Impulsübertrag an der Luft-Wasser-Grenzschicht
Wellen am Strand - eine Auswirkung von Luft-Wasser-Interaktion, die jeder kennt. -Bild: Hereon-
Der Austausch von Impulsen und Skalaren über die Grenzschicht der Ozeane hinweg hat großen Einfluss auf das Klima, die Ozeanzirkulation und die Entwicklung von Stürmen, insbesondere in Küstengewässern.
In dieser Hinsicht sind die Rolle der Oberflächenwellen, ihr Einfluss auf die oberflächennahe Luftströmungsdynamik sowie die Wellen-Strömungs-Wechselwirkung von Bedeutung. Vor allem unser physikalisches Verständnis bezüglich ihrer Kopplung und bei höheren Windgeschwindigkeiten ist jedoch unvollständig.
Um ihre Wechselwirkungen besser quantifizieren und verstehen zu können, wurden verschiedene Messtechniken für die hochauflösende Fernerkundung von oberflächennahen Wind, Strömung und Wellenfeldern entwickelt. Die Methoden basieren auf Radaren, Lasern und Videokameras, die Skalen zwischen Millimeter und Hunderten von Kilometern abdecken:
- CopterCurrents
- In-situ-Beobachtungen der Luftströmungsdynamik über Wellen
- Marine Radare
- Neue Ansätze
Oberflächenströmungsfeld in der Elbe bei Lauenburg, mit einer Quadrocopter-Drohne aufgenommen.-Bild: Radar Hydrografie / Hereon-
Die kleinräumigen physikalischen Prozesse im Ozean sind oft durch scharfe Fronten mit starker horizontaler Scherung gekennzeichnet.
Um diese Prozesse räumlich (einige Meter) und zeitlich (Minuten) ausreichend aufzulösen, wurden die für marine Radarbildsequenzen entwickelten Techniken an die Bedürfnisse von Videosequenzen von Wasseroberflächenwellen angepasst. Die Videosequenzen wurden im Bereich des sichtbaren Lichts mit einer kleinen, nadirartigen Videokamera aufgenommen, die an einer handelsüblichen Quadcopter-Drohne befestigt war.
Die von der kardanisch stabilisierten Videokamera aufgenommenen Videodaten sind geokodiert und um Linsenverzerrungen korrigiert. Die resultierenden Videodaten ermöglichen die Messung von Wellenrichtung, Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit.
Diese Eigenschaften ermöglichen die Messung von Oberflächenstromfeldern, die sich aus der Differenz zwischen der beobachteten Phasengeschwindigkeit und der linearen Dispersionsrelation von Oberflächenwellen ergeben.
Weitere Informationen finden Sie auf den Webseite zur CopterCurrents.
Streßer, M., Carrasco, R., Horstmann, J., Video-Based Estimation of Surface Currents Using a Low-Cost Quadcopter, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 14, no. 99, 1-5, 2017, doi:10.1109/LGRS.2017.2749120
Das PIV-Experiments. -Bild:Hereon-
Es wurde ein neuartiges System zur Messung von Luftströmungen entwickelt, das mit Hilfe der Particle Image Velocimetry die Dynamik im Millimeterbereich innerhalb der ersten Meter über der Meeresoberfläche messen kann.
Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Atmosphäre-Ozean-Austauschprozesse.
Funke, C.S., Buckley, M.P., Schultze, L.K., Veron, F., Timmermans, M.E., & Carpenter, J.R. (2021): Pressure fields in the airflow over wind-generated surface waves. Journal of Physical Oceanography, doi:10.1175/JPO-D-20-0311.1
Yousefi, K., Veron, F., & Buckley, M. (2021). Turbulent and wave kinetic energy budgets in the airflow over wind-generated surface waves. Journal of Fluid Mechanics, 920, A33. doi:10.1017/jfm.2021.377
Buckley, M., Veron, F., & Yousefi, K. (2020): Surface viscous stress over wind-driven waves with intermittent airflow separation. Journal of Fluid Mechanics, 905, A31, doi:10.1017/jfm.2020.760
Marines Radar an Bord des Hereon-Forschungsschiffs Ludwig Prandtl -Bild: Hereon-
Um die räumliche Variabilität von Oberflächenwellenfeldern zu schätzen oder um Wellen-Strömungs-Wechselwirkungen oder Wellenenergiedissipation zu beobachten, ist es erforderlich, Wellen mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung über größere Flächen zu beobachten.
Zu diesem Zweck wurden vom Bereich Operative Systeme Radarfernerkundungstechniken wie das kohärente Empfangsradar mit einer Reichweite von bis zu 3 km entwickelt. Unter Verwendung der Radar-Doppler-Geschwindigkeitsmessungen wurde eine belastbare Methode zur Ermittlung signifikanter Wellenhöhen entwickelt und validiert. Es ist nun erstmals möglich, signifikante Wellenhöhen ohne Kalibrierung und mit einer hohen Genauigkeit von 0,21 m aus marinen Radaren zu gewinnen.
