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Titelaufnahme

Titel
The influence of valley geometry on daytime thermally driven flows and vertical exchange processes over mountainous terrain in idealised numerical simulations / by Johannes Sebastian Wagner
VerfasserWagner, Johannes Sebastian
Begutachter / BegutachterinZardi, Dino ; Schär, Christoph
GutachterGohm, Alexander ; Rotach, Mathias ; Schmidli, Jürg
Erschienen2014
UmfangVIII, 133 Bl. : zahlr. Ill., graph. Darst.
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2014
Anmerkung
Enth. u.a. 3 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2014
Datum der AbgabeOktober 2014
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Thermisch getriebene Strömungen / Atmosphärische Grenzschicht / Austauschprozesse / Komplexe Topographie / Idealisierte numerische Simulationen
Schlagwörter (EN)Thermally driven flows / Atmospheric boundary layer / Exchange processes / Complex terrain / Idealised numerical simulations
Schlagwörter (GND)Numerische Mathematik / Tal / LES <Strömung> / Luftaustausch
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-1675 Persistent Identifier (URN)
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The influence of valley geometry on daytime thermally driven flows and vertical exchange processes over mountainous terrain in idealised numerical simulations [28.19 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Arbeit untersucht den Einfluss der Geländegeometrie von Tälern auf thermisch induzierte Strömungen und damit verbundene Austauschprozesse über komplexer Topographie anhand von hoch aufgelösten numerischen Simulationen. Das Weather Research and Forecasting (WRF) Modell wird mit horizontalen Gitterauflösungen im Bereich einiger Kilometer bis hin zu 50 m im Large-Eddy Simulation (LES) Modus verwendet, um Hang- und Talwinde über idealisierter Topographie bei Tagesbedingungen mit ungestörter Hintergrundatmosphäere (Hochdruckeinfluss) zu simulieren. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht in der Mithilfe zur Entwicklung und Verbesserung von Grenzschicht-Parametrisierungen für grobskalige Wettermodelle, welche subgridskalige Effekte von thermisch getriebenen Strömungen über komplexer Topographie beinhalten.

In einem ersten Schritt werden fehlerhafte Strukturen in der Grenzschicht der Talatmosphäre ermittelt, die durch stark geglättete und unaufgelöste Modell-Topographien entstehen. Dafür wird die horizontale Gitterauflösung in numerischen Simulationen systematisch von 50 m (LES) auf 10 km erhöht. In der LES-Referenz Simulation entwickelt sich in einem 20 km breiten Tal eine Inversionsschicht, die die Talquerzirkulation in zwei übereinander liegende Zirkulationszellen unterteilt. Ähnliche Strukturen der Talatmosphäre entwickeln sich in Simulationen mit 1 oder 2 km horizontaler Gitterauflösung, in denen die Taltopographie noch voll aufgelöst wird. Große Unterschiede im Vergleich zu dem LES Referenz Fall treten dagegen in Simulationen mit Gitterweiten von mehr als 2 km auf. In diesen Simulationen wird die Taltopographie stark geglättet, wodurch die Ausbildung einer Talinversion verhindert wird und nur eine Talquerzirkulation entsteht. Der Extremfall eines vollständig unaufgelösten Tales führt zu einer konvektiven Grenzschicht über einer erhöhten Ebene ohne Entwicklung thermischer Strömungen. LES Simulationen über entsprechend geglätteten Tälern ergeben, dass Abweichungen in der Grenzschichtstruktur der Talatmosphäre in Simulationen mit grober horizontaler Auflösung durch unaufgelöste Topographie und nicht durch unaufgelöste Turbulenz bewirkt werden. Desweiteren wird gezeigt, dass Simulationen mit horizontaler Auflösung im Kilometerbereich durch Deaktivierung der horizontalen numerischen Diffusion verbessert werden können. Für eine wahrheitsgetreue Simulation der Talquerzirkulation und der thermischen Struktur der Talatmosphäre sind mindestens 10 bis 20 Gitterpunkte über die gesamte Talbreite erfoderlich.

In einem weiteren Schritt wird der Einfluss der Taltiefe, -breite und -länge auf die thermischen Strömungen in einem Tal mit vorgelagerter Ebene mithilfe von LES Simulationen mit 200 m Gitterauflösung untersucht. Diese Simulationen verwenden einen räumlich konstanten, jedoch zeitlich variablen sensiblen Oberflächenwärmefluss zum Antrieb der atmosphärischen Strömungen. Um so tiefer das Tal gewählt wird, desto stärker sind das Alpine Pumpen (Strömung von der Ebene zum Gebirge) und die sich entwickelnden Taleinwinde, sowie die Inversionsschicht innerhalb des Tales. Letztere bildet sich nicht in sehr flachen Tälern aus. Taleinwinde werden sehr schwach in breiten und kurzen Tälern. Der Transport von Partikeln aus der Grenzschicht über dem Gebirgsvorland und vom Talboden in große Höhen über die Gebirgskämme durch Hangwinde und in die freie Atmosphäre über dem Vorland durch eine ausgleichende Höhen-Gegenströmung wird in sehr tiefen und engen Tälern intensiviert. Dieser vertikale Austauschprozess kann über Tälern 3 bis 8 Mal stärker sein, als der vertikale Transport durch reine turbulente Durchmischung über einer flachen Ebene.

