Original paper

Turbulence-driven saltation in the atmospheric surface layer

Schönfeldt, Hans-Jürgen; von Löwis, Sibylle

Meteorologische Zeitschrift Vol. 12 No. 5 (2003), p. 257 - 268

published: Oct 27, 2003

DOI: 10.1127/0941-2948/2003/0012-0257

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ArtNo. ESP025011205003, Price: 29.00 €

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Abstract

The relations between the turbulent structures that contribute to the Reynolds shear stress and the transport of saltating grains and between the wind speed and the saltation are studied. The saltation of sand particles and the turbulent flow field over a beach surface in the Western Baltic Sea are measured with a saltiphone, a sonic anemometer and cup anemometers. Continuous, synchronous measurements of horizontal sand transport at 0.1 m above ground and turbulent velocity fluctuations at 0.55 m were made with a sampling frequency of 1 Hz and 10 Hz, respectively. The stress is considered to be resulting from various turbulent structures including sweeps, ejections, inward interactions and outward interactions using the quadrant technique. The instantaneous horizontal drag force on grains, which initiates saltation, seems to be well represented by the instantaneous horizontal wind measured well above the surface. Results indicate an almost instantaneous response of transport to instantaneous horizontal wind velocity. A new method to establish the threshold friction velocity for intermittent aeolian sand transport is introduced. The observed threshold friction velocity varied between 0.28 ms-1 to 0.36 ms-1. Der Zusammenhang zwischen den turbulenten Strukturen, die zur Reynolds-Schubspannung beitragen und dem Transport von durch Saltation bewegten Sandkörnern und der Zusammenhang zwischen der Windgeschwindigkeit und der Saltation wurden untersucht. Die Saltation von Sandkörnern und das turbulente Strömungsfeld über einer Strandfläche der Westlichen Ostsee wurden mit einem Saltifon, einem akustischen Anemometer und mit Schalensternanemometern untersucht. Es wurden kontinuierliche, synchrone Messungen des horizontalen Sandtransports 0.,1 m über Grund und turbulente Windgeschwindigkeitsfluktuationen 0,55 m über Grund mit einer Abtastrate von 1 Hz bzw. 10 Hz durchgeführt. Die Schubspannung wurde der Quadranten-Technik folgend in die Klassen verzögerte Aufwärtsbewegung (ejection), beschleunigte Aufwärtsbewegung (outward interaction), beschleunigte Abwärtsbewegung (sweep) und verzögerte Abwärtsbewegung (inward interaction) eingeteilt. Die unmittelbaren an den Sandkörnern wirkenden horizontalen Widerstandskräfte, die zur Saltation führen, werden offenbar gut durch die augenblickliche horizontale Windgeschwindigkeit etwas weiter über den Sandkörnern beschrieben. Die Ergebnisse zeigen fast eine augenblickliche Reaktion des Sandtransports auf die augenblickliche Horizontalwindgeschwindigkeit. Eine neue Methode zur Bestimmung der Schwellenschubspannungsgeschwindigkeit wird vorgestellt. Die beobachteten Schwellenschubspannungsgeschwindigkeiten variierten zwischen 0,28 ms-1 und 0,36 ms-1.