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Berücksichtigung der anthropogenen Wärmefreisetzung in COSMO-CLM

Berücksichtigung der anthropogenen Wärmefreisetzung in COSMO-CLM
Datum:1/2009
Betreuer:

Schädler, G.

Bearbeiter:

Kohlhepp, Regina

Links:Volltext (PDF)

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die Darstellung von Städten im regionalen Klimamodell COSMOCLM verbessert werden. An urbanen Gitterpunkten wird ein zusätzlicher Term in der Energiebilanzgleichung des Erdbodens berücksichtigt, der die sogenannte anthropogene Wärmefreisetzung repräsentiert. Dieser Term kann im Modell für jeden Gitterpunkt aus der Bevölkerungsdichte und dem Energieverbrauch pro Kopf berechnet oder als konstant vorgegeben werden. Die durchgeführten Testsimulationen besitzen eine horizontale Auflösung von 7 km. In den betrachteten Variablen zeigen sich nach wenigen Stunden relativ starke unerwartete Veränderungen, die keinen direkten Zusammenhang mit dem eingeführten anthropogenen Wärmeeintrag an den städtischen Gitterpunkten aufweisen. Gleichzeitig zeigen sich erwartete Effekte wie eine Erhöhung der Boden- und bodennahen Temperaturen in bzw. über den Städten und eine Veränderung der fühlbaren und latenten Wärmeflüsse. Zur näheren Untersuchung der unerwarteten Störungen werden Sensitivitätsstudien durchgeführt, in denen beispielsweise der Zeitschritt oder das Zeitintegrationsschema verändert sind. Trotzdem bilden sich wiederum Störungen. Auch der Startzeitpunkt, das Turbulenz- und das Konvektionsschema bzw. der seltene Aufruf des Strahlungsschemas können als Ursache ausgeschlossen werden. Die Entstehung und die Art der Ausbreitung der Störungen können nicht abschließend geklärt werden. Das Phänomen tritt jedoch in anderen Simulationen mit COSMO ebenfalls auf. Da die Anwendung der beschriebenen Veränderung in COSMO in der Klimamodellierung liegen soll, werden zur Untersuchung längerer Zeiträume ganze Monate simuliert, ebenfalls mit einer horizontalen Auflösung von rund 7 km. Im Mittel verschwinden die unerwarteten Störungen fast völlig, während die Erwärmung der Städte in den Temperaturen und fühlbaren Wärmeflüssen sichtbar bleibt. Hierdurch verringert sich dort der mittlere Bodendruck, was wiederum zu einer Veränderung des Windfelds beiträgt. Ein Einfluss der anthropogenen Wärmefreisetzung auf den über einen Monat akkumulierten Gesamtniederschlag kann weder im Sommer noch imWinter festgestellt werden. Bei einem Vergleich von gemessenen und simulierten Zeitreihen der bodennahen Temperatur an städtischen Stationen bzw. Gitterpunkten zeigt sich keine signifikante Verbesserung durch die Berücksichtigung der anthropogenen Wärmefreisetzung. Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass hierbei jeweils eine Punktmessung mit einem Mittelwert über eine Fläche von rund 49 km2 verglichen wird. Zur deutlicheren Darstellung des Einflusses des anthropogenen Wärmeeintrags wird dieser in einer weiteren Monatssimulation an allen urbanen Gitterpunkten auf 100W/m2 erhöht. Auch die Gitterweite wird verringert, so dass die horizontale Auflösung rund 2.8 km beträgt. Die in den verschiedenen Variablen auftretenden Effekte sind sehr ähnlich den in den Monatsläufen mit 7 km Gitterweite beobachteten. Trotz 1 des relativ starken anthropogenen Wärmeeintrags kann wiederum kein direkter Einfluss auf die Wolkenund Niederschlagsbildung nachgewiesen werden. Dies ist vermutlich auf die kurzen Simulationszeiträume zurückzuführen.