Free convection and turbulent fluxes over complex terrain

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Eigenmann, Rafael:
Free convection and turbulent fluxes over complex terrain.
Bayreuth , 2013
( Dissertation, 2013 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

The impact of complex terrain on the land-atmosphere exchange is investigated in this thesis. Here, free convection, a very effective vertical transport mechanism as turbulence is predominantly driven by buoyant forces, is explicitly addressed. Recently, it was shown for certain situations over complex terrain that free convective injections of surface layer air masses into the atmospheric boundary layer (ABL) can alter the ABL properties significantly. This study aims at the general identification and description of such situations of near-ground free convection conditions (FCCs) over complex terrain. For this purpose, data obtained during the COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study) field campaign in summer 2007 were used. Within this project, several surface flux measurement stations were installed, mainly in valleys and on mountaintops of the Black Forest, southwestern Germany. Turbulent fluxes were calculated with the eddy-covariance (EC) method and were used to detect FCCs with the help of a stability parameter. The flux measurements were further combined with ABL profiling measurements (Sodar/RASS) and a large-eddy simulation (LES) model in order to investigate the impact of FCCs on ABL properties. The effect of complex terrain on the energy balance closure and on spatial and temporal flux differences was also studied with these flux data. FCCs were detected on about 25% of the days during the three month COPS experiment. In situations of weak synoptic forcing, thermally driven orographic (e.g. valley winds) or local wind systems developed over the complex terrain due to heating differences. During the adaption of these wind systems to changing heating differences (e.g. during the reversal of the valley wind from down- to up-valley winds in the morning), the horizontal wind vanished. If, at the same time, the buoyancy flux was positive and enhanced, buoyant forces exceeded the usually prevailing shear forces in the surface layer and FCCs were detected. Moreover, it was demonstrated that FCCs are not restricted to the COPS region. Also, a data set of Nam Co station on the Tibetan Plateau showed FCCs during the reversal of a thermally driven land-lake breeze. However, at this high-altitude site, FCCs were more often detected in the afternoon compared to the COPS region due to the frequent change of heating differences during cloud cover periods. The Sodar/RASS as well as the LES model showed the presence of coherent updraft structures in the developing early-morning convective boundary layer (CBL) in the Kinzig valley (Black Forest) during FCCs. Spectral analysis of the EC data in these situations indicated the existence of large-eddy turbulent scales – typical for thermal updrafts in the CBL – already close to the ground. An ensemble and time mean analysis of the simulated flow field in the valley further confirmed that the Sodar/RASS was located preferably in an updraft region during FCCs. In a CBL over flat homogeneous terrain, the locations of convective structures would occur randomly. However, over the complex orography of the Kinzig valley, the updraft structures were found to develop in quasi-stationary patterns at specific locations relative to the surrounding mountain ridges. The model further showed that the flux through the valley boundary layer is mainly determined by the flux within these coherent updrafts. In combination with the Sodar/RASS observations, the model also showed that these updrafts deeply penetrated into the stably stratified valley boundary layer up to approximately the height of the surrounding mountains leading to an effective upward counter-gradient transport of surface layer air mass properties during FCCs. The analysis of the turbulent fluxes at the different COPS sites showed that the flux values were strongly determined by varying land surface characteristics. Also an increase of the Bowen ratio with increasing altitude could be detected. These findings are in accordance with former studies in this area. As expected, the energy balance was found to be unclosed on average during the entire COPS period, with values of the residual typical for heterogeneous landscapes. However, regarding only the periods with FCCs, no residual occurred on average. This is due to the fact that the landscape heterogeneity is of minor importance in case of the more vertical oriented exchange regime during FCCs, so that missing advective flux components became strongly reduced in these situations. Moreover, it was found that in comparable periods with no FCCs, flux components were missing with exactly the proportions of the buoyancy flux ratio, thus suggesting a correction of the energy balance according to the buoyancy flux ratio approach. These results support recent publications on the energy balance closure problem.

