Bilder meteorologischer Größen aus der turbulenten Bodenschicht der Atmosphäre

Die gesamte von der Sonne gelieferte Energie, die den Boden der Atmosphäre erreicht, wird an dieser vielgestaltigen Bodenoberfläche absorbiert. Von hier aus wird die unterste Schicht der Atmosphäre mit Wärme versorgt. Wie über einer Heizplatte entstehen dabei Auftriebsgebiete in denen erwärme Luft in die Höhe steigt, und Abstiegsgebiete, in denen aus höheren Schichten der Atmosphäre kalte Luft die warme am Boden ersetzt. Zwischen Auf- und Abtriebsgebieten entwickeln sich horizontale Ausgleichsbewegungen, deren geringe Bewegungsgeschwindigkeiten oft durch großräumige Windsysteme überlagert werden. Aber auch die unterschiedliche Gestalt der Unterlage kann zu einem auf und ab der Luftbewegungen führen. Letztlich wird so für einen Energieaustausch zwischen der warme Erdoberfläche und der darüber gelagerten kalten Luft gesorgt. Hält man ein empfindliches Messgerät in diese Strömung, dann würde man am Messgerät ein ziemlich unregelmäßiges Verhalten solcher meteorologischer Größen wie der Windgeschwindigkeit oder der Lufttemperatur beobachten. Eine solche Unregelmäßigkeit dieser Luftbewegungen wird als Turbulenz bezeichnet und der dadurch induzierte Energietransport führt zur Herausbildung einer konvektiven turbulenten Grenzschicht.

Man versucht, der Vielgestaltigkeit dieser kleinräumigen Bewegungen mit statistischen Größen, wie Mittelwerte, Varianzen und Kovarianzen eine gewisse Ordnung zu geben. Solche Theorien, die den turbulenten Energieaustausch mit statistischen Mitteln beschreiben, wurden in vielen Naturexperimenten überprüft. Sie haben ihre Leistungsfähigkeit bei der Modellierung des turbulenten Energieaustausches innerhalb von numerischen Wetterprognosemodellen unter Beweis gestellt. Schaut man den turbulenten Energietransport etwas genauer an, dann kann die den Energieaustausch bewerkstelligende Turbulenz in die Überlagerung einer Vielzahl unterschiedlich großer Wirbelstrukturen aufgelöst werden. Es macht jedoch keinen Sinn, jeden einzelnen dieser die Energie transportierenden Wirbel in einem Wettermodell zu berücksichtigen, wenn man z.B. das Ziel hat den Energieumsatz zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre über einem ganzen Kontinent zu berechnen. Schränkt man die Größe des Zielgebietes ein, dann kann jedoch ein Verfahren sinnvoll sein, das möglichst viele dieser energietragenden Strukturen direkt berechnen kann. Früher unmöglich, sind solche Berechnungsverfahren heute durch die enorme Erhöhung der Rechnerleistungen Stand der Dinge. Solche numerische Verfahren, sind in der Meteorologie als Large Eddy Simulationen bekannt. Large Eddy Simulationen zeigen diese oben beschrieben faszinierenden Strukturen, diesen Wechsel an Auf- und Abwindgebieten innerhalb einer konvektiven Grenzschicht der Atmosphäre, die man sich so leicht vorstellen kann, die aber in der Natur nur schwer zu beobachten sind.