Spatial variability of temperature and wind over heterogeneous surfaces

Conventional micro-meteorological measuring methods are not particularly suitable for the investigation of the energy exchange under heterogeneous surface conditions. To consider the influence of the different surface properties, area-covered and spatially averaged meteorological measurements in combination with highly resolved simulations are necessary. In this context, the method of acoustic travel time tomography is introduced to provide information about the horizontal temperature and wind field. Within a field experiment (STINHO-1; Melpitz 2001) the tomographic system and conventional meteorological equipment were utilised inside the investigation area with an extension of several hundred meters (300 x 700 m2), which was arranged over areas with different surface properties: grassland and bare soil. The results of the field experiment show that differences between the measuring systems (insitu and remote sensing) exist and the heterogeneity of the underlying surface is visible in the near surface temperature and wind field at a scale, which can be resolved with highly resolved numerical models. Depending on the incoming solar radiation and the local advection regional distinctions in the air temperature and wind field as well as in the vertical sensible heat fluxes were observed. The investigations demonstrate that the sensitivity of the Acoustic Tomography is sufficient to verify gradients in the meteorological fields even when the horizontal differences are small.Zur Untersuchung des Energieaustausches über heterogenem Gelände sind konventionelle mikro-meteorologische Messungen und Modellvorstellungen allein nicht ausreichend. Um den Einfluss unterschiedlicher Oberflächen besser berücksichtigen zu können, sind flächendeckende und räumlich mittelnde meteorologische Messungen kombiniert mit hoch aufgelösten numerischen Simulationen notwendig.In diesem Kontext wird die Methode der Akustischen Laufzeitomographie vorgestellt, mit der horizontale Wind- und Temperaturfelder in geeigneter Weise bereitgestellt werden können. Im Rahmen eines Feldexperimentes (STINHO-1; Melpitz 2001) wurde das tomographische System zusammen mit konventionellen meteorologischen Geräten in einem Untersuchungsgebiet mit einer Ausdehnung von mehreren hundert Metern (300 x 700 m2) über unterschiedlichen Oberflächen (Wiese und gepflügter Acker) eingesetzt. Die Ergebnisse des Feldexperimentes zeigen, dass Unterschiede zwischen den einzelnen Messverfahren existierten und die Heterogenität der Unterlage in den oberflächennahen Temperatur- und Windfeldern auf einer Skala sichtbar ist, die mit kleinskaligen numerischen Modellen aufgelöst werden kann. Die vorgestellten Untersuchungen demonstrieren, dass die Sensitivität der Akustischen Tomographie hinreichend ist, um Gradienten meteorologischer Felder auch bei geringeren horizontalen Unterschieden nachzuweisen