Stabilität und Transport in der planetaren Grenzschicht - Untersuchungen mit Radiosonden- und Spurengasmessungen während PARADE

Die vorliegende Arbeit untersucht die Struktur und Zusammensetzung der untersten Atmosphäre im Rahmen der PARADE-Messkampagne (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) am Kleinen Feldberg in Deutschland im Spätsommer 2011. Dazu werden Messungen von meteorologischen Grundgrößen (Temperatur, Feuchte, Druck, Windgeschwindigkeit und -richtung) zusammen mit Radiosonden und flugzeuggetragenen Messungen von Spurengasen (Kohlenstoffmonoxid, -dioxid, Ozon und Partikelanzahlkonzentrationen) ausgewertet. Ziel ist es, mit diesen Daten, die thermodynamischen und dynamischen Eigenschaften und deren Einfluss auf die chemische Luftmassenzusammensetzung in der planetaren Grenzschicht zu bestimmen. Dazu werden die Radiosonden und Flugzeugmessungen mit Lagrangeschen Methoden kombiniert und es wird zwischen rein kinematischen Modellen (LAGRANTO und FLEXTRA) sowie sogenannten Partikeldispersionsmodellen (FLEXPART) unterschieden. Zum ersten Mal wurde im Rahmen dieser Arbeit dabei auch eine Version von FLEXPART-COSMO verwendet, die von den meteorologischen Analysefeldern des Deutschen Wetterdienstes angetrieben werden. Aus verschiedenen bekannten Methoden der Grenzschichthöhenbestimmung mit Radiosondenmessungen wird die Bulk-Richardson-Zahl-Methode als Referenzmethode verwendet, da sie eine etablierte Methode sowohl für Messungen und als auch Modellanalysen darstellt. Mit einer Toleranz von 125 m, kann zu 95 % mit mindestens drei anderen Methoden eine Übereinstimmung zu der ermittelten Grenzschichthöhe festgestellt werden, was die Qualität der Grenzschichthöhe bestätigt. Die Grenzschichthöhe variiert während der Messkampagne zwischen 0 und 2000 m über Grund, wobei eine hohe Grenzschicht nach dem Durchzug von Kaltfronten beobachtet wird, hingegen eine niedrige Grenzschicht unter Hochdruckeinfluss und damit verbundener Subsidenz bei windarmen Bedingungen im Warmsektor. Ein Vergleich zwischen den Grenzschichthöhen aus Radiosonden und aus Modellen (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) zeigt nur geringe Unterschiede um -6 bis +12% während der Kampagne am Kleinen Feldberg. Es kann allerdings gezeigt werden, dass in größeren Simulationsgebieten systematische Unterschiede zwischen den Modellen (COSMO-7 und COSMO-EU) auftreten. Im Rahmen dieser Arbeit wird deutlich, dass die Bodenfeuchte, die in diesen beiden Modellen unterschiedlich initialisiert wird, zu verschiedenen Grenzschichthöhen führt. Die Folge sind systematische Unterschiede in der Luftmassenherkunft und insbesondere der Emissionssensitivität. Des Weiteren kann lokale Mischung zwischen der Grenzschicht und der freien Troposphäre bestimmt werden. Dies zeigt sich in der zeitlichen Änderung der Korrelationen zwischen CO2 und O3 aus den Flugzeugmessungen, und wird im Vergleich mit Rückwärtstrajektorien und Radiosondenprofilen bestärkt. Das Einmischen der Luftmassen in die Grenzschicht beeinflusst dabei die chemische Zusammensetzung in der Vertikalen und wahrscheinlich auch am Boden. Diese experimentelle Studie bestätigt die Relevanz der Einmischungsprozesse aus der freien Troposphäre und die Verwendbarkeit der Korrelationsmethode, um Austausch- und Einmischungsprozesse an dieser Grenzfläche zu bestimmen.

In this thesis the structure and air mass composition of the lower atmosphere during the field campaign PARADE (PArticles and RAdicals: Diel observations of the impact of urban and biogenic Emissions) on Mt. Kleiner Feldberg in Germany in late summer 2011 is studied. For this purpose measurements of meteorological variables (temperature, moisture, pressure, wind speed and direction) from radio soundings and a variety of chemical tracers (carbon monoxide, carbon dioxide, ozone and particle number concentration) from aircraft measurements are analysed. The main objective is to characterise the thermodynamical and dynamic factors based on this data, which determine the chemical composition of the boundary layer. Therefore, the radio soundings and aircraft measurements are combined with different Langrangian methods. A distinction is made between purely kinematic trajectory models (LAGRANTO and FLEXTRA) and so-called particle dispersion models (FLEXPART). For this thesis, FLEXPART-COSMO was driven for the first time by meteorological analyses from the german weather service (DWD). Among various methods the bulk Richardson number method was used to determine the boundary layer height, since it is an established method for both measurements and model analyses. With a tolerance of 125m, this derived boundary layer height agrees with at least three other methods in 95% and this confirms the quality of the derived boundary layer height. The boundary layer depth varies during the measurement campaign between 0 and 2000 m above ground level. While mature boundary layers are observed after the passage of cold fronts, shallow boundary layers under high pressure are related to subsidence at low wind conditions in the warm sector. A comparison between the radiosonde-derived boundary layer height and boundary layer height from models (COSMO-DE, COSMO-EU, COSMO-7) differs only by -6 to +12% during the campaign at Kleiner Feldberg. However, it can be shown that systematic differences between the models (COSMO-7 and COSMO-EU) occur in larger simulation areas. Furthermore, it can been shown that the soil moisture, which is initialised differently in these two models, leads to different boundary layer heights. The consequences are systematic differences of the air mass origin and in particular in the emission sensitivity. Furthermore, local mixing between the boundary layer and the free troposphere is observed. This is demonstrated by the temporal change of the correlations between CO2 and O3 from the aircraft measurements, and is confirmed from comparison with backward trajectories and radiosonde profiles. Transport of this mixed air masses might influence the chemical composition in the vertical and at the bottom within the boundary layer. This experimental study points out the relevance of the entrainment processes in the lower troposphere and that the tracer-tracer-correlation method can be used to determine the boundary layer dynamics across the planetary boundary layer inversion.