Systematische Windkanaluntersuchungen zur Evaluierung von Parametrisierungsansätzen für die städtische Rauigkeitsschicht

Abstract

Die zunehmende Rechnerleistung ermöglicht es, die städtische Grenzschicht in mesoskaligen Modellen feiner aufzulösen. Somit nimmt auch die Rauigkeitsschicht als ein Teil der städtischen Grenzschicht an Bedeutung zu. In der Rauigkeitsschicht ist das Strömungsfeld dreidimensional und die Monin-Obukov-Ähnlichkeitstheorie besitzt keine Gültigkeit. Parametrisierungsansätze des Turbulenz- und Strömungsfeldes müssen daher für die städtische Grenzschicht weiterentwickelt und angepasst werden. In dieser Arbeit wurden systematische, hochaufgelöste Messungen von Geschwindigkeits- und Turbulenzfeldern über drei unterschiedlich komplexen Rauigkeiten im Grenzschichtwindkanal der Universität Hamburg durchgeführt. Mit diesen wurde ein Datensatz erzeugt, der es ermöglicht, Ansätze für die Parametrisierung der städtischen Grenzschicht zu testen und weiterzuentwickeln. Um möglichst allgemeingültige Ergebnisse zu erzielen, wurden ausschließlich idealisierte Fälle untersucht. Diese reichen von einem bereits häufig untersuchten regelmäßig angeordneten Würfelfeld homogener Höhe bis hin zu versetzt angeordneten Würfeln mit unterschiedlich geformten Dachaufbauten Gemessene Profile innerhalb der Rauigkeit und der Rauigkeitsschicht zeigen eine große Abhängigkeit vom Messort. Um ein (gemitteltes) Profil zu erhalten, das die unterliegende Rauigkeit möglichst gut repräsentiert, wurde basierend auf einer Klassifizierung aller Einzelprofile eine flächengewichtete Mittelung durchgeführt. Der Vergleich existierender Parametrisierungsansätze für die städtische Rauigkeit mit den hier ermittelten repräsentativen Profilen hat ergeben, dass es hier noch erhebliches Potenzial für Verbesserungen gibt. Morphometrische Ansätze stellen zum einen lediglich Daten für das logarithmische Wandgesetz bereit, und zum anderen beruhen sie auf starken Vereinfachungen, so dass z0 und d0 im Vergleich zu den Messdaten dieser Arbeit über- bzw. unterschätzt werden. Das logarithmische Wandgesetz hat seine Gültigkeit über homogenem Gelände und lässt sich nicht einfach auf die Grenzschicht über komplexen Stadtgebieten übertragen. Im Rahmen dieser Arbeit untersuchte empirische Ansätze die den Verlauf der turbulenten Impulsflüsse in der Rauigkeitsschicht beschreiben, zeigen eine relativ gute Übereinstimmung zu den hier ermittelten repräsentativen Profilen. Diese empirischen Ansätze basieren jedoch auf Parametern, die häufig nur schwer zu bestimmen sind.