Überprüfung der Homogenitätsannahme und der Gültigkeit der Taylor Hypothese in atmosphärischen Grenzschichtströmungen mittels räumlich verteilter Messungen einer UAS Flotte
<p>Im Rahmen des Projekts SWUF-3D wurden w&#228;hrend der Messkampagne FESSTVaL im Sommer 2021 am Grenzschichtmessfeld (GM) Falkenberg des DWD r&#228;umlich separierte Messungen in der atmosph&#228;rischen Grenzschicht mittels einer Flotte Quadrotor UAS (Unmanned Aerial System) durchgef&#252;hrt. Es wurden mehrere UAS in einer horizontalen Ebene sowohl in Str&#246;mungsrichtung, als auch senkrecht dazu angeordnet, um so das turbulente Windfeld simultan an mehreren festen Punkten zu vermessen. Die Str&#246;mungsrichtung wurde dabei aus Windmessungen des 99 m hohen Messmasts am GM bestimmt.&#160; Variierende r&#228;umliche Abst&#228;nde zwischen benachbarten UAS im horizontalen Messmuster erlauben Turbulenzauswertungen als Funktion der Distanz.&#160; Die Messungen k&#246;nnen genutzt werden, um die in der atmosph&#228;rischen Grenzschichtforschung vielfach verwendeten Annahmen der Homogenit&#228;t und der Taylor Hypothese zu &#252;berpr&#252;fen.&#160; Um m&#246;gliche Abh&#228;ngigkeiten dieser Annahmen von unterschiedlichen atmosph&#228;rischen Randbedingungen zu erkennen, wurde die Messstrategie unter verschiedenen Bedingungen (neutral, konvektiv und stabil geschichtete Grenzschicht) wiederholt. Die Messergebnisse zeigen, dass im Rahmen der Messgenauigkeit keine signifikante Verletzung der Homogenit&#228;tsannahme f&#252;r die untersuchten atmosph&#228;rischen Randbedingungen in der Mikroskala vorliegt. &#160;Abnahmen mit der Distanz der in Str&#246;mungsrichtung berechneten Kreuzkorrelationsfunktionen und Koh&#228;renzen, deuten darauf hin, dass Taylor&#8217;s Hypothese der eingefrorenen Turbulenz, die mit dem mittleren Wind transportiert wird, nicht g&#228;nzlich f&#252;r alle Skalen anwendbar ist.&#160; Jedoch sind hierbei auch Messgenauigkeiten der UAS und leichte Fehlausrichtung des Messmusters gegen&#252;ber der tats&#228;chlich vorherrschenden Windrichtung w&#228;hrend des Flugs zu ber&#252;cksichtigen. Die Fehlausrichtung f&#252;hrt dazu, dass eine turbulente Struktur nicht parallel durch alle Messpunkte durchwandert, sondern mit einer seitlichen Verschiebung. Die Studie zeigt das Potential zur in-situ Vermessung zeitlich und r&#228;umlich komplexer Str&#246;mungen mit einer Flotte von Quadrotor UAS im Skalenbereich von 5 m bis 200 m. Eine Ausdehnung des Messvolumens &#252;ber die Mikroskala hinaus kann in Zukunft einen wichtigen Beitrag zum besseren Verst&#228;ndnis koh&#228;renter Strukturen in der turbulenten atmosph&#228;rischen Grenzschicht leisten.</p>