Alpine radiosoundings – feasible for mixing height Ddetermination?

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Abstract:

The depth of the mixing layer, i.e. of the domain, in which pollutants are dispersed by convection or mechanical turbulence, is an essential scaling parameter for the interpretation of air pollution measurements and for air pollution modeling. For flat terrain, several procedures are available to determine the mixing height from radiosonde profiles: In the convective boundary layer, the advanced parcel method and the evaluation of the gradient of the mixing ratio of water vapor are appropriate, in stable conditions approaches based on the Richardson number and on the low level wind profile. In stable and unstable cases, the detection of a critical inversion on top of the mixing layer renders a mixing height estimate. As direct observations of the mixing height (e.g. lidar measurements) are rare, the agreement of results from different approaches is a measure for the reliability of the mixing height estimate. The main task of this study is to investigate in how far the methods for mixing height determination can also be applied to radiosonde data in an Alpine valley. This question is investigated based on radiosonde profiles from five stations which were operated in the Alpine Rhine Valley from September to November 1999 during the Mesoscale Alpine Programme (MAP). Under weak pressure gradient conditions, the mixing height is well discernable from the soundings. The top of the convective boundary layer is horizontally flat. The mixing height in stable conditions is lower at the stations on the valley floor in the lower part than in the upper part of the valley. During foehn flow, mechanical mixing increases significantly and no mixing layer in the traditional sense is detectable.

Die Höhe der Mischungsschicht, das heißt jenes Bereichs, in welchem Luftschadstoffe durch Konvektion und mechanische Turbulenz verteilt werden, ist eine wesentliche Größe zur Interpretation von Immissionsmessungen und in der Schadstoffausbreitungsrechnung. Für ebenes Gelände gibt es zahlreiche Methoden zur Bestimmung von Mischungshöhen aus Radiosondenaufstiegen: In der konvektiven Grenzschicht sind die verfeinerte Teilchen-Methode und die Auswertung des Vertikalprofils des Mischungsverhältnisses für Wasserdampf gut geeignet, in stabilen Verhältnissen Verfahren anhand der Richardson-Zahl und dem Windprofil. Bei allen Stabilitätsverhältnissen liefert die Suche einer ausgeprägten Inversion als Obergrenze der Mischungsschicht eine Abschätzung für die Mischungshöhe. Da direkte Beobachtungen der Mischungsschicht (z.B. mittels Lidarmessungen) selten verfügbar sind, wird die Übereinstimmung der Ergebnisse verschiedener Methoden als Maß für die Verlässlichkeit der ermittelten Mischungshöhe verwendet. Die zentrale Frage dieser Studie ist, inwieweit diese Ansätze auch auf Radiosondendaten in einem Alpental anwendbar sind. Dieser Frage wird anhand von Radiosondenaufstiegen nachgegangen, die während der Messkampagne des Mesoskaligen Alpinen Programms (MAP) an fünf Standorten im Rheintal durchgeführt wurden. Bei gradientschwachen Lagen ist die Mischungshöhe anhand der Profilmessungen gut bestimmbar. Die Obergrenze der konvektiven Grenzschicht verläuft horizontal. Die Mischungshöhe in der stabilen Grenzschicht ist am Talausgang niedriger als bei weiter oben im Tal gelegenen Stationen. In der Föhnströmung nimmt die mechanische Durchmischung stark zu, so dass eine Mischungsschicht im traditionellen Sinn nicht bestimmbar ist.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2004/0013-0131

Publication date: April 1, 2004

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