- AutorIn
- Elisa Fatma Akansu
- Titel
- Estimating the Surface Mixing Layer Height in the Arctic Atmospheric Boundary Layer Using Tethered Balloon-Borne Observations
- Zitierfähige Url:
- https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-951336
- Datum der Einreichung
- 21.06.2024
- Datum der Verteidigung
- 15.11.2024
- Abstract (DE)
- Diese Arbeit verwendet in situ Turbulenzmessungen aus Fesselballonbeobachtungen, um Methoden zur Ableitung der Höhe der bodennahen turbulenten Mischungsschicht (surface mixing layer, SML) in der arktischen atmosphärischen Grenzschicht zu bewerten. Die SML ist der unterste Teil der Atmosphäre, der turbulent ist und in dem selbst unter stabilen Bedingungen in der Arktis vertikale Vermischung und Transport von Wärme und Impuls stattfinden. Es werden zwei typische Zustände der Grenzschicht beobachtet: wolkenlos mit Temperaturinversionen am Boden und bewölkt mit Inversionen in der Höhe. Je nach Zustand variiert die vertikale Ausdehnung der SML erheblich. Die genaue Bestimmung der SML-Höhe ist entscheidend, da kleine Ungenauigkeiten einen erheblichen Einfluss auf die oft geringen SML-Höhen haben. Während der Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) Expedition wurden im Winter und Frühjahr vertikal hoch aufgelöste Profilmessungen mit einem Fesselballon durchgeführt, die vom Meereis bis in mehrere hundert Meter Höhe reichen. Diese Profile eignen sich für die Bestimmung einer Referenz-SML-Höhe, mit der andere häufig verwendete Methoden wie die auf der Bulk-Richardson-Zahl oder die auf bodennahen Austauschströmen basierenden Methoden bewertet werden können. Der kritische Wert von 0,12, der mithilfe der Turbulenzdaten bestimmt wird, ermöglicht eine genauere Abschätzung der SML-Höhen mit der Bulk-Richardson Methode. Dieser Ansatz wird auf Radiosondenaufstiege der MOSAiC-Expedition angewandt, um die Analyse zu erweitern. Außerdem werden die beiden typischen Zustände der arktischen Grenzschicht im Winter analysiert und der Übergang von bewölkten zu wolkenlosen Bedingungen anhand eines Messbeispiels untersucht. Diese Arbeit unterstreicht das Potential der Fesselballon-Turbulenzmessungen und wie diese Daten Einblicke in die vertikale Struktur der arktischen Grenzschicht geben. Die Messungen tragen zum Verständnis der Stabilität, der vertikalen Verteilung der Turbulenz und des Einflusses von Wolken auf die Grenzschicht bei, deren vertikale Schichtung wesentlich für Rückkopplungsprozesse ist, die zu einer verstärkten Erwärmung der Arktis beitragen.
- Abstract (EN)
- This thesis uses in situ turbulence measurements from tethered balloon observations to evaluate methods for deriving the surface mixing layer (SML) height in the Arctic atmospheric boundary layer (ABL). The SML is the lowermost part of the atmosphere, which is turbulent and experiences vertical mixing and transport of heat and momentum even under stable conditions in the Arctic. Two typical states of the ABL are observed: cloudless conditions with surface-based temperature inversions and cloudy conditions with elevated inversions. Depending on the state, the SML’s vertical extent varies significantly. Accurately determining the SML height is crucial because small inaccuracies in altitude are significant to the often shallow SML heights. Vertically highly resolved in situ profile measurements were obtained with a tethered balloon during the year-long Multidisciplinary Drifting Observatory for the Study of Arctic Climate (MOSAiC) expedition in winter and spring, reaching from the sea ice to several hundred meters. These profiles are well suited to derive a reference SML height, which is used to evaluate other commonly used methods, such as the bulk Richardson number or surface flux-based method. A critical value of 0.12 is derived, leading to more accurate SML height estimates. This approach is applied to radiosonde ascents from the MOSAiC expedition to extend the analysis and bridge observational gaps without tethered balloon-borne profiles. Further, the two typical states of the Arctic ABL in winter are analyzed, and the transition from cloudy to cloudless conditions is studied based on a measurement example. This work demonstrates the unique potential of the tethered balloon turbulence measurements and how these profiles provide insights into the vertical structure of the Arctic ABL. These measurements contribute to understanding the stability, the vertical distribution of turbulence, and the influence of clouds on the ABL. The ABL’s vertical stratification is essential for feedback processes, which contribute mainly to Arctic amplification.
- Verweis
- Evaluation of methods to determine the surface mixing layer height of the atmospheric boundary layer in the central Arctic during polar night and transition to polar day in cloudless and cloudy conditions
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-23-15473-2023 - Tethered Balloon-Borne Turbulence Measurements in Winter and Spring during the MOSAiC Expedition
DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-023-02582-5 - Freie Schlagwörter (EN)
- Turbulence, atmospheric boundary layer, tethered balloon observations, Arctic, MOSAiC
- Klassifikation (DDC)
- 530
- Den akademischen Grad verleihende / prüfende Institution
- Universität Leipzig, Leipzig
- Version / Begutachtungsstatus
- angenommene Version / Postprint / Autorenversion
- URN Qucosa
- urn:nbn:de:bsz:15-qucosa2-951336
- Veröffentlichungsdatum Qucosa
- 10.01.2025
- Dokumenttyp
- Dissertation
- Sprache des Dokumentes
- Englisch
- Deutsch
- Lizenz / Rechtehinweis
CC BY 4.0
- Inhaltsverzeichnis
Contents 1 Introduction 1 2 Fundamentals 7 2.1 Atmospheric boundary layer (ABL) 7 2.1.1 General characteristics 7 2.1.2 Vertical stability 10 2.1.3 Surface mixing layer (SML) 12 2.1.4 Cloudy conditions 13 2.2 Special features in the Arctic 14 2.3 Bulk Richardson number 16 2.4 Monin-Obukhov similarity theory 18 2.5 Turbulent flows 19 2.5.1 Eddies 19 2.5.2 Turbulent kinetic energy 22 2.5.3 Inertial subrange and energy dissipation rate 26 3 Balloon-borne turbulence measurements 29 3.1 MOSAiC expedition 29 3.2 Tethered balloon-borne measurements 31 3.2.1 Balloon operation 31 3.2.2 Vaisala tethersonde 34 3.2.3 High-resolution wind and temperature measurements 35 3.2.4 Calibration of the hot-wire anemometer 37 3.2.5 Derivation of energy dissipation rates 41 4 Surface mixing layer height estimates 47 4.1 In situ turbulence method 47 4.2 Bulk Richardson number method 48 4.2.1 Profiles of bulk Richardson number 48 4.2.2 Determining the critical Bulk Richardson number 50 4.3 SML height estimates based on a mean critical Richardson number 52 4.4 Surface flux-based method 54 5 Two typical states of the Arctic ABL 61 5.1 Observations in cloudless and cloudy conditions 61 5.2 Vertical mean and turbulent structure of the Arctic ABL 63 5.3 Transition from cloudy to cloudless states 66 6 Summary and outlook 71 Appendix 75 List of Figures 77 List of Acronyms 80 List of Symbols 83 References 86