Numerical simulations of low-level convergence lines over north-eastern Australia [Elektronische Ressource] / by Gerald Ludwig Thomsen

Gerald Ludwig Thomsen

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• Publié le: 01 janvier 2006
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Extrait

Numerical Simulations of
low-level convergence Lines
over north-eastern Australia
Gerald Ludwig Thomsen
Munich 2006Numerical Simulations of
low-level convergence Lines
over north-eastern Australia
Gerald Ludwig Thomsen
Dissertation
at the Faculty of Physics
Ludwig–Maximilians–University
Munich
by
Gerald Ludwig Thomsen
from Reinbek
Munich, 02 June 2006First Examiner: Prof. Dr. Roger K. Smith
Second Examiner: Prof. Dr. Ulrich Schumann
Date of the oral examination: 28 July 2006Zusammenfassung
Im Gebiet des Carpentaria Golfes im Norden Australiens entstehen regelmaßig mesoskalige¨
Konvergenzlinien in der unteren Tropospha¨re. Diese produzieren gegen Ende der Trockenzeit oft
spektakularen Wolkenlinien, die aufSatellitenbildern zu sehen sindundje nach ihrenEigenschaf-¨
ten ”Morning Glory” oder ”North Australian Cloud Line” (NACL) genannt werden. Morning
Glories sind glatte Wellenwolken wahrendNACLs konvektive Wolkenlinien sind.Sie stehen unter¨
dem Verdacht, spa¨ter im Jahr, wa¨hrend der Australische Sommermonsun ruht, eine Reihe von
Unwettern auszulosen, die ein bedeutendes Vorhersageproblem fur diese Region darstellen. Des¨ ¨
Weiteren stellt die einhergehende bodennahe Windscherung eine große Gefahr fu¨r tieffliegende
Flugzeuge dar. Um die Entstehung dieser Konvergenzlinien mit bis dahin einmaliger Genauigkeit
zu dokumentieren, wurde im Herbst 2002 die internationale Meßkampagne GLEX (Gulf Lines
Experiment) durchgefu¨hrt. Das mesoskalige Modell der Pennsylvania State University und des
National Center for Atmospheric Research, MM5, wird in dieser Arbeit fur eine Untersuchung¨
dieser Linien benutzt. Da die Linien intrinsisch nicht hydrostatisch sind, sollte das MM5 bei der
geforderten hohen horizontalen Auflosung als nichthydrostisches Modell in Vorhersage und Mo-¨
dellierung den fu¨r fru¨here Studien verwendeten hydrostatisch balancierten Modellen u¨berlegen
sein.
Denzuna¨chstvorgestelltenFallstudiengingenSensitivita¨tsstudienbezu¨glichderGrenzschicht-
parameterisierungundder Bodenfeuchte voraus, dieaber ausGrundender Lesbarkeit erst spater¨ ¨
beschrieben werden. Im Rahmen der Fallstudien werden Modellergebnisse mit Ergebnissen aus
derMeßkampagneundverfugbarenSatellitenbildernverglichen,sowieweitereCharakteristikader¨
sich bildenden Linien untersucht. Das Modell kann in der gewahlten Konfiguration die Konver-¨
genzlinien innoch niedagewesener Detailliertheit reproduzierenunddieErgebnissestimmengut
mit den Beobachtungen uberein. Weitere Ergebnisse dieser Studie bestatigen fruher aufgestellte¨ ¨ ¨
Theorien, nach denen das nordo¨stliche Morning Glory und die NACL in Folge eines Zusam-
menstoßes zweier Seebriesen uber der Kap York Halbinsel entstehen. Zum ersten Mal hat ein¨
Modell zwei getrennte Konvergenzlinien produziert, die dem nordo¨stlichen Morning Glory und
der NACL entsprechen. Als Trennungsmechanismus beider sich aus der Ostkustenseebriese ent-¨
wickelnden Konvergenzlinien wird hier zun¨achst die Geometrie der Ostku¨ste vorgeschlagen, die
auf dem Breitengrad, auf dem die Trennung im allgemeinen erfolgt, einen ausgepragten Knick¨
aufweist. Fu¨r die Entstehung des su¨dlichen Morning Glorys wird eine erst ku¨rzlich aufgestellte
Theoriebest¨atigt,inderdieKollisiondersu¨dlichenSeebriesemiteinersichvonSu¨denherna¨hern-
den Front als Mechanismus angenommen wird.Diese Front formiert sich amAbend entlang einer
Troglinie, die ein klimatisches Merkmal Queenslandsist. Ineinigen der Fa¨lle wurdenTrockenlini-
venbeobachtet,dieaufdassu¨dlicheMorningGloryfolgten.AuchdiesestimmenimModellgutmit
den Beobachtungen uberein. Eines der seltener beobachteten sudostlichen Morning Glories kann¨ ¨ ¨
leider nicht vom Modell reproduziert werden. Als Ursache wird vermutet, daß eine Troglinie im
datenarmen Gebiet sudlich des Golfs von Carpentaria nicht korrekt in den Anfangsbedingungen¨
positioniert ist. Eine Untersuchung der Stro¨mung hinter den Konvergenzlinien zeigt, daß Mor-
ning Glories Wellenpha¨nomene sind. NACLs hingegen behalten den Dichtestro¨mungscharakter
der Seebriese bei.
Eine Sensitivitatstudie bezuglich der Grenzschichtparameterisierung wird durchgefuhrt, weil¨ ¨ ¨
