Vertikale Gliederung der Stadtatmosphäre

Andreas Christen Dieser Beitrag beschreibt die Grundlagen und Besonderheiten der vertikalen Gliederung der Atmosphäre über Städten. Strömt die Atmosphäre über eine Stadt, bildet sich bodennah eine städtische Grenzschicht aus, die etwa 1-2 km in die Höhe reicht und im Abwindbereich über zehn bis hundert Kilometer messbar ist. Die städtische Grenzschicht ist im Gegensatz zur atmosphärischen Grenzschicht im ländlichen Umland von der erhöhten Rauigkeit der Stadtoberfläche, dem generell erhöhten Wärmeeintrag der Stadt in die Atmosphäre, sowie den Emissionen von Luftbeimengungen aus städtischem Quellen geprägt. Die städtische Grenzschicht kann grundsätzlich in zwei Bereiche eingeteilt werden: Die obersten 90%, welche tagsüber durch Thermik charakterisiert sind (Mischungsschicht) und die unteren, bodennahen 10% wo intensive mechanische Turbulenz aus der Bodenreibung und der Rauigkeit auftritt (Prandtl-Schicht). Die Mischungs- schicht zeigt einen ausgeprägten Tagesgang. Über einer Stadt hebt die intensivere, thermische Turbulenz in der Mischungsschicht tagsüber die darüberliegende Grenzschichtinversion um bis zu 20% gegenüber dem Umland an. Nachts bricht die Turbulenz in der verbleibenden Mischungsschicht (Restschicht) fast vollständig zusammen, wobei aufgrund der städtischen Wärmeinsel über dicht bebauten Städten anstatt einer üblichen Bodeninversion oft auch eine schwache, erhöhte Inversion in wenigen hundert Metern Höhe beobachtet werden kann. Die Prantl-Schicht darunter bleibt aufgrund der städtischen Wärmeinsel nachts oft instabil. Die Prandtl-Schicht wird weiter in eine Intertialschicht und eine raue Unterschicht unterteilt. Während in der Intertialschicht Eigenschaften der Stadtoberfläche so stark vermischt werden, dass die Strömung positionsunabhängig ist, bleibt die Strömung in der rauen Unterschicht von einzelnen Gebäuden und Bäumen abhängig und ist daher horizontal und vertikal sehr kleinräumig strukturiert. Innerhalb der rauen Unterschicht können wir noch die Stadthindernisschicht ausweisen. Die Stadthindernisschicht erstreckt sich vom Strassenniveau bis zur Höhe der höchsten Gebäude. In der Stadthindernisschicht sind Strömung und Temperaturverteilung in Strassenschluchten und Innenhöfen direkt von der dreidimensionalen, städtischen Geometrie bestimmt. Das Strahlungsfeld ist kleinräumig differenziert (Sonnen und Schattenbereich) und die Luftqualität ist auf der Skala von Metern von der Strömung und der Lage lokaler Emissionsquellen geprägt. Vertical structure of the atmosphere over cities: This contribution describes the fundamentals and peculiarities of the vertical structure of the atmosphere over cities When atmospheric air masses encounter a city, an urban boundary layer (UBL) is formed near the surface, extending approximately up to a height of 1-2 km above ground and persisting downwind of the city as an urban plume over tens to hundreds of kilometres. In contrast to the atmospheric boundary layer in rural areas, the UBL reflects the increased roughness of the urban surface, the increased heat injections into the atmosphere, and the emissions of air pollutants from urban sources. The UBL can be divided in two 1 regions: The top 90%, characterised by thermals during the day (mixed layer) and the lowest 10% near the surface where mechanical turbulence dominates (surface layer). The mixed layer (ML) undergoes a distinct diurnal cycle. The intensified daytime turbulence in the ML over a city can lift the capping inversion over the city by up to 20% relative to the rural surrounding. At night, turbulence breaks down to a large extent in the remains of the ML (residual layer). However, instead of the usual nocturnal surface inversion, inner cities can develop an elevated inversion at a height of a few hundred meters, while the surface layer below may remain slightly unstable due to the urban heat island. The surface layer is further subdivided into an inertial sublayer (ISL) and a roughness sublayer (RSL). In the ISL, properties of the urban surface are mixed intensely so that air flow in the ISL is position-independent. In contrast, air flow in the RSL is horizontally dependent on the location relative to individual buildings and trees. As a lowest layer, we can define the urban canopy layer (UCL) within the RSL. The UCL consists of the outdoor air and the atmosphere in the interior of buildings, extending from street level to the height of the tallest buildings and trees. In the UCL, air flow and temperatures are very location specific with regard to the three-dimensional, urban geometry in street canyons and courtyards. The radiation field shows small-scale differentiation (suns and shadows) and mean air quality differs on the scale of a few meters by the location of local emission sources relative to the approaching flow