Emeis, S.

Foreman, R.

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KIT – University of the State of Baden-Wuerttemberg and  National Research Center of the Helmholtz Association INSTITUTE OF METEOROLOGY AND CLIMATE RESEARCH, Atmospheric Environmental Research www.kit.edu Verbesserungen der Turbulenzparametrisierung in mesoskaligen Windfeldmodellen Richard Foreman, Stefan Emeis stefan.emeis@kit.edu Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 2 Poster 3_P_3 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 Herausforderungen durch die moderne Windenergienutzung:  - offshore  - tieferes Wasser   - flache Grenzschichten  - windgeschwindigkeitsabhängige Rauigkeit und Turbulenz  - Stromnetzmanagement - kurzfristige Windvorhersagen - Berücksichtigung von low-level jets    - cross-over height (Tagesgang der Windgeschwindigkeit)      verlässliche mesoskalige Windfeldmodelle mit korrekter Beschreibung  der Turbulenz     Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 3 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 Gliederung:   verbesserte Beschreibung der Ozeanoberfläche  - keine Infos über die Wellen verfügbar:               Widerstandsbeiwert (drag coefficient) der Ozeanoberfläche  als Funktion der Windgeschwindigkeit  - Infos über die Wellen verfügbar:                Widerstandsbeiwert der Ozeanoberfläche als Funktion der   Geometrie der Wellen   verbesserte Beschreibung der Turbulenz  - Modifikation der „Konstanten“ in der MYJ-Turbulenzparametrisierung Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 4 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 ohne Informationen über die Wellen: Widerstandsbeiwert (drag coefficient) der Ozeanoberfläche  als Funktion der Windgeschwindigkeit 1 Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 5 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 Widerstandsbeiwert (neutrale thermische Schichtung)   CDn = u*2 / U2         = κ2 / ln2(z/z0) (über Land: logarithmisches Profil)     CDn ist nur von Oberflächeneigenschaften abhängig         = κ2 / ln2(gz/αu*2) (über See: Charnock-Beziehung)     CDn ist auch von Windgeschwindigkeit abhängig   CD10n = (0,079 U10 + 0,4)*10-3  Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 6 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 im voll turbulenten Bereich:  Schubspannungsgeschwindigkeit:  u* = 0,051 U10 - 0,14   einsetzen in die Definition von CD liefert:   CD10n = (0,051 U10 - 0,14)2 / U102  CD10n = (Cm U10 - b)2 / U102  konvergiert für große U10 gegen  Cm2 = 0,0512 = 0,0026  Foreman, R., S. Emeis, 2010: Revisiting the Definition of the Drag Coefficient in the  Marine Atmospheric Boundary Layer. J. Phys. Oceanogr., 40, 2325-2332. Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 7 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 Vergleich gegen Daten         Cm    b  Literatur   0,051     0,14  FINO Jan 2005   0,057     0,26  FINO Feb 2005   0,042     0,01  FINO Nov 2005   0,048    0,02  Beschreibung für CD10n ist immer noch windgeschwindigkeitsabhängig      und die Grafik rechts hat den Nachteil, dass eine dimensionsfreie      Größe gegen eine dimensionsbehaftete Größe aufgetragen ist. Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 8 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 2 mit Informationen über die Wellen: Widerstandsbeiwert der Ozeanoberfläche als Funktion der Geometrie der Wellen Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 9 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 f(Hs, Tp, U10, u*, g) = 0  mit signif. Wellenhöhe Hs und Wellenperiode Tp  Dimensionsanalyse (Buckingham) liefert:   CD10n = a (Hs/λp)2  (graue gestr. Kurve)   Der Widerstandsbeiwert geht für sehr flache  Wellen aber nicht gegen Null, sondern gegen einen kleinen konstanten Wert für eine glatte Oberfläche.   CD10n = 0,0009  (waagerechte Linie)  steil               flach Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 10 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 die Wahrheit liegt dazwischen:    (C1/2D10n)n = 0,03n + (Hs/λp)n  (durchgezogene Kurve)  wobei n empirisch bestimmt werden muss (n ≈ 3).  (Methode nach Churchill und Usagi 1972) steil                              flach  CD10n hängt jetzt nur noch von Oberflächenparametern ab und in dem Diagramm     sind jetzt zwei dimensionsfreie Größen gegeneinander aufgetragen Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 11 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 3 Modifikation der „Konstanten“ in der MYJ-Turbulenzparametrisierung Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 12 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012                  Vertikalprofile der turb. kin. Energie Beobachtung an FINO1   Mai 2006      Modellierung MYJ turb. kin. Energie (mit u* normiert)  als Funktion der Höhe (normiert mit der Höhe der internen GS)  h=0,014U√(xΘ/(g∆Θ)) (Garratt 1987)  durchgezogene Kurve Caughey et al. (1979) onshore-Daten stabile interne Grenzschicht Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 13 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 verbesserte Messungen im Labor (höhere Reynolds-Zahlen und kleinere Wandabstände) erlauben eine Neubestimmung der „Konstanten“ im Modell:    A1 A2 B1 B2 C1  MY 1982 0,92 0,74 16,6 10,1 0,08  MYJ 2002 0,660 0,657 11,878 7,227 0,00083   neu  0,91 0,54 28,76 13,08 0,15   ebenfalls angepasst werden müssen die turbulenten Längenskalen, wobei einem Vorschlag von Nakanishi (2001) gefolgt wird. Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 14 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012  MYJ   neu turb. kin. Energie (mit u* normiert)  als Funktion der Höhe (normiert mit der Grenzschicht- höhe)  Kurve: Caughey et al. (1979) FINO1 Mai 2006 Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 15 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 normierte turb. kin. Energie Januar 2005 Turbulenzintensität in 80 m Höhe Februar 2005 Turbulenzintensität in 80 m Höhe November 2005 alt                                neu alt                                neu Vergleich Modellierung mit  offshore (FINO1) und onshore (Caughey et al. 1979) Daten Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 16 Prof. Dr. Stefan Emeis - Turbulenzparametrisierung      stefan.emeis@kit.edu 21.03.2012 Zusammenfassung  es wurde eine Beschreibung des Widerstandsbeiwerts der Ozeanoberfläche gefunden, die für höhere Windgeschwindigkeiten das richtige asymptotische Verhalten zeigt (geeignet für Modellierungen ohne Wellenmodell)  es wurde eine Parametrisierung des Widerstandsbeiwerts der Ozeanoberfläche gefunden, die von der Steilheit der Wellen abhängt (geeignet für Modellierungen mit Wellenmodell)   der Schließungsansatz nach Mellor und Yamada wurde mit aktualisierten „Konstanten“ verbessert, die zu einer verbesserten Beschreibung von Wind- und Turbulenzmodellen über See und über Land führen Institute for Meteorology and Climate Research – Atmospheric Environmental Research 17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit www.imk-ifu.kit.edu 

Verbesserungen der Turbulenzparameterisierung in mesoskaligen Windfeldmodellen

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