Turbulenzerscheinungen in einem Tal durch Rotorbildung und Wechselwirkung zwischen Föhnsturm und Talwind

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Josef Kaiser
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Meteorologie und Geophysik, Universität Wien 2 MeteoServe

1 durch Rotorbildung und Wechselwirkung zwischen Föhnsturm und Talwind 1,2, Stefano Serafin 1, Vanda Grubišid 1,3 1 Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Wien 2 MeteoServe Wetterdienst GmbH, Wien 3 Earth Observing Laboratory, NCAR, Boulder, Colorado 1

2 ÜBERBLICK Gebirgswellen und bodennahe Turbulenz Feldexperiment in der Sierra Nevada, Kalifornien Einfluss der Talatmosphäre auf Turbulenzentwicklung Relevanz und Ausblick 2

3 GEBIRGSWELLEN Kapstadt, Südafrika Ross Cooper 3

4 GEBIRGSWELLEN Granada, Spanien Raquel Mohedano 4

5 GEBIRGSWELLEN Owens Valley, California, 1952 Unknown 5

6 GEBIRGSWELLEN Carson City, Nevada Brian Hightower 6

7 GEBIRGSWELLEN-INDUZIERTE TURBULENZ Leewellen Wellenbrechen 7

KONZEPTUELLES MODELL Bodennahe Turbulenzzone 1 1 2 Leewellen Grenzschichtablösung 4 4 3 Rotorzirkulation 2 3 4 Starke Turbulenz Lester and

8 KONZEPTUELLES MODELL Bodennahe Turbulenzzone Leewellen Grenzschichtablösung Rotorzirkulation Starke Turbulenz Lester and Fingerhut (1974) Turbulenzstrukturen in einem Tal? Stabile Schichtung Hang- und Talwindsysteme Kanalisierung Veränderung der Leewellen durch zweiten Berg 8

9 BEOBACHTUNGSDATEN Vereinigte Staaten Terrain-induced Rotor Experiment (T-REX) März-April 2006 Owens Valley 9

10 ZIEL DIESER ARBEIT T-REX: 15 Intensive Observation Periods (IOPs) Systematischer Vergleich der stärksten T-REX-Fälle Einfluss der Talatmosphäre auf die Turbulenzverteilung Daten 32 Messstationen Lidars NCAR MISS UW King Air Foto von Greg McCurdy Foto von Andreas Dörnbrack Fotos von Bill Brown und Vanda Grubišid 10

11 FALL 1 Grenzschichtablösung an einer Talinversion T-REX IOP 13 Sierra Nevada Owens Valley Inyo Mountains 11

12 FALL 1 Grenzschichtablösung an einer Talinversion Dopplergeschwindigkeit KH-Wellen!? Spektrale Breite 12

13 FALL 2 Zeitlich variable Wellen und Rotoren 0 min T-REX IOP 6 Starker Föhnsturm 50 min Hohe zeitliche Variabilität Kurzlebigkeit Dreidimensionalität 13

14 FALL 1 Grenzschichtablösung an einer Talinversion Idealisiertes Schaubild Schwerewellen Turbulenz Stabil geschichtete Talatmosphäre 14

15 FALL 2 Zeitlich variable Wellen und Rotoren Idealisiertes Schaubild Schwerewellen Turbulenz Zeitliche Variabilität 15

16 IDEALISIERTE SCHAUBILDER Fall 1 Fall 2 16

17 ALPEN?! Daten von flugzeuggetragenem Lidar Südföhn-Ereignis am 20. Oktober 1999 (MAP IOP 8) I n n t a l Gohm and Mayr (2004), Fig. 15a 17

18 WORK IN PROGRESS WRF-Modellierung Stefano Serafin,, et al. Innerste Domäne mit 400 m Gitterweite 25 m vertikale Auflösung bodennah ECMWF-Anfangs- und Randdaten Rayleigh-Dämpfung, MYJ, Thompson Sierra Nevada Owens Valley 18

19 ZUSAMMENFASSUNG Die Arbeit zeigt verschiedenartige turbulente Strukturen in einem Tal auf, die stark von den Eigenschaften der Talatmosphäre beeinflusst sind, z.b. thermische Schichtung kanalisierte Winde entlang der Talachse Erweiterte konzeptuelle Modelle von Rotoren und damit einhergehender Turbulenz wurden aus dem reichhaltigen T-REX- Datensatz abgeleitet. Strauss, L., S. Serafin, and V. Grubišid, 2015: Atmospheric rotors and severe turbulence in a deep elongated valley. J. Atmos. Sci., in Begutachtung. Die umfassende Analyse der Beobachtungsdaten stellt den Startpunkt für numerische Modellierung dar. Können hochauflösende Simulationen das Zusammenspiel aller beteiligten Prozesse erfassen? 19

20 Sierra Wave, Owens Valley, Kalifornien. Ian Parker, Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 20

21 Extra material 21

22 Model setup Three nested domains 10 km, 2 km, 400 m horizontal grid spacings ~25 m vertical spacing at the ground, vertical stretching towards the domain top (10 hpa, or ~28 km) Initial and boundary conditions ECMWF analyses, 6-hourly intervals Simulation start: 1200 UTC 15 April 2006 Rayleigh damping for vertical velocity in the top 12 km of the model domain PBL vertical sub-grid-scale fluxes: Mellor-Yamada-Janjić scheme Microphysics: Thompson scheme Convection: Grell 3D ensemble scheme in domain 1 22

23 23

24 24

25 NUMERICAL SIMULATIONS 2D 3D LEE WAVES η [1/s] 4 4 subrotors η [1/s] R BLS Doyle und Durran (2002) Doyle und Durran (2007) Rotors are a gravity-wave boundary-layer phenomenon. 4 severe turbulence 25

26 h m /A d steepness Nh m /U nonlinearity h m /A d Baines (1995) Baines & Hoinka (1985) h m A d N U mountain height leeside mountain width stability wind Nh m /U 26

27 Vosper (2004) 27

28 Adopted from Smith (1989) 28

29 Photo by Andreas Dörnbrack, Martin Weissmann and Lisa Darby 29

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