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A simulation of an undular Bore over the Gulf of Mexico
Daniel Leukauf
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Betreuer*in
Vanda Grubišić
DOI
10.25365/thesis.21947
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30173.66075.143866-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Der „undular Bore“ der am 27. April 2011 über dem Golf von Mexiko beobachtet wurde ist nicht der einzige bekannte Fall dieser Art. Vielmehr kommt dieses Phänomen über dem Golf mit einer gewissen Regelmäßigkeit im Frühjahr vor. Im Archiv des CIMSS Satelliten Blogs finden sich fünf verschiedene Beobachtungen aus den Jahren 1997, 1998, 2007, 2008 und 2011, mit Boren die im März oder April auftraten. In anderen Gegenden treten solche Wellen ebenfalls auf, wobei die Morning Glory Cloud über dem australischen Golf von Carpentaria wohl am bekanntesten ist.
Im Prinzip kann ein undular Bore als ein schwacher hydraulischer Sprung betrachtet werden, wobei im Gegensatz zu einem starken kein Wellenbrechen mit einhergehender ausgeprägter Dissipation entsteht, sondern ein stabiler Wellenzug generiert wird. Bei den dabei entstehenden Wellen handelt es sich um solitäre Wellen, einem Typ nichtlinearer Schwerewellen, die sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreiten ohne ihre Gestalt zu verändern.
Die theoretische Beschreibung von solitären Wellen geht auf die Korteweg- und de Vries (KdV) Gleichung zurück, die zunächst für Flachwasserwellen hergeleitet wurde. Eine so- litäre Welle ist hierbei eine Welle die durch ein Gleichgewicht des nichtlinearen und des dispersiven Terms stabil bleibt und sich mit konstanter Geschwindigkeit ausbreitet. Auf Brooke Benjamin, Russ Davis, Andreas Acrivos und Hiroaki Ono geht hierbei eine Erwei- terung auf interne Schwerewellen in einem Kanal, die BDO-Gleichung, zurück. Dabei dient eine starke Inversion als Wellenführung und solitäre Wellen können im unteren Teil der Atmosphäre entstehen. Als Auslösemechanismus dient in vielen Fällen der kalte Ausfluss von Gewittern der sich als „density current“, also Dichteströmung, am Boden ausbreitet und bei Kollision mit einem Seewind oben beschriebenen Wellen ausbildet. Alternativ zu einzelnen konvektiven Zellen lösen auch Kaltfronten Boren aus und auch die Kollision von zwei Seewindsystemen wurde als Auslösemechanismus bereits beobachtet.
Die Simulation des vorliegenden Falls mit dem Wheater Reseach and Forecasting Modell hat zum Ziel die Evolution der Bore über dem Meer zu simulieren und die Wellen mit Theorie und Satellitenbildern zu vergleichen. Darüber hinaus kann der Entstehungspro- zess, von dem keine Satellitenbilder vorliegen, untersucht werden. Die geringe Wellenlänge macht einen horizontalen Gitterpunktsabstand von 1 km notwendig, was bei der beträcht- lichen räumlichen Ausdehnung der Bore (etwa 800 km lang, 70 km breit) zu relativ großen Domänen führt. Ein Schlüsselaspekt ist die Ausbildung der Inversion an denen sich die Wellen ausbreiten, und so ist eine erhöhte vertikale Auflösung in den unteren 1,5 km von Vorteil. Zum Schluss der Arbeit werden die Ergebnisse der Modellsimulation mit den theoretischen Vorhersagen der BDO Theorie verglichen.
Abstract
(Englisch)
The undular bore observed on 27th of April 2012 is not the only known case like this. In fact, this phenomenon develops over the Gulf of Mexico in the spring quite regularly. The CIMMS Satellite Blogs archive holds at least five different observations of the years 1997, 1998, 2007, 2008 and 2011, where the bores appeared either in March or April. There are undular bores in other areas of the world as well, among them the well known Morning Glory Cloud which appears over the australian Gulf of Carpentaria.
In principle is an undular is bore a weak hydraulic jump which causes a train of sta- ble waves, in contrast to a strong hydraulic jump where wave breaking and intensive dissipation occurs. These waves are so called solitary waves, a type of nonlinear gravity waves that propagate at constant speed without change of shape.
The theory of solitary waves has its roots in the Korteweg- and de Vries (KdV) equa- tion, originally derived for shallow water waves in a narrow channel. Such a wave keeps its shape since the nonlinear term is in perfect balance with the dispersive term of the KdV and it propagates with constant phase velocity. Brooke Benjamin, Russ Davies, Andreas Acrivos and Hiroaki Ono derived an equivalent of the KdV, the BDO equation, valid for internal gravity waves traveling in a wave guide. For the atmosphere, a strong low level inversion acts as a wave guide, and solitary waves may travel inside. In many cases, the trigger for the bore is the cold outflow of a thunderstorm, a density current, ad- vancing at the ground. When colliding with a sea wind, the described waves are excited. Alternatively, cold fronts or the collision of two sea wind systems can trigger bores.
The simulation of the present case using the Wheater Reseach and Forecasting model aims to get a better understanding of the evolution of the bore over the ocean and to compare the waves with theory and satellite images. Beyond that, the process responsi- ble for the creation of the bore, for which no satellite images are available, can be studied and information of the evolution of the bore when entering the sea area is obtained. The small wavelength of the bore requires a horizontal resolution of 1 km and the combination with the quite large spatial dimensions of the bore (800 km long, 70 km wide) leads to rel- atively big domains. A key aspect is the correct simulation of the inversion which guides the waves, wherefore a higher vertical resolution in the lowest 1.5 km is an advantage.
Finally, a comparison of model results with present BDO theory will be carried out.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
undular Bore boundary layer nonlinear wave soliton solitary wave Gulf of Mexico
Schlagwörter
(Deutsch)
verwellte Bore Grenzschicht nichtlinear Welle Soliton solitäre Welle Golf von Mexiko
Autor*innen
Daniel Leukauf
Haupttitel (Englisch)
A simulation of an undular Bore over the Gulf of Mexico
Paralleltitel (Deutsch)
Eine Simulation einer verwellten Bore über dem Golf von Mexiko
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
73 : Ill., graf. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Vanda Grubišić
AC Nummer
AC10669569
Utheses ID
19604
Studienkennzahl
UA | 066 | 614 | |