Authors:	Reinert, Daniel
Title:	Dynamik orographischer Bannerwolken
Online publication date:	16-Sep-2010
Year of first publication:	2010
Language:	german
Abstract:	Der Begriff "Bannerwolke" bezeichnet ein eindrucksvolles Phänomen aus dem Bereich der Gebirgsmeteorologie. Bannerwolken können gelegentlich im Hochgebirge im Bereich steiler Bergspitzen oder langgezogener Bergrücken, wie z.B. dem Matterhorn in den Schweizer Alpen oder dem Zugspitzgrat in den Bayrischen Alpen beobachtet werden. Der Begriff bezeichnet eine Banner- oder Fahnen-ähnliche Wolkenstruktur, welche an der windabgewandten Seite des Berges befestigt zu sein scheint, während die windzugewandte Seite vollkommen wolkenfrei ist. Bannerwolken fanden bislang, trotz ihres relativ häufigen Auftretens in der wissenschaftlichen Literatur kaum Beachtung. Entsprechend wenig ist über ihren Entstehungsmechanismus und insbesondere die relative Bedeutung dynamischer gegenüber thermodynamischer Prozesse bekannt. In der wissenschaftlichen Literatur wurden bislang 3 unterschiedliche Mechanismen postuliert, um die Entstehung von Bannerwolken zu erklären. Demnach entstehen Bannerwolken durch (a) den Bernoulli-Effekt, insbesondere durch die lokale adiabatische Kühlung hervorgerufen durch eine Druckabnahme entlang quasi-horizontal verlaufender, auf der windzugewandten Seite startender Trajektorien, (b) durch isobare Mischung bodennaher kälterer Luft mit wärmerer Luft aus höheren Schichten, oder (c) durch erzwungene Hebung im aufsteigenden Ast eines Leerotors. Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres physikalisches Verständnis für das Phänomen der Bannerwolke zu entwickeln. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem dominierenden Entstehungsmechanismus, der relativen Bedeutung dynamischer und thermodynamischer Prozesse, sowie der Frage nach geeigneten meteorologischen Bedingungen. Zu diesem Zweck wurde ein neues Grobstruktursimulations (LES)-Modell entwickelt, welches geeignet ist turbulente, feuchte Strömungen in komplexem Terrain zu untersuchen. Das Modell baut auf einem bereits existierenden mesoskaligen (RANS) Modell auf. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das neue Modell ausführlich gegen numerische Referenzlösungen und Windkanal-Daten verglichen. Die wesentlichen Ergebnisse werden diskutiert, um die Anwendbarkeit des Modells auf die vorliegende wissenschaftliche Fragestellung zu überprüfen und zu verdeutlichen. Die Strömung über eine idealisierte pyramidenförmige Bergspitze wurde für Froude-Zahlen Fr >> 1 sowohl auf Labor- als auch atmosphärischer Skala mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik untersucht. Die Simulationen zeigen, dass Bannerwolken ein primär dynamisches Phänomen darstellen. Sie entstehen im Lee steiler Bergspitzen durch dynamisch erzwungene Hebung. Die Simulationen bestätigen somit die Leerotor-Theorie. Aufgrund des stark asymmetrischen, Hindernis-induzierten Strömungsfeldes können Bannerwolken sogar im Falle horizontal homogener Anfangsbedingungen hinsichtlich Feuchte und Temperatur entstehen. Dies führte zu der neuen Erkenntnis, dass zusätzliche leeseitige Feuchtequellen, unterschiedliche Luftmassen in Luv und Lee, oder Strahlungseffekte keine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer Bannerwolke darstellen. Die Wahrscheinlichkeit der Bannerwolkenbildung steigt mit zunehmender Höhe und Steilheit des pyramidenförmigen Hindernisses und ist in erster Näherung unabhängig von dessen Orientierung zur Anströmung. Simulationen mit und ohne Berücksichtigung der Feuchtephysik machen deutlich, dass thermodynamische Prozesse (insbes. die Umsetzung latenter Wärme) für die Dynamik prototypischer (nicht-konvektiver) Bannerwolken zweitrangig ist. Die Verstärkung des aufsteigenden Astes im Lee und die resultierende Wolkenbildung, hervorgerufen durch die Freisetzung latenter Wärme, sind nahezu vernachlässigbar. Die Feuchtephysik induziert jedoch eine Dipol-ähnliche Struktur im Vertikalprofil der Brunt-Väisälä Frequenz, was zu einem moderaten Anstieg der leeseitigen Turbulenz führt. Es wird gezeigt, dass Gebirgswellen kein entscheidendes Ingredienz darstellen, um die Dynamik von Bannerwolken zu verstehen. Durch eine Verstärkung der Absinkbewegung im Lee, haben Gebirgswellen lediglich die Tendenz die horizontale Ausdehnung von Bannerwolken zu reduzieren. Bezüglich geeigneter meteorologischer Bedingungen zeigen die Simulationen, dass unter horizontal homogenen