Weitere Untersuchungen konzentrieren sich auf die Auswirkungen von Inhomogenitäten der Talgeometrie entlang der Talachse auf die sich entwickelnden thermischen Strömungen. Dabei wird in geraden Tälern systematisch der Talboden geneigt, sowie der Talquerschnitt entlang der Talachse verkleinert. Taleinwinde in Tälern mit einer Neigung des Talbodens von 0.86 werden deutlich um ca. 100% aufgrund des verkleinerten Talvolumens (Volumenseffekt) und um ca. 62% durch zusätzliche Hangauftriebskräfte verstärkt. Eine Verengung des Talquerschnitts um 20 km auf einer Strecke von 100 km entlang der Talachse führt zu einer Verstärkung der Taleinwinde von 75% im Vergleich zu einem gleichbleibenden geraden Tal. Vertikale Massenflüsse auf Kammniveau aus dem Tal heraus werden um 57 bis 84% durch Talverengung und um 22 bis 32% durch reduziertes Talvolumen (beispielsweise bedingt durch ansteigende Talböden) verstärkt. Stärkere Taleinwinde in Fällen mit geneigten Talböden und sich verengenden Talquerschnitten bewirken einen erhöhten horizontalen Transport von Partikeln über dem Gebirgsvorland in das Tal hinein. Dieser verstärkte Transport von Partikeln in das Tal reduziert schlussendlich die Zahl der Partikel, die durch die Höhen-Rückströmung zurück über das Vorland transportiert werden.

Zusammenfassung (Englisch)

In this thesis the impact of valley terrain geometry on thermally driven flows and related exchange processes is investigated by means of high resolution numerical simulations. The Weather Research and Forecasting (WRF) model is applied in both kilometre-scale and large-eddy simulation (LES) mode to generate slope, valley and plain-to-mountain winds over idealised valley topographies under daytime and fair weather conditions. The overall goal of this thesis is to contribute to the prospective development and improvement of boundary layer parameterization schemes for coarse resolution models by including subgrid-scale effects of thermally driven flows.

In a first step the model error in the developing valley boundary layer structure due to strongly smoothed and unresolved model topography is evaluated by systematically increasing the horizontal model grid spacing. In a 20 km wide valley with constant heating from the surface, upslope winds develop, which are separated into two vertically stacked cross-valley circulation cells by a valley inversion layer in the LES reference case (dx = 50 m). Very similar structures with slightly weaker valley inversions evolve in runs with 1 and 2 km horizontal grid spacing, when the valley topography is still fully resolved. Strong differences compared to the LES case appear for horizontal mesh sizes larger than 2 km. In these strongly smoothed valleys no valley inversion and only one cross-valley circulation cell develop. In the extreme case of a completely unresolved valley a convective boundary layer over an elevated flat plain without any directed flows is generated. Additional LES runs over correspondingly smoothed valleys indicate that model errors of coarse resolution models occur due to unresolved topography and not due to unresolved turbulence. It is also demonstrated that kilometre-scale simulations can be improved by deactivating horizontal model diffusion. In summary, 10 to 20 grid points are required in cross-valley direction to properly simulate the cross-valley flow structure in a valley.

In a next step the impact of valley depth, width and length on the flow structure over a valley-plain topography is studied by means of simulations with 200m horizontal grid spacing in LES mode. In these simulations a spatially constant but time dependent surface heat flux forcing is applied. The deeper the valley, the stronger are plain-to-mountain and upvalley winds and the stronger is the developing valley inversion layer. The latter is missing in very shallow valleys. Along-valley flows become very weak for short and wide valleys. Transport processes from the boundary layer over the foreland and the valley floor to high altitudes over the mountain crests and into the free atmosphere over the foreland by a mountain-to-plain return flow are intensified by deep and narrow valleys. This vertical exchange over valley topographies can be between 3 to 8 times larger compared to the vertical transport by pure turbulent mixing over a flat plain.

Further investigations focus on the role of along-valley terrain heterogeneity on the developing thermally driven flows. Straight valleys are systematically varied by tilting the valley floor and narrowing the valley cross section in along-valley direction. Upvalley winds in valleys with inclined valley floors of 0.86 are significantly increased by about 100% due to smaller valley volumes (valley volume effect) and by about 62% due to additional upslope buoyancy effects. Along-valley winds are enforced by about 75%, if the valley cross section is narrowed by 20 km per 100 km along-valley distance. Vertical mass fluxes out of the valley at mountain crest height are increased by about 57% to 84% in narrowing valleys and by 22 to 32% by reducing the valley volume (e.g., inclining the valley floor). Stronger upvalley winds cause intensified horizontal transport of parcels from the foreland into the valley in cases with inclined valley floors and narrowing valley cross sections. The deeper transport into the valley reduces the transport of parcels back towards the foreland by the mountain-to-plain return flow.