Observations of area averaged near-surface wind- and temperature-fields in real terrain using acoustic travel time tomography

Abstract

Any physical description setting for the distribution of momentum, energy and matter within the turbulent boundary layer of the atmosphere is usually made according to models based on the assumption of horizontal homogeneity. However, the earth's surface not being homogeneous, the consequence of this approach is that these physical models cannot be transferred nor applied under non-homogeneous conditions. The conventional methods used for observing micro-meteorology data do not appear to be adequate in interpreting data observed on heterogeneous surfaces. In this connection, the method of acoustic travel-time tomography is here introduced. This method uses the variability of the speed of sound according to meteorological quantities such as wind and temperature in order to observe synchronous data of wind- and air-temperature fields under natural conditions in a given area. This allows to shun a main requirement of conventional micro-meteorological experiments - the horizontally homogeneous conditions. Die physikalische Beschreibung der Verteilung von Impuls, Energie sowie von stofflichen Beimengungen innerhalb der turbulenten atmosphärischen Grenzschicht basiert auf physikalischen Modellen, die unter der Annahme horizontal homogener Bedingungen aufgestellt wurden. Die Oberfläche der Erde ist jedoch nicht homogen, was letztlich dazu führt, dass diese physikalischen Modelle über einer inhomogenen Erdoberfläche nicht oder nur eingeschränkt angewendet werden können. Die konventionellen Messmethoden der Mikrometeorologie scheinen nicht geeignet, um im heterogenen Gelände entsprechende Datensätze aufzunehmen, die überhaupt zur Prüfung theoretischer Konzepte dienen könnten. In diesem Zusammenhang wird hier die Methode der akustischen Laufzeittomographie vorgestellt. Dieses Verfahren, das die Veränderlichkeit der Schallgeschwindigkeit bezüglich meteorologischer Größen wie Wind und Temperatur ausnutzt, um flächendeckende, synchrone Wind- und Temperaturfelder zu beobachten, ist geeignet, Experimente über natürlichen Landoberflächen durchzuführen. Damit könnte auf eine Anforderung an mikrometeorologische Experimente verzichtet werden - die Messungen über einer nahezu horizontal homogenen Landoberfläche ausführen zu müssen.