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Titelaufnahme

Titel
Quantifying exchange processes over mountainous terrain : sensitivity of bulk fluxes to atmospheric background condtions and surface heating / by Daniel Leukauf
VerfasserLeukauf, Daniel
Begutachter / BegutachterinnenZardi, Dino ; Jürg, Schmidli
Betreuer / BetreuerinnenGohm, Alexander ; Rotach, Mathias W. ; Simon, Vosper
ErschienenInnsbruck, November 2016
Umfang143 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Dissertation, 2016
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2016
Datum der AbgabeDezember 2016
SpracheEnglisch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Thermisch getriebene Strömungen / Komplexes Gelände / Austauschprozesse / Hangwind / Grenzschichtmeteorologie / Large-eddy-Simulation
Schlagwörter (EN)Thermally driven flows / Complex terrain / Exchange processes / Slope winds / Boundary-layer meteorology / Large-eddy-simulation / Thermally driven flows - Complex terrain - Exchange processes - Slope winds - Boundary-layer meteorology - Large-eddy-simulation
Projekt-/ReportnummerP23918-N21
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5950 Persistent Identifier (URN)
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Quantifying exchange processes over mountainous terrain [14.03 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Der Einfluss des fühlbaren Wärmestroms am Boden und der atmosphärischen Stabilität auf thermisch getriebene Winde wird in dieser Arbeit mittels idealisierten, hoch aufgelösten numerischen Simulationen untersucht. Dabei wird das Wettervorhersage- und Forschungsmodell WRF verwendet. Mit diesem Modell werden sogenannte large-eddy-simulations (LES) durchgeführt, deren horizontale Maschenweite klein genug ist um die Entstehung und Entwicklung von thermisch getriebenen Strömungen wie Hangwinde und Konvektion aufzulösen. Topographie, fühlbarer Wärmestrom am Boden und atmosphärische Stabilität sind idealisiert um die Anzahl der freien Variablen zu reduzieren. Zu Beginn ist die Atmosphäre in Ruhe und ist durch eine konstante Stabilität gekennzeichnet. Der Strahlungsantrieb bzw. der fühlbare Wärmestrom am Boden wurden mittels einer Sinusfunktion dargestellt. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin den vertikalen Wärme- und Schadstofftransport durch Hangwinde besser zu verstehen. Dieses Wissen könnte in Zukunft für die Entwicklung einer Parametrisierung dieser Transportprozesse für globale Wettervorhersage und Klimamodelle von Nutzen sein.

Die erste Studie behandelt den Einfluss der Sonnenstrahlung auf die Entwicklung der Grenzschicht in einem Tal. Der netto kurzwellige Strahlungsfluss wurde mit einer Sinusfunktion parametrisiert und deren Amplitude wurde zwischen 150 und 850 W m-2 variiert. Währen der ersten 24 Stunden konnte sich eine konvektive Grenzschicht und in der Nacht ein Kaltluftsee im Tal entwickeln. Die Entwicklung der Talatmosphäre während des nächsten Tages wurde untersucht und sechs verschiedene Strömungsregime konnten identifiziert werden. Die Strahlungsamplitude bestimmt wie schnell sich die Talatmosphäre entwickelt. Die geringste Strahlungsamplitude mit welcher eine komplette Durchmischung der Talatmosphäre erreicht werden kann beträgt 450 W m-2. Währen des Tages werden zwischen 10 und 57 % der am Boden abgegebenen Wärme aus dem Tal exportiert, abhängig von der Strahlungsamplitude.

Die Talatmosphäre kann währen des Tages in drei verschiedene Volumina eingeteilt werden: eine konvektive Grenzschicht, die Hangwindschicht und ein stabiler Kern in der Mitte des Tals. In der zweiten Studie werden Austauschprozesse zwischen diesen Volumina sowie mit der Atmosphäre über dem Tal anhand eines Tracers quantifiziert. Der Tracer wird am Boden des Tales mit einer konstanten Rate emittiert und der fühlbare Wärmestrom am Boden ist mit einer Sinusfunktion vorgegeben. Sowohl die Amplitude dieser Sinusfunktion als auch die Stabilität der Atmosphäre werden variiert. In allen Simulationen gelangt ein Großteil des Tracers in die Hangwindschicht, doch ob dieser auch aus dem Tal exportiert wird hängt stark von der Stabilität der Atmosphäre und der Amplitude der Heizrate ab. Eine starke Heizrate oder eine schwache Stabilität führen zu einem großen vertikalen Export der Tracermasse. Ist die Heizrate hingegen schwach oder die Stabilität der Atmosphäre zu stark dann wird ein Teil der Hangwindschicht Richtung Talmitte umgelenkt und es kommt zur Rezirkulation von Tracermasse innerhalb des Tals. Ein sogenannter "Breakup Parameter" B wird eingeführt um den kombinierten Effekt von Heizrate und initialer Stabilität zu beschreiben. Der totale Export von Tracermasse fällt exponentiell mit steigendem B ab.

