Diese Arbeit stellt das neue Fesselballonsystem 'Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere' (BELUGA) vor, das für die Messung turbulenter Energie- und Strahlungsflüsse in der bewölkten arktischen atmosphärischen Grenzschicht entwickelt wurde. Mit dem Schwerpunkt auf Turbulenz werden der technische Aufbau und die drei Instrumentenpakete von BELUGA sowie Methoden zur Analyse von Turbulenzdaten beschrieben. BELUGA wurde während zweier Feldkampagnen in der Arktis eingesetzt, die auf dem arktischen Meereis im Juni 2017 und in Grönland im März/April 2018 stattfanden. Anhand zweier Fallstudien liefern die BELUGA-Messungen wertvolle Einblicke in die kleinskaligen turbulenten Prozesse und Strahlungsprozesse, die in der arktischen Grenzschicht wechselwirken. Eine erste Studie analysiert eine Inversion der spezifischen Luftfeuchte über einem beständigen Stratocumulus und die turbulente Kopplung zwischen diesen Regionen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein turbulenter Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen der Feuchteinversion und der Wolke durch die stabile Inversionsschicht hindurch möglich ist, wenn sich die Feuchteinversion direkt über der Wolkendecke befindet. Die Bereitstellung von Feuchtigkeit durch turbulenten Transport trägt wahrscheinlich zur Langlebigkeit der arktischen Wolken bei. Die zweite Studie befasst sich mit einem Grenzschichtstrahlstrom, d.h. einem lokalen Windmaximum in niedriger Höhe, der in der spätwinterlichen stabilen arktischen Grenzschicht beobachtet wurde. Der Grenzschichtstrahlstrom zeigt eine charakteristische Vertikalstruktur von Turbulenzparametern wie lokalen Dissipationsraten, die direkt ober- und unterhalb des Windmaximums erhöht sind. Daraus folgt, dass das Vorhandensein eines Grenzschichtstrahlstromes die vertikale Durchmischung in der stabilen Grenzschicht unterstützt, was sich auf die vertikale Verteilung von advehierter Feuchtigkeit, Aerosolpartikeln und anderen Substanzen auswirken kann. Beide Fallstudien unterstreichen die Bedeutung der kleinskaligen Turbulenz für die Entwicklung der Grenzschicht in einer stabilen thermodynamischen Schichtung. Damit tragen die BELUGA-Messungen zu einem besseren Prozessverständnis in einer sich verstärkt erwärmenden Arktis mit vielfältigen Rückkopplungsprozessen bei. / This thesis introduces the new tethered balloon system Balloon-bornE moduLar Utility for profilinG the lower Atmosphere (BELUGA) that has been developed for collocated measurements of turbulent and radiative energy fluxes in the cloudy Arctic atmospheric boundary layer (ABL). With a focus on turbulence, the technical setup and the three instrument packages of BELUGA are presented together with turbulence data analysis methods. BELUGA was deployed during two field campaigns in the Arctic, which took place on Arctic sea ice in June 2017 and in Greenland in March/April 2018. By means of two case studies, the BELUGA measurements provide valuable insights into the small-scale turbulent and radiative processes interacting in the Arctic ABL. A first study analyzes a specific humidity inversion (SHI) above a persistent stratocumulus and the turbulent coupling between these regions. The results show that turbulent exchange of heat and moisture between the SHI and the cloud is possible through the stable inversion layer, when the SHI is located directly above the cloud top. Providing moisture via turbulent transport probably contributes to the persistence of Arctic clouds. The second study addresses a low-level jet (LLJ) observed in the late-winter stable Arctic ABL. The LLJ is associated with a characteristic vertical structure of turbulence parameters such as local dissipation rates, with enhanced intensity just above and below the jet core. It is concluded that the presence of a LLJ promotes vertical mixing in the stable ABL, which can impact the vertical distribution of advected moisture, aerosol particles, and other substances. Both case studies highlight the importance of small-scale turbulence for shaping the ABL under conditions of stable thermodynamic stratification. Thus, the BELUGA measurements contribute to an improved understanding of interacting atmospheric processes in Arctic amplification.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76073 |
| Date | 27 September 2021 |
| Creators | Egerer, Ulrike |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English, German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/acceptedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0024 seconds