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Modellierung des Wärmetransports

Die Modellierung des Wärmetransports im Boden erfolgt über die Wärmetransportgleichung, welche mit einem impliziten Lösungsschema einer Finiten-Differenzen-Darstellung gelöst wird.

Das für die hydrologische Modellierung besonders wichtige Gefrieren des Bodenwassers sowie das Auftauen gefrorener Böden wird detailliert mitmodelliert, indem die Energieänderung (Zufuhr, Abgabe), die nötig ist, um eine gewisse Temperaturänderung zu erreichen, im Bereich der Phasenübergänge eine Funktion verschiedener Parameter, u.a. der Porengrössenverteilnun, ist. In sehr feinporösen Böden existiert z.T. noch bei unter -10°C flüssiges Wasser, in anderen Böden schon kaum noch unterhalb von ca. -1 bis -2°C. Zwischen 0°C und z.B. -10°C ist das relative Verhältnis von Wasser und Eis fliessend, es gibt keine fixe Temperatur, an welcher plötklich alles Wasser zu Eis wird un umgekehrt. Diese komplexen Zusammenhänge werden im Modell detailliert modelliert und erlauben so eine detaillierte Prozessanalyse.

Der Boden wird dabei in dieselben Schichten unterteilt, wie sie in der Modellierung der Wasserflüsse im Richardsmodell genutzt werden (tatsächlich erfolgt die Modellierung des Wärmetransports auch im Bodenmodell)

Die Lösung der Wärmetransportgleichung kann entweder nur für die Diffusion oder aber auch für Diffusion und Advektion erfolgen (Programmparameter in der Steuerdatei). Wenn Advektion mit berücksichtigt wird, dann wird die Wärmeenergie von Niederschlag und Schmelzwasser zusätzlich in den Boden eingetragen.

Da das implizit Lösungsschema implementiert wurde, ist das Modul relativ unempfindlich gegenüber zu langen Sub-Zeitschritten - es kommt nicht zu Oszillationen - dennoch sollte der automatisch ermittelbare interne Zeitschritt nicht manuell auf zu lange Mindestzeiten begrenzt werden.

Detaillierte Ausführungen zur Modellierung des Wärmetransports im Boden enthält die Modelldokumentation.

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04.11.2017

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