Das kohärente Empfangsradarsystem der Hereon ist eines der weltweit zuverlässigsten Systeme und wurde deshalb von mehreren Forschungspartnern in zahlreichen Kampagnen in Deutschland, Frankreich, Norwegen, Taiwan und den USA eingesetzt. Es wurde nachgewiesen, dass sie Oberflächenwind, Wellen, Strömungen und Bathymetrie von sich bewegenden Schiffen, festen Plattformen und Küstenstationen messen können. Die Marinen Radarsysteme des Hereon können nunmehr eingesetzt werden
(i) als Surface Feature Monitoring System (SuFMoS) zur Echtzeitbeobachtung von Fronten, Binnenwellen, Windböen und Meereis,
(ii) zur Gewinnung von Bathymetrie in seichtem Wasser,
(iii) zum Abrufen von Oberflächenwinden und - böen und
(iv) Strömungsmessungen.
Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Radarhydrographie.
Carrasco, R., Streßer, M., and Horstmann, J.: A simple method for retrieving significant wave height from Dopplerized X-band radar, Ocean Sci., 13, 95-103, 2017a, doi:10.5194/os-13-95-2017
Carrasco, R., Horstmann, J., Seemann, J.,Significant Wave Height Measured by Coherent X-Band Radar, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 55, no. 9, 5355-5365, 2017b, doi:10.1109/TGRS.2017.2706067
Horstmann, J., Nieto Borge, J.C., Seemann, J., Carrasco, R., Lund, B., Wind, Wave and Current retrieval utilizing X-Band Marine Radars, Chapter 16 in Coastal Ocean Observing Systems, 281-304, 2015b, doi:10.1016/B978-0-12-802022-7.00016-X
Huang, W.,Carrasco, R., Shen, C., Gill, E.W., Horstmann, J., Surface Current Measurements Using X-Band Marine Radar With Vertical Polarization, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 54, no. 5, 2988-2997, 2016. doi:10.1109/TGRS.2015.2509781
Lund, B., Haus, B.K., Horstmann, J., Graber, H.C., Carrasco, R., e, Near-Surface Current Mapping by Shipboard Marine X-nd Radar: A Validation, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, submitted 2017.
Støle-Hentschel, S., Seemann, J., Nieto Borge, J.C., Trulsen, K., Analyzing Coherent Spatio-Temporal Radar Measurements: Transfer Function and Sea Surface Reconstruction, J. Geophys. Res., submitted 2017
Vicen-Bueno, R., Horstmann, J., Terril, E., de Paolo, T., Dannenberg, J., Real-Time Ocean Wind Vector Retrieval from Marine Radar Image Sequences Acquired at Grazing Angle, J. Atmos. Oceanic Technol., 30, 127–139, 2013, doi:10.1175/JTECH-D-12-00027.1
Shen, C, Huang, W., Gill, E.W., Carrasco, R., Horstmann, J., An Algorithm for Surface Current Retrieval from X-band Marine Radar Images, Remote Sens., 7, 7753-7767, 2015 doi:10.3390/rs70607753
Diagramm, das die Wachstumsrate für die Instabilität der Windwelle für verschiedene Wellenzahlen zeigt (inverse Wellenlänge). Die gestrichelten Linien sind eine Reihe neuer Annäherungswerte, die schnell zur exakten Lösung konvergieren (durchgezogene Linie). -Bild:Hereon-
Eine Schlüsselkomponente der Luft-Meer-Impulsübertragung ist das Wachstum von Oberflächen-Gravitationswellen aus dem darüber liegenden Luftstrom. Ein neuer theoretischer Ansatz im Verständnis dieses Prozesses wurde von uns entwickelt und eine neue physikalische Interpretation der Instabilität der Wind-Wellen-Wechselwirkung beschrieben.
Diese Interpretation zerlegt die Instabilität in ihre einfachste Form, die aus einer wechselseitigen Wechselwirkung zwischen der Oberflächenwelle und der kritischen Schicht des Luftstroms besteht. Es verbindet auch die Physik der Instabilität der Windwellen mit denen von geschichteten Scherschichten, wie die bekannte Kelvin-Helmholtz-Instabilität.
Diese theoretische Grundlage wird auch verwendet, um ein effizientes Lösungsverfahren für Berechnungen der instabilsten Modi zu erstellen, die in verschiedenen Windprofilen auftreten können.
Weitere Informationen finden Sie auf den Webseiten unserer Abteilung Kleinskalige Physik und Turbulenz.
Carpenter, J.R., A. Guha & E. Heifetz (2017): A physical interpretation of the wind-wave instability as interacting waves. Journal of Physical Oceanography, 47, 1441-1455, doi:10.1175/JPO-D-16-0206.1