Anfangsbedingungen die äquivalentpotentielle Temperatur in der Anströmung mit der Höhe abnehmen muss. Es werden 3 notwendige und hinreichende Kriterien, basierend auf dynamischen und thermodynamischen Variablen vorgestellt, welche einen weiteren Einblick in geeignete meteorologische Bedingungen geben. Banner clouds are an impressive phenomenon that occasionally can be observed near prominent mountain peaks or ridges, e.g. at the Matterhorn in the Swiss Alps or Mount Zugspitze in the Bavarian Alps. The phenomenon is described as a vane or banner-like cloud structure that is attached to the leeward side of the mountain, while the windward side remains cloud free. Banner clouds, despite their regular appearance, were always on the fringe of scientific attention. The mechanism of formation, as well as the relative importance of pure dynamics versus thermodynamics for their formation and maintenance have yet to be clarified. Mainly three lines of arguments have been put forth in the literature in order to explain its formation. According to these banner clouds develop because of (a) the Bernoulli effect, i.e. cooling in a dynamically induced pressure decrease along quasi-horizontal trajectories originating on the windward side, or (b) mixing of cold air near the ground with warmer air from above, or (c) rising air motions in the upward branch of a leeward vortex. The overall aim of this numerical study is to develop an improved physical understanding of the banner cloud-phenomenon. In particular we will clarify the dominant mechanism of formation, the relative importance of dynamics versus thermodynamics and investigate the meteorological conditions suitable for banner cloud formation. For this purpose, a new large eddy simulation (LES) model has been developed, which is capable of simulating moist flow in complex terrain without the need for periodic boundary conditions. It is based on an already existing mesoscale (RANS) model. A thorough validation of the new model against both numerical reference data and wind tunnel data is provided, in order to prove its applicability to the scientific question at hand. We investigated air flow around an idealised mountain peak for Froude Number Fr>>1 on both laboratory and atmospheric scales, including simulations with and without moist physics. The simulations provide evidence that banner clouds are primarily a dynamical phenomenon. They form in the lee of steep mountain peaks as a result of dynamically forced lee upslope flow. This clearly confirms the lee-vortex theory. Due to the highly asymmetric flow field induced by the extreme orography, banner clouds can form even under horizontally homogeneous initial conditions regarding both moisture and temperature. This led to the novel conclusion that additional leeward moisture sources, distinct air masses on both windward and leeward sides, or radiation effects are no prerequisite for banner-cloud formation. The probability of banner-cloud formation increases with increasing obstacle height and steepness and is, to a first approximation, independent of the pyramid's orientation. Simulations with and without moisture physics reveal that moisture is of only secondary importance regarding the dynamics of prototypical (non-convective) banner clouds. The reinforcement of lee upslope flow and corresponding cloud formation due to latent heat release turns out to be almost negligible. Nevertheless moisture physics are shown to induce a dipole-like structure in the vertical profile of the Brunt-Väisälä frequency, which in turn leads to a moderate increase in leeward turbulence. As will be shown, mountain induced gravity waves are no key to understanding the dynamics of banner clouds. At the most, these waves tend to reduce the horizontal cloud-scale through increased leeward downwelling. Regarding suitable meteorological conditions, the simulations show that in the case of horizontally homogeneous initial conditions, the equivalent potential temperature in the approaching flow must decrease with height. We present 3 necessary and sufficient criteria, based on both dynamical and thermodynamical variables, that provide further insight into suitable meteorological conditions.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-4663
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-23871
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	185 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen