Banner cloud dynamics at the Matterhorn: from idealized simulations to real-world observations

Abstract

Banner clouds are a phenomenon that occur on the leeward side of steep mountains or sharp ridges on otherwise cloud free days. Investigating their formation mechanisms helps to improve our understanding of flow response in complex orography. Previous studies have identified key mechanisms and conducive atmospheric conditions primarily based on theoretical considerations and idealized simulations. However, it remains unclear to what extent these findings are valid in complex terrain under realistic atmospheric conditions. This thesis aims to bridge the gap between idealized model experiments and the real-world conditions by investigating the key mechanisms of banner cloud formation at the Matterhorn in the Swiss Alps. Therefore, Large-Eddy Simulations with a progressive transition from idealized to fully realistic Matterhorn orography are combined with observations from the dedicated MatterHEX field campaign. MatterHEX provides the first systematic observations of banner cloud conditions, including radiosonde upwind profiles, Doppler lidar scans of the lee-side flow, and webcam footage capturing cloud evolution. To ensure consistency in the direct comparison, the model inflow profiles were tuned to match the ambient flow to the radiosonde observations. The simulations show that increased terrain complexity alters flow symmetry, yet strong lee-side upwelling is still a predominant flow feature. The upwelling is no longer confined to the leeward side, but extends to the spanwise slopes, where most parcels ascend before entering the banner cloud. Weak stratification in the lee emerges as an important prerequisite for banner cloud formation at the Matterhorn, either reflecting ambient conditions or turbulence induced by terrain-flow interaction at high wind speeds or wind shear. The direct comparison of observed and simulated lidar scans during two contrasting banner cloud episodes confirms lee-side separation associated with recirculating flow and strong upwelling as the key mechanisms. Furthermore, a classification of all observed ambient flow conditions using a theoretical flow regime framework reveals that the necessary lee-side flow separation occurs more frequently than the actual banner cloud observation would suggest. These findings confirm that previous results from model-based investigations are applicable under realistic conditions, at least at a steep mountain like the Matterhorn. Moreover, lee-side separation seems to be a robust flow response that may occur under a wide range of ambient flow conditions, promoting banner cloud occurrence given suitable moisture conditions. This thesis highlights the value of combining high-resolution simulations with targeted observations to investigate turbulent flows in complex terrain.

Bannerwolken sind ein Phänomen, welches im Lee steiler Berge oder scharfer Berggrate an ansonsten wolkenfreien Tagen auftritt. Die Untersuchung ihrer Bildungsmechanismen hilft, unser Verständnis der Strömungsreaktionen in komplexer Orografie zu verbessern. Frühere Studien haben zentrale Mechanismen und förderliche atmosphärische Bedingungen vor allem auf Grundlage theoretischer Überlegungen und idealisierter Simulationen identifiziert. Allerdings ist bislang unklar, inwieweit diese Ergebnisse in komplexem Gelände unter realistischen atmosphärischen Bedingungen gelten. Diese Dissertation zielt darauf ab, die Lücke zwischen idealisierten Modellversuchen und realen Bedingungen zu schließen, indem die wichtigsten Mechanismen der Bannerwolkenbildung am Matterhorn in den Schweizer Alpen untersucht werden. Dazu werden Large-Eddy-Simulationen mit einem schrittweisen Übergang von idealisierter zu vollständig realistischer Matterhorn-Orografie mit Beobachtungen der MatterHEX-Feldkampagne kombiniert. MatterHEX liefert die ersten systematischen Beobachtungen von Bannerwolkenbedingungen, einschließlich Radiosondenaufstiegen im Luv, Doppler-Lidar-Scans der leeseitigen Strömung und Webcam-Aufnahmen der Wolkenentwicklung. Um Konsistenz im direkten Vergleich sicherzustellen, wurden die Einströmprofile im Modell so angepasst, dass die Umgebungsströmungen den Radiosondenbeobachtungen entsprechen. Die Simulationen zeigen, dass zunehmende Geländekomplexität die Strömungssymmetrie verändert, aber starke Hebung im Lee weiterhin ein dominantes Merkmal bleibt. Die Hebung beschränkt sich nicht mehr nur auf die Leeseite, sondern erstreckt sich auf die seitlichen Flanken, entlang derer der Großteil der Luftpakete aufsteigt, bevor sie in die Bannerwolke eintreten. Eine schwache Schichtung im Lee erweist sich als wichtige Voraussetzung für die Bannerwolkenbildung am Matterhorn – entweder als Abbild der Umgebungsbedingungen oder als Folge von Turbulenz, die aus der Wechselwirkung von Gelände und Strömung bei hohen Windgeschwindigkeiten oder Windscherung resultiert. Der direkte Vergleich von beobachteten und simulierten Lidar-Scans während zweier kontrastierender Bannerwolkenepisoden bestätigt, dass leeseitige Strömungsablösung mit damit verbundener Rückströmung und starkem Aufsteigen die entscheidenden Mechanismen darstellen. Zudem zeigt eine Klassifikation aller beobachteten Umgebungsbedingungen mithilfe eines theoretischen Strömungsregimeschemas, dass die notwendige leeseitige Strömungsablösung deutlich häufiger auftritt, als es die tatsächlichen Bannerwolkenbeobachtungen vermuten. Diese Ergebnisse bestätigen, dass frühere modellbasierte Erkenntnisse unter realistischen Bedingungen anwendbar sind, zumindest an einem steilen Berg wie dem Matterhorn. Darüber hinaus scheint die leeseitige Ablösung eine robuste Strömungsreaktion zu sein, die unter einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen auftreten kann und bei geeigneten Feuchtebedingungen die Bildung von Bannerwolken begünstigt. Diese Dissertation unterstreicht den Wert der Kombination hochauflösender Simulationen mit gezielten Beobachtungen, um turbulente Strömungen in komplexem Gelände zu untersuchen.