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Mountain-wave-induced rotors and low-level turbulence

new insights from remote-sensing observations and numerical simulations

Lukas Strauss

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Meteorologie)

Betreuer*in

Vanda Grubišić

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DOI

10.25365/thesis.38943

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29635.14273.205553-0

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Atmosphärische Rotoren zählen zu den turbulentesten Strömungsphänomenen im Gebirge. Rotoren werden im Allgemeinen als turbulente, bodennahe Wirbelwalzen an der windabgewandten Seite eines Gebirgsrückens beschrieben, welche zusammen mit Gebirgswellen großer Amplitude entstehen können. Durch mehrere große Messkampagnen und hochauflösende numerische Simulationen ist die Physik der Rotorbildung heute relativ gut geklärt. Die traditionelle, zeitlich gemittelte Beschreibung der Rotorströmung ist jedoch eine stark vereinfachende. In ihr unberücksichtigt sind die zeitliche Variabilität der Anströmbedingungen an der Luvseite eines Gebirges und die dynamischen und thermischen Eigenschaften der Atmosphäre an seiner Leeseite. Zudem sind quantitative Messungen der Turbulenzintensität und ihrer zeitlichen Veränderlichkeit im Rotorinneren rar. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es zum einen, eine Beobachtungsmethode zu entwickeln, die die quantitative Messung der räumlichen Verteilung und Intensität der Rotorturbulenz erlaubt, zum anderen, die zeitliche Veränderlichkeit der Rotorströmung und deren räumliche Struktur im komplexen Gelände besser zu verstehen. Zu diesem Zwecke werden Beobachtungen von Gebirgswellen und Rotoren analysiert und mittels numerischer Simulationen nachgestellt. Die Beobachtungsdaten stammen von zwei Feldkampagnen über den Medicine Bow Mountains in Wyoming und über der Sierra Nevada und dem Owens Valley in Kalifornien aus dem Jahr 2006. Flugzeuggetragene in situ- und Dopplerradar-Messungen über den Medicine Bow Mountains erlauben einen detaillierten Einblick in die turbulente Rotorströmung. Eine Methode zur Bestimmung der Turbulenzintensität aus den Radardaten wird entwickelt und es wird gezeigt, dass quantitative Aussagen über die bodennahe Turbulenz innerhalb akzeptabler Unsicherheitsgrenzen möglich sind. Die Ergebnisse ermöglichen eine unmittelbare, zweidimensionale Darstellung der Turbulenzintensität im Rotorinneren. Numerische Simulationen zweier Fälle von Rotorbildung im Lee der Medicine Bow Mountains zeigen, dass die beobachtete rasche zeitliche Entwicklung der Rotoren durch das kurzzeitige Brechen von hydrostatischen Gebirgswellen großer Amplitude verursacht wird. Das Einsetzen und Abklingen des Wellenbrechens ist eng verbunden mit dem Vorbeiziehen einer kurzwelligen synoptischen Störung, welche das luvseitige vertikale Wind- und Stabilitätsprofil verändert und zu einem Wechsel der leeseitigen Strömungsregime führt. Um atmosphärische Rotoren in verschiedenartiger Topografie besser zu verstehen, werden mehrere Fälle erhöhter Gebirgswellenaktivität und damit einhergehender bodennaher Turbulenz über der Sierra Nevada und im Owens Valley untersucht. Die Fallstudien werfen neues Licht auf die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Strömungen über den Gebirgsrücken und jenen entlang des Tales und zeigen damit den wesentlichen Einfluss der atmosphärischen Prozesse im Tal auf die Rotorströmung auf. Vier typische Szenarien der Turbulenzbildung werden aus den Beobachtungen gewonnen. Diese ermöglichen Erweiterungen des traditionellen Rotorbegriffs, welche für ein tiefes, langgezogenes Tal Gültigkeit besitzen. Die Arbeit trägt durch die neue flugzeuggetragene Beobachtungsmethode und die Entwicklung verfeinerter konzeptueller Modelle zur realistischeren Beschreibung der Rotorströmung bei. Sie zeigt auch die großen Herausforderungen bei der genauen Vorhersage von gebirgswelleninduzierter bodennaher Turbulenz auf, welche insbesondere für den Flugverkehr in Gebirgsnähe von großer Relevanz ist.

