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Titelaufnahme

Titel
Spatial interpolation and analysis of airborne meteorological data in an alpine valley / by Yasmin R. S. Markl
VerfasserMarkl, Yasmin R. S.
GutachterRotach, Mathias
ErschienenInnsbruck, August 2016
Umfangiv, 101 Seiten : Diagramme, Karten
HochschulschriftUniversity of Innsbruck, Masterarbeit, 2016
Datum der AbgabeAugust 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypMasterarbeit
Schlagwörter (EN)Atmosphere / Boundary Layer / Airborne Data / Complex Topography / Residual Kriging / Natural Neighbor
Schlagwörter (GND)Inntal / Atmosphärische Grenzschicht / Temperatur
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-4739 Persistent Identifier (URN)
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Spatial interpolation and analysis of airborne meteorological data in an alpine valley [7.84 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Atmosphäre und insbesondere die planetare Grenzschicht (PBL) in complexem Gebiet ist ein noch unvollständig erforschtes Feld der Atmosphärenwissenschaften. Die meisten Prozesse, die wir von Studien über flachen und homogenen Oberflächen kennen, können viel komplizierter sein, wenn sie von Topographie beeinflusst werden. Deshalb wird die thermische und dynamische Struktur der Talatmosphäre im Inntal (Österreich) untersucht. Zu diesem Zweck werden Flugzeugmessungen verwenden, die an drei Tagen im August und September 2013 aufgenommen wurden. Die Flüge fanden zweimal pro Tag statt (in der Früh/ am Nachmittag) und in Längs- und Querrichtung zur Talachse. Die Daten von Pontentieller Temperatur und Wasserdampf-Mischungsverhältnis wurden auf ein dreidimensionales gleichmäßiges Gitter interpoliert. Für die Interpolation wurden zwei Methoden angewandt und verglichen: Natural Neighbor (NN) und Residual Kriging (RK). Aufgrund verschiedener Tests wurde bestimmt, dass Residual Kriging die bessere Methode ist. Eine Zeit-Korrektur wurde durchgeführt, welche die zeitliche Änderung der Potentiellen Temperatur herausfiltert (Tagesverlauf der Temperatur).

Die dominante Struktur der Talatmosphäre wird diskutiert mit Hilfe von "pseudo-soundings", welche die Längs- und Querflüge beinhalten. Anhand von Querschnitten durch das interpolierte Volumen und Vertikalprofilen an spezifischen Orten werden die Charakteristika der Talatmosphäre evaluiert. Außerdem wird das Interpolationsverfahren auf verschiedene Set-ups getestet, in denen verschiedene Teile der Flugkurve miteinbezogen werden (nur Längsflüge, nur Querflüge, der gesamte Flug, etc.). Ein Vergleich mit idealisierten Simulationen aus der Literatur deutet auf eine dreischichtige Struktur der extrahierten Profile hin. Die identifizierte bodennahe durchmischte Schicht (mixed layer) und eine darüber liegende stabile Talatmosphäre (stable valley atmosphere) erhöhen sich im Laufe des Tages. Am Morgen ist eine erhöhte neutrale oder fast neutrale Schicht oberhalb der mittleren Gebirgshöhe erkennbar. Ähnlichkeiten zwischen Strukturen der Potentiellen Temperatur und dem Mischungsverhältnis sind besonders sichtbar während dem Vormittag, aber zeigen sich sehr komplex am Nachmittag. Die gemittelten Messwerte der Messstationen am Boden (i-Box) wurden den Querschnitten hinzugefügt und liefern zusätzliche Informationen über bodennahe Prozesse. Wind-Vektoren entlang der Flugkurve geben außerdem einen Eindruck über die horizontalen und vertikalen Bewegungen. Die Entwicklung von zwei übereinander liegenden Zirkulationszellen wird diskutiert, als auch die Entstehung einer möglichen topographisch-induzierten sekundären Zirkulation.

Zusammenfassung (Englisch)

The atmosphere and in particular the Planetary Boundary Layer (PBL) in complex terrain is still a quite incomplete field in atmospheric science. Most of the processes that we know from studies about flat and homogeneous surfaces can be much more complex when they are influenced by topography. Therefore we want to investigate the thermal and dynamical structure of the valley atmosphere in the Inn Valley (Austria). For this purpose observations from an instrumented airplane are used which were collected on three days in August and September 2013. The flights were conducted twice a day (morning/afternoon) and in along and cross-valley direction. The data of potential temperature and water vapor mixing ratio were interpolated to a regular three dimensional grid. For the interpolation two different methods were applied and compared: Natural Neighbor and Residual Kriging, from which Residual Kriging was evaluated to be the better performing one based on different evaluations. A time-correction was conducted that filters out the temporal trend of potential temperature (diurnal cycle of temperature).

The dominant vertical structure of the valley atmosphere is discussed by means of ''pseudo-soundings'' that include both along-valley and cross-valley flight legs. With the aid of cross-sections through the interpolated volume and vertical profiles at specific locations, the characteristics of the valley atmosphere were pointed out. Furthermore, several interpolation setups are tested, including different parts of the flight track (only along-valley flight legs, only cross-valley flight legs, etc.).

A comparison with idealized simulations from the literature indicates a three-layer structure for the investigated profiles. The detected near-ground mixed layer and a stable valley atmosphere above deepen in the course of the day. In the morning, an elevated neutral or near-neutral layer is observed around mean crest height. Similarities between structures of potential temperature and mixing ratio are found during the morning, but are more complex in the afternoon. Averaged values of ground-based stations (i-Box) are added to the cross-sections and reveal additional information about processes near the ground. Wind vectors along the flight track are plotted which gives a further impression about the horizontal and vertical movements. The presence of two vertically-stacked circulation cells is discussed, as well as the development of a possibly terrain-induced secondary circulation.