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Oberflächenflüsse

Zusätzlich zu den Quellen und Senken für Wärme, die sich über das gesamte Simulationsvolumen verteilen, gibt es noch reine Oberflächenflüsse, welche die Randbedingung an der Wasseroberfläche liefern.

Bei der Verdunstung von Wasser gehen Moleküle der obersten Wasserschicht in den gasförmigen Aggregatszustand über. Die dazu benötigte Energie, die Verdampfungswärme, wird dem Wasser entzogen und mu\3 aus der Tiefe nachtransportiert werden. Die Abkühlung der Wasseroberfläche durch Verdunstung ist daher mit einem Wärmestrom tex2html_wrap_inline14020 verbunden, der als latenter Wärmestrom bezeichnet wird und Wärme über die Wasseroberfläche hinweg transportiert.

Beim Kontakt zweier Körper wird Wärme über die Kontaktstelle zwischen den beiden Oberflächen ausgetauscht. Dieser Kontaktwärmestrom tex2html_wrap_inline14022 über die Oberfläche wird als sensibler bzw. fühlbarer Wärmestromgif bezeichnet. Im Falle der Wasseroberfläche ist der Transport sensibler Wärme zwischen dem Wasser und der darüberliegenden Luftschicht zu berücksichtigen.

Der gesamte Oberflächenflu\3 tex2html_wrap_inline14024 setzt sich demnach aus zwei Komponenten zusammen
equation2445
die unabhängig voneinander sind und von den jeweiligen Wetterbedingungen abhängen.

In der Transportgleichung mu\3 dies als Randbedingung an der Oberfläche berücksichtigt werden. Das 1. Fick'sche Gesetz liefert eine zusätzliche Differentialgleichung, die für den oberen Rand des Simulationsvolumens erfüllt sein mu\3:
 equation2450

Da der Oberflächenflu\3 tex2html_wrap_inline14024 nur eine Komponente in z-Richtung, d. h. senkrecht zur Wasseroberfläche hat, vereinfacht sich (4.39) zu:
equation2458
Im folgenden werden die beiden Flüsse tex2html_wrap_inline14020 und tex2html_wrap_inline14022 mit den skalaren Grö\3en tex2html_wrap_inline14032 und tex2html_wrap_inline13522 abgekürzt, wobei immer die z-Komponente des Flusses gemeint ist.

Die Werte für tex2html_wrap_inline14032 und tex2html_wrap_inline13522 müssen experimentell bestimmt werden. Der prinzipielle Verlauf der beiden Flüsse, in Abhängigkeit von relativer Luftfeuchtigkeit, bzw. Luft- und Wassertemperatur, ergibt sich nach [Jähne, 80] zu:
  eqnarray2466
mit


tabular2471

Die Temperaturabhängigkeit der oben angegebenen Werte lä\3t sich zur Abschätzung der Flüsse im Rahmen der Simulation vernachlässigen. Mit tex2html_wrap_inline12192 und tex2html_wrap_inline13558 werden die Temperaturen der Luft und der Wasseroberfläche bezeichnet. Der Wert h gibt die relative Feuchtigkeit der Luft an, mit tex2html_wrap_inline14062. Für die Ozeanoberfläche ergeben sich typische Werte für h zwischen 0.6 und 0.8 ([Edson, Bock, McGillis, 96]). Die beiden Konstanten tex2html_wrap_inline14066 und tex2html_wrap_inline14068 bezeichnen die Transfergeschwindigkeiten für Wasserdampf und Wärme in der Luft. Für Windgeschwindigkeiten zwischen 1 und 10m/s variieren beide Konstanten um mehr als eine Grö\3enordnung. In ihnen steckt die Abhängigkeit der Flüsse (4.41) und (4.42) von der Windgeschwindigkeit. In [Jähne, 80] finden sich Me\3werte der Transfergeschwindigkeit für Wasserdampf in Luft tex2html_wrap_inline14066, als Funktion der Windgeschwindigkeit. Da die Diffusionskonstanten für Wärme (Dtex2html_wrap_inline14072) und Wasserdampf (Dtex2html_wrap_inline14074) in Luft annähernd gleich sind (Dtex2html_wrap_inline14072/Dtex2html_wrap_inline14078 [Jähne, 80]) und der konvektive Transport für beide Tracer identisch ist, lä\3t sich die Transfergeschwindigkeit für Wärme in Luft näherungsweise mit der für Wasserdampf gleichsetzen: tex2html_wrap_inline14080. Ein Fit durch die Daten für tex2html_wrap_inline14066 ergibt:
equation2494

Damit lassen sich die beiden Komponenten des Oberflächenflusses abschätzen. Für eine Windgeschwindigkeit von 6mstex2html_wrap_inline12006 ergeben sich mit tex2html_wrap_inline14086K und h = 0.7 die Werte tex2html_wrap_inline14090Wattmtex2html_wrap_inline12038 und tex2html_wrap_inline14094Wattmtex2html_wrap_inline12038. Dies deckt sich mit einer Gebauigkeit von tex2html_wrap_inline1189420% mit Me\3werten während der MBL/CoOP Forschungsfahrt von [Edson, Bock, McGillis, 96] und Messungen von [Schlüssel et al., 90].


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Horst Haussecker
Tue Jan 14 19:32:36 MET 1997