoffen über
Mittelgebirgen bei ESCOMPTE 2001
Das unter französischer Koordination durchgeführte
Forschungsvorhaben ESCOMPTE diente der Gewinnung
eines geeigneten Datensatzes zur Überprüfung
und Verbesserung von Modellen, mit denen der Transport
und die chemischen Umwandlungen von Luftschadstoffen
über komplexer Orografie in Küstenregionen
realistisch dargestellt werden können. Es war
Ziel des Programms, die dreidimensionalen Verteilungen
atmosphärischer und chemischer Größen sowie
deren zeitliche Variationen zu erfassen. Das Messprogramm
fand unter Beteiligung des Instituts für Meteorologie
und Klimaforschung (IMK) Karlsruhe im Juni
und Juli 2001 im Großraum Marseille statt. In diesem
Gebiet treten in den Sommermonaten regelmäßig Si-