Es wurde erwartet, dass der Vertikaltransport von Wärme in ähnlicher Weise von B abhängt wie der Vertikaltransport von Tracermasse. Daher wurde in einer dritten Studie untersucht ob so ein Zusammenhang in der Tat existiert und ob es Abweichungen von dieser exponentiellen Kurve gibt. Die Simulationen ergeben dass der Vertikaltransport von Wärme in ähnlicherer Weise von B abhängt wie der Vertikaltransport von Tracermasse, allerdings fällt die Kurve steiler ab. Verändert man die Breite des Tals oder die Kammhöhe ändert nichts am gefundenen Zusammenhang. Befindet sich jedoch eine neutrale Schicht im obersten Drittel des Tals, so verringert sich der vertikale Export von Wärme. Ragt diese neutrale Schicht auch über die Kammhöhe hinaus, so fällt der Wärmeexport schwächer mit B ab und bis zu 17 % der am Boden emittierten Wärme kann für B=3 exportiert werden. Berge mit abgerundeten Gipfeln führen zu einem Wärmeexport von bis zu 10 % der am Boden emittierten Wärme für B>1 währen praktisch kein Wärmeexport für gerade Hänge möglich ist. Der mittlere Wärmeexport über einem 3-dimensionelen Tal ist praktisch ident zu jenem über einem quasi-2D Tal.

Zusammenfassung (Englisch)

The impact of surface heating and the atmospheric stability on thermally driven flows is investigated in this thesis by means of idealized, high-resolution numerical simulations using the Weather and Research Forecasting (WRF) model. This model is applied to perform large-eddy simulations (LES) with horizontal mesh-sizes small enough to allow the development of thermally driven flow features like convection and slope flows. Topography, surface heating, and stratification are idealized to reduce the number of independent variables. Simulations are therefore initialized with an atmosphere at rest having a constant stratification and the surface heating is prescribed using a sine function. The main focus lies on the vertical transport of heat and pollutants between the valley atmosphere and the atmosphere aloft. The overall goal of this thesis is to contribute to the development of a boundary layer scheme that parametrizes unresolved exchange processes, which are caused by the thermally driven wind circulation in valleys.

The first study focuses on the impact of the surface heating on on the breakup process of a stable valley atmosphere in an idealized valley. The net short-wave radiative flux at the surface is predefined using a sine function whose amplitude is varied between 150 and 850 W m-2. A spin-up time of 24 hours allowed the development of a convective boundary layer during the day and a cold-air pool with a residual layer during the subsequent night. The daytime development of the second day was investigated and six different flow regimes were found. The forcing amplitude determines how fast the transition from one regime to the next takes place. The lowest amplitude that still allows a breakup of the initial cold-air pool is 450 W m-2. Over the course of the day, between 10 and 57 % of the heat from the surface is exported at crest height, depending on the forcing amplitude.

During the daytime evolution of the valley atmosphere, one can split the valley in three distinct volumes within he valley: the convective boundary layer, the slope wind layer and the stable core in the center of the valley above the convective boundary layer. The second study quantifies the exchange between these volumes using a passive tracer which is released at the valley bottom at a constant rate. The surface sensible heat flux is prescribed with a sine function. Both forcing amplitude and initial stability are varied. In all simulations, the majority of the tracer mass enters the slope wind layer from below, but whether the tracer leaves the valley or not depends strongly on forcing and stability. A strong forcing or a weak stratification lead to a strong vertical export. In contrast, if the forcing is weak or initial stratification strong, a part of the slope wind layer is redirected towards the stable core. A breakup parameter B is introduced that describes the combined effects of forcing amplitude and initial stability on the total export of tracer mass over the course of the day. The total export of tracer mass decreases exponentially with increasing breakup parameter.

Since it was expected that the export of heat depends on exponentially on B as well, a third study was conducted to investigate such a relation and possible limitations. The reference simulations show an exponential decrease of the vertical export of heat with B. This is similar to the dependency of the tracer mass export on B, but the exponential curve is steeper in the case of exported heat. Changing the valley width or the crest height does not affect this dependency. The presence of a residual layer leads to an increase or decrease of the vertical export, depending on the height and depth of this layer. A residual layer occupying only the upper third of the valley leads to a faster decrease of the vertical export of heat with B. However, if the atmosphere above the valley is occupied by the residual layer as well, the export of heat decreases more slowly with B and up to 17 % of the provided heat is exported for values of B as large as 3. Cosine-shaped slopes, which result in mountains that are characterized by rounded crests, lead to a 10 % export of the provided heat for B>1 in contrast to almost

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