Abstract in weiterer Sprache

In der vorliegenden Arbeit wird die Auswirkung von komplexem Gelände auf den Austausch zwischen Land und Atmosphäre untersucht. Hierbei wird freie Konvektion, ein sehr effektiver vertikaler Transportmechanismus, da die Turbulenz hauptsächlich durch Auftriebskräfte gesteuert wird, ausführlich behandelt. Kürzlich wurde für bestimmte Situationen in komplexem Gelände gezeigt, dass der Eintrag bodennaher Luftmassen durch freie Konvektion in die atmosphärische Grenzschicht (ABL) zu einer erheblichen Änderung derer Eigenschaften führen kann. Diese Arbeit strebt eine generelle Identifizierung und Beschreibung solcher bodennaher Bedingungen freier Konvektion (FCCs) an. Dazu wurden Daten der COPS (Convective and Orographically induced Precipitation Study) Feldkampagne des Sommers 2007 verwendet. Im Rahmen dieses Projektes wurden mehrere Flussmessstationen, überwiegend in Tälern und auf Gipfeln des Schwarzwaldes in Süddeutschland, aufgebaut. Turbulente Flüsse wurden mit der Eddy-Kovarianz (EC) Methode berechnet und genutzt, um mit einem Stabilitätsparameter FCCs zu detektieren. Die Flussmessungen wurden überdies mit ABL Profilmessungen (Sodar/RASS) und einer Grobstruktursimulation (LES) verbunden, um die Auswirkung von FCCs auf die ABL zu untersuchen. Der Effekt komplexen Geländes auf die Energiebilanzschließung und auf räumliche sowie zeitliche Flussunterschiede wurde mit Hilfe dieser Flussdaten ebenfalls analysiert. FCCs wurden an etwa 25% der Tage des dreimonatigen COPS Experimentes festgestellt. In Situationen schwachen synoptischen Forcings entwickelten sich über dem komplexen Gelände aufgrund von Wärmeunterschieden thermisch getriebene orographische (z.B. Talwinde) oder lokale Windsysteme. Während der Anpassung dieser Windsysteme an die sich ändernden Wärmeunterschiede (z.B. bei der Umkehr des Talwindsystems von Talab- zu Talaufwinden am Morgen), ging der Horizontalwind gegen Null. Falls zur selben Zeit der Auftriebsstrom positiv und erhöht war, übertrafen die Auftriebskräfte die üblicherweise in der Bodenschicht vorherrschenden Scherkräfte und FCCs wurden detektiert. Ferner wurde gezeigt, dass das Vorkommen von FCCs nicht auf die COPS Region beschränkt ist. Auch ein Datensatz der Nam Co Station auf der Tibetischen Hochebene wies FCCs während der Umkehrphase einer thermisch getriebenen Land-Seewind-Zirkulation auf. Jedoch wurden an diesem Höhenstandort im Vergleich zur COPS Region aufgrund häufiger Veränderungen der Wärmeunterschiede während Phasen mit Wolkenbedeckung FCCs vermehrt am Nachmittag festgestellt. Das Sodar/RASS sowie die LES zeigten die Präsenz von kohärenten Aufwindstrukturen in der morgendlichen konvektiven Grenzschicht (CBL) im Kinzigtal (Schwarzwald) während FCCs. Eine Spektralanalyse der EC Daten in diesen Situationen hat gezeigt, dass großskalige Turbulenzstrukturen, typisch für thermische Aufwinde in der CBL, bereits bodennah auftraten. Eine Ensemble und Zeitmittelungsanalyse des simulierten Talströmungsfeldes bestätigte außerdem, dass sich das Sodar/RASS bei FCCs bevorzugt in einer Aufwindregion befand. In einer CBL über flachem, homogenem Gelände würden die konvektiven Strukturen zufällig auftreten. Über dem komplexen Gelände des Kinzigtals bildeten sich die Aufwindstrukturen jedoch in quasi-stationären Mustern an bestimmten Stellen relativ zu den umliegenden Höhenrücken aus. Die LES zeigte zudem, dass der Fluss durch die Talgrenzschicht hauptsächlich durch den Fluss in den Aufwindstrukturen bestimmt wird. Zusammen mit den Sodar/RASS Beobachtungen zeigte die LES auch, dass diese Aufwindstrukturen tief in die stabil geschichtete Talgrenzschicht bis zu Höhen von etwa den umliegenden Bergen eindrangen, und dadurch bei FCCs zu einem effektiven aufwärts und gegen den Gradienten gerichteten Transport von bodennahen Luftmassen führten. Die Analyse der turbulenten Flüsse an den unterschiedlichen COPS Standorten ergab, dass die Flüsse stark durch variierende Eigenschaften der Geländeoberfläche bestimmt wurden. Auch konnte ein Anstieg des Bowen Verhältnisses mit zunehmender Höhe festgestellt werden. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Untersuchungen in diesem Gebiet überein. Wie erwartet wurde im Mittel bei Betrachtung des gesamten COPS Zeitraumes eine ungeschlossene Energiebilanz mit Werten des Residuums typisch für heterogenes Gelände gefunden. Dagegen trat bei ausschließlicher Betrachtung der Perioden mit FCCs im Mittel kein Residuum auf. Dies liegt darin begründet, dass die Landschaftsheterogenität im Falle des eher vertikal orientierten Austauschregimes während FCCs von geringerer Bedeutung ist, so dass fehlende Flussanteile in diesen Situationen stark reduziert wurden. Außerdem wurde in vergleichbaren Perioden ohne FCCs festgestellt, dass Flussanteile genau mit dem Verhältnis des Auftriebsstroms fehlten, was eine Korrektur der Energiebilanz gemäß dem Auftriebsstromverhältnis nahe legt. Diese Ergebnisse stützen kürzlich publizierte Befunde zur Energiebilanzschließungsproblematik.