Einfluss von Regen auf die oberen Wasserschichten. Experimente im Wind-Wellen-Kanal

Bachelorarbeit aus dem Jahr 2011 im Fachbereich Geowissenschaften / Geographie - Ozeanographie, Meereskunde, Note: 1.0, Universität Hamburg (Institute of Oceanography Hamburg), Veranstaltung: Geophysik/ Ozeanographie, Sprache: Deutsch, Abstract: Am Wind-Wellen-Kanal der Universität Hamburg wurden Experimente zur Untersuchung des Einflusses von Regen auf das Wind-, Wellen- und Strömungsfeld durchgeführt. Dazu wurden zwei Referenz - Windgeschwindigkeiten von 3 m/s und 6 m/s sowie zwei Regenraten von 28 mm/h und 161 mm/h realisiert. Durch den erstmaligen Einsatz von elektronischen Durchflussmessern, mit deren Hilfe Zu- und Abfluss in und aus einem Regenturm gemessen wurden, war eine relativ präzise Bestimmung der Regenrate möglich. Mit Hilfe eines Prandtlrohres wurde die Windgeschwindigkeit mit und ohne Regen in 11 Höhen zwischen 2 cm und 60 cm gemessen. Für alle Experimente wurden die Wellenneigung mit einem Laser-Neigungs-Sensor in und quer zur Windrichtung sowie die Wellenhöhe mit einem Wellendraht aufgezeichnet. Die Aufnahme des oberflächennahen Strömungsfeldes erfolgte mit einem Laser Doppler Velocimeter (LDV). Es wurden die horizontale (in Strömungsrichtung) und die vertikale Strömungskomponente in 10 Tiefen zwischen 0,2 cm und 15 cm gemessen. Aus den gemessenen Größen wurden die Turbulenzintensität, die turbulente kinetische Energie sowie die Schubspannungsgeschwindigkeit abgeleitet. Außerdem wurden Wellenhöhenspektren und Wellenneigungsspektren in und quer zur Windrichtung berechnet. Alle Messungen wurden bei 15,5 m Fetch durchgeführt, wobei die Referenz - Windgeschwindigkeit mit einem Flügelradanemometer bei einem Fetch von 12 m gemessen wurde.
Bei der hohen Windgeschwindigkeit zeigt sich eine Dämpfung der Wellenamplitude für niedrige Frequenzen. Anders als bei Braun (1998) liegt die Übergangsfrequenz nicht bei 5 Hz, sondern zwischen 3 Hz - 5 Hz. Grund hierfür ist die in dieser Arbeit etwas größere Windgeschwindigkeit von 6 m/s statt 4 m/s. Bei 3 m/s zeigt sich bei der kleinen Regenrate eine Dämpfung der Amplitude. Eine Erhöhung der Regenrate bei gleicher Windgeschwindigkeit hat eine höhere Amplitude zur Folge. Ein möglicher Grund hierfür ist ein schwach ausgeprägtes Wellenfeld, in dem es kaum Windwellen gibt, die gedämpft werden könnten. Stattdessen dominieren Ringwellen das Erscheinungsbild der Wasseroberfläche. Bei 6 m/s Windgeschwindigkeit tritt für beide Regenraten Wellendämpfung auf.
Bei Windstille und der kleinen Windgeschwindigkeit von 3 m/s beobachten wir ein breites Hauptmaximum in den Spektren der Wellenhöhe. Grund hierfür ist, dass bei der kleinen Windgeschwindigkeit kaum Windwellen erzeugt werden. Dadurch dominiert in beiden Fällen der Regen das Wellenfeld.