Abstract

(Englisch)

Atmospheric rotors are among the most vigorous phenomena related to the airflow over mountains. Rotors are traditionally described as turbulent low-level circulations, forming downwind of a mountain range in association with large-amplitude mountain waves. Today, the physical mechanisms of rotor formation are relatively well understood, owing to several observational programmes devoted to their study and high-resolution numerical simulations. The traditional, time-averaged description of the rotor circulation is, however, overly simplistic. It disregards the possibility of time-varying meteorological conditions upwind of the mountain range and the dynamic and thermal characteristics of the downwind environment. Also, quantitative measurements of turbulence intensity and its temporal evolution in the rotor interior are quite rare. The objectives of this work are, first, to develop an observational technique allowing a quantitative estimation of the spatial distribution and intensity of rotor turbulence, and second, to elucidate the origin of unsteadiness of the rotor flow and to understand better its spatial structure in complex topography. To this end, observations of mountain waves and rotors are analysed and reproduced with real-case numerical simulations. The observational data was collected during two field campaigns that were carried out in 2006, one over the Medicine Bow Mountains in southeastern Wyoming, the other over the southern Sierra Nevada and Owens Valley in California. Airborne in situ and Doppler radar measurements made over the Medicine Bow Mountains provide insight into the turbulent rotor flow in unprecedented detail. A method to derive turbulence intensity from the radar data is devised and it is shown that quantitative estimates of low-level turbulence can be obtained within reasonably small uncertainty bounds. The results of this analysis offer a quasi-instantaneous, two-dimensional depiction of turbulence intensity in the rotor interior. Numerical simulations of two cases of rotor formation in the lee of the Medicine Bow Mountains reveal that the observed rapid evolution of rotors is caused by the transient breaking of large-amplitude hydrostatic mountain waves. The onset and cessation of wave breaking are tightly linked to the passage of short-wave synoptic disturbances, modulating the vertical profiles of wind and stability upwind of the obstacle and causing a change in lee-side flow regimes. In order to broaden our understanding of atmospheric rotors in different topographic environments, several cases of enhanced mountain-wave activity and associated low-level turbulence over the Sierra Nevada and in Owens Valley are examined. Their analysis sheds new light on the complex interactions between cross-mountain and along-valley flows and points to substantial modifications of the rotor flow by atmospheric processes in the valley. Four typical scenarios of turbulence generation are distilled from the observations, representing extensions to the traditional rotor concept that are appropriate for a deep elongated valley. This work contributes to a more realistic description of the rotor flow by the new airborne observation approach and the design of refined conceptual models. It also points to the big challenges in the accurate forecasting of mountain-wave-induced low-level turbulence, which is of great relevance for aircraft navigating over mountainous terrain.

Autor*innen

Lukas Strauss

Haupttitel (Englisch)

Mountain-wave-induced rotors and low-level turbulence

Hauptuntertitel (Englisch)

new insights from remote-sensing observations and numerical simulations

Paralleltitel (Deutsch)

Gebirgswelleninduzierte Rotoren und bodennahe Turbulenz : neue Einblicke aus Fernerkundungsbeobachtungen und numerischen Simulationen

Publikationsjahr

2015

Umfangsangabe

215 Seiten : Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Branko Grisogono ,

Andreas Dörnbrack

Klassifikationen

38 Geowissenschaften > 38.80 Meteorologie: Allgemeines ,

38 Geowissenschaften > 38.81 Atmosphäre

AC Nummer

AC13063631

Utheses ID

34498

Studienkennzahl

UA | 791 | 415 | |

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Schlagwörter