Examples for the determination of turbulent (sub-synoptic) fluxes with inverse methods

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Abstract:

Turbulent vertical fluxes are important components of atmospheric energy and substance budgets and they play a dominant role in the surface-atmosphere exchange. Apart from high-resolution in situ measurements it is difficult to determine them. This paper, which is dedicated to Prof. Dr. Michael Hantel who recently retired, gives a short overview over existing inverse methods – experimental and numerical – to derive vertical profiles of turbulent fluxes in the atmospheric boundary layer and throughout the free atmosphere. Experimental methods comprise direct techniques and indirect parametric techniques, both using surface-based remote sensing devices. The numerical method is the budget method founded on the integration of the budget equation for the transported substance or property. This latter method has been considerably enhanced by Michael Hantel in the last 30 years; especially by developing an independent error measure. From such integration the calculation of vertical turbulent flux profiles is as well possible as the determination of aggregated surface fluxes over horizontally inhomogeneous terrain. The experimental method is most suitable for the local scale; the numerical method is more suitable for the regional and larger scales. Finally a short example for the determination of aggregated surface emission fluxes of methane from an agricultural area in Southern Germany on an intermediate scale between the local and the regional scale using a budget method combined with surface-based remote sensing of the mixing-layer height is presented.

German
Turbulente vertikale Flüsse sind eine wichtige Komponente atmosphärischer Energie- und Stoffhaushalte, und sie spielen eine dominierende Rolle in den Austauschvorgängen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre. Außer durch hoch aufgelöste in-situ Messungen sind sie schwierig zu bestimmen. Dieser Artikel, der dem kürzlich in den Ruhestand getretenen Prof. Dr. Michael Hantel gewidmet ist, gibt einen kurzen Überblick über existierende inverse Methoden – sowohl messtechnische wie numerische – um vertikale Profile von turbulenten Flüssen in der Grenzschicht und in der gesamten freien Atmosphäre abzuleiten. Die messtechnischen Methoden umfassen direkte und indirekte parametrisierende Verfahren, die beide auf bodengestützten Fernmessungen beruhen. Die numerische Methode ist die Haushaltsmethode, die auf der Integration der Haushaltsgleichung für die transportierte Substanz oder Eigenschaft basiert. Diese letztere Methode ist durch Michael Hantel in den letzten 30 Jahren entscheidend erweitert worden, insbesondere durch die Möglichkeit der Bestimmung eines unabhängigen Fehlermaßes. Mittels solcher Integrationen sind sowohl die Berechnung vertikaler Flussprofile wie auch die Bestimmung räumlich gemittelter Oberflächenflüsse über horizontal inhomogenem Gelände möglich. Die messtechnische Methode eignet sich am besten für kleinskalige Anwendungen während die numerische Methode für Anwendungen auf regionalen und größeren Skalen besser ist. Abschließend wird ein kurzes Beispiel für die Bestimmung eines räumlich gemittelten Methanemissionflusses aus einem landwirtschaftlich genutzten Gebiet Süddeutschlands vorgestellt. Dieser wird auf einer intermediären Skala zwischen der kleinen und der regionalen Skala unter Benutzung einer Kombination aus Haushaltsmethode und bodengestützten Fernmessungen der Mischungsschichthöhe bestimmt.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2008/0265

Publication date: February 1, 2008

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