sich die hier untersuchten Ph¨anomene in der planetaren Grenzschicht abspielen. Eine Gruppe
von Parameterisierungen stellt sich anderen als uberlegen heraus und als Grund fur diese gu-¨ ¨
ten Ergebnisse wird die Beru¨cksichtigung der großra¨umigen Gradienten identifiziert, die in den
schlechter abschneidenden Parameterisierungen fehlt. Als beste Parametrisierung wird das MRF
Schema fur alle weiteren Simulationen ausgewahlt.¨ ¨
Eine Untersuchung der Sensitivitat der Ergebnisse bezuglich der Bodenfeuchte zeigt, daß die¨ ¨
Seebriesenumsoschnellerlandeinwa¨rtsstr¨omen,jetrockener dieBodenverh¨altnissesind.DieEr-
klarung hierfur ist, daß ein großerer Teil der eingehenden solaren Strahlung als fuhlbare Warme¨ ¨ ¨ ¨ ¨
an die Atmospha¨re abgegeben wird und so die Seebriesenzirkulation antreibt. Daraus resultiert,
daßMorning-GloryKonvergenzliniensowohlintensiversind,alsauchdieFortpflanzungsgeschwin-
digkeit gro¨ßer ist wenn die Bodenfeuchte abnimmt. Ein solcher Zusammenhang konnte fu¨r die
NACLs nicht bestimmt werden. Eine optimale Bodenfeuchte, mit der die Modelergebnisse am
besten mit den Beobachtungen u¨bereinstimmen,kann leider nicht ermittelt werden, da geeignete
Methoden hierfu¨r nicht zur Verfu¨gung stehen. Die Gu¨te der Ergebnisse bezogen auf die Boden-
druckandeneinzelnen Stationen desExperimentsnimmtjedochmitabnehmenderBodenfeuchte
zu.Daaberdiegeringstmo¨glichenWerteunrealistischsindbeziehungsweisekeinenphysikalischen
Sinn haben und keine Meßdaten vorhanden sind, wird fur alle weiteren Simulationen ein Wert¨
fu¨r die Bodenfeuchte gew¨ahlt, wie er vom Australischen Wetterdienst benutzt wird.
Um einige der aufgezeigten Zusammenh¨ange noch gru¨ndlicher zu untersuchen, wurden noch
einige Modellexperimente mit modifizierter Orographie durchgefuhrt. Diese zeigen, daß weder¨
Morning Glories noch NACLs entstehen, wenn keine Seebriese vom Golf von Carpentaria land-
einwarts stromt und mit der Ostkustenseebriese beziehungsweise der sich von Suden her nahern-¨ ¨ ¨ ¨ ¨
den Kaltfront kollidiert. Ein systematischer Zusammenhang zwischen Hohe der Orographie und¨
der Intensita¨t oder der Geschwindigkeit der sich bildenden Konvergenzlinien kann nicht festge-
stellt werden. Die im Rahmen der Fallstudie aufgestellte Hypothese fur die Trennungsursache¨
von NACL und nord¨ostlichem Morning Glory kann nicht besta¨tigt werden und die horizontale
Windscherung uber der Kap York Halbinsel wird stattdessen als Ursache vorgeschlagen. Diese¨
Hypothese wird durch die Ergebnisse eines Experiments mit uniformer Stro¨mung in westlicher
Richtungbestatigt.IndiesemExperimentbildetsichnureineKonvergenzlinie,diedemnordostli-¨ ¨
chenMorningGloryentsprichtundweitindasGebiethineinragt,indemsichdieNACLnormaler-
weise befindet.Am zweiten Tag dieser Simulation entwickelt sich eine horizontale Windscherung,
in der sich zwei unabh¨angige Konvergenzlinien bilden, die dem nordo¨stlichen Morning Glory und
der NACL entsprechen.
viContents
1 Introduction 1
1.1 Background and motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Analytical modelling studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3 Numerical modelling studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.4 Description of the MM5 model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.5 General model configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Case studies 15
2.1 Five major events . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Model setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1 MesoLAPS simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Medium resolution simulations, BOM . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 03-04 October . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 28-29 September . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.5 08-09 October . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6 09-10 September . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.7 29-30 September . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Sensitivity to boundary layer schemes 75
3.1 Model configuration and experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Land-surface schemes in MM5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3 Boundary layer schemes in MM5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.1 Explicit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.3.2 Blackadar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80