Abstract

The boundary layer is the region of the atmosphere closest to the Earth's surface and is characterized by highly turbulent air motions. Wave-induced boundary-layer separation (BLS) is the process by which near-surface flow detaches from the ground as a consequence of adverse pressure gradients, owing their origin to internal gravity waves that are generated as the air passes over a mountain. The occurrence of BLS is often associated with vigorous perturbations of the atmospheric flow, such as wave breaking, and the generation of atmospheric rotors, which pose a serious threat to air and ground transportation on the lee side of mountains. The interaction of internal-gravity waves generated by airflow over orography with the flow within the atmospheric boundary layer has been pointed out as one of the major outstanding problems for the improvement of mountain weather forecasting. Furthermore, besides being a challenging geophysical fluid dynamics problem, wave-induced BLS also has relevant practical implications. Beyond the aforementioned safety of air and ground transportation, BLS can exert a significant impact on the efficiency of wind power production in mountainous areas by generating intense turbulence, which normally reduces the yield of wind turbines. In the STABLEST project, high-resolution numerical simulation is combined with the analysis of observational data to gain insight into the factors governing BLS. Particular attention is devoted to those aspects of BLS which are currently not well understood, in particular its possible non-stationarity, its dependence on the heat exchanges between the ground and the atmosphere and its evolution when occurring over obstacles with a complex three-dimensional shape. Numerical simulations will be performed using large-eddy simulation (LES), the most advanced approach nowadays available to model turbulent flows in the atmosphere. Plans include both idealized simulations, where the conditions leading to the onset of BLS are deliberately simplified in order to improve the understanding of the phenomenon, and real case studies. The latter will initially refer to events for which high-resolution observations are already available. The field observations to be analyzed during STABLEST include airborne in situ measurements and wind speed estimates from a Doppler cloud radar, which were collected during recent campaigns by a team at the University of Wyoming and are available to the STABLEST investigators by virtue of an existing partnership. Research efforts in this context are mostly directed towards the estimation of turbulence parameters from the radar data, in order to enable their comparison with the results of numerical simulations for verification purposes. A distinctive feature of the STABLEST project is the wide network of international cooperation that it builds upon. Research partners include the US National Center for Atmospheric Research, the consortium of north-American universities participating in the MATERHORN project, the University of Wyoming and the University of Innsbruck. The proposed research connections will lead to the acquisition and analysis of novel observational evidence of BLS, both with a Doppler lidar in a natural environment and with particle image velocimetry in a laboratory.

Kurzfassung

Die Grenzschicht ist jener Teil der Atmosphäre, der sich am nächsten zur Erdoberfläche befindet und durch stark turbulente Luftbewegungen charakterisiert ist. Leewellen-induzierte Grenzschichtablösung (GSA) ist ein Prozess, in dem der oberflächennahe Luftstrom durch entgegengesetzte Druckgradienten vom Boden abgelöst wird. Die Druckgradienten haben ihren Ursprung in internen Schwerewellen, die in Strömungen über Gebirge ausgelöst werden. Das Auftreten von GSA geht häufig mit starken Verwirbelungen in der Atmosphäre einher; so zum Beispiel mit Wellenbrechen oder der Entstehung von atmosphärischen Rotoren, welche sich an der Leeseite von Gebirgsketten ausbilden und eine ernste Gefahr für den Luft- und Straßenverkehr darstellen. Die Wechselwirkung von internen Schwerewellen, ausgelöst durch das überströmen von Orografie, mit Strömungen in der atmosphärischen Grenzschicht ist eine der großen Herausforderungen für die Verbesserung von Wettervorhersagen in Gebirgsregionen. Leewellen-induzierte GSA hat abgesehen von ihrem Charakter als anspruchsvolles Problem der Geofluiddynamik auch wichtige praktische Konsequenzen. über die zuvor genannten Aspekte betreffend den Luft- und Straßenverkehr hinaus kann GSA auch beträchtliche Auswirkungen auf die Effizienz der Stromgewinnung aus Windkraft im Gebirge haben, da sie durch das Verursachen von großer Turbulenz die Leistung von Windkraftwerken deutlich schmälert. Im Projekt STABLEST sollen hochauflösende numerische Simulationen mit der Auswertung von Beobachtungsdaten kombiniert werden, um so Einblick in die die GSA bestimmenden Faktoren zu erhalten. Besondere Aufmerksamkeit soll dabei bisher ungeklärten Aspekten der GSA zuteil werden, insbesondere der möglichen Unstetigkeit des Ablösepunktes, den Abhängigkeiten von Wärmeflüssen zwischen Boden und Atmosphäre und dem Verhalten im Bereich von Hindernissen mit komplexem dreidimensionalem Profil. Numerische Experimente in Form von Large-Eddy-Simulationen (LES), welche heute zu den fortschrittlichsten Methoden der Modellierung von turbulenten Strömungen in der Atmosphäre zählen, sollen durchgeführt werden. Sowohl idealisierte Simulationen, in denen die zur GSA führenden Bedingungen bewusst vereinfacht werden um das Verständnis der einzelnen Prozesse zu verbessern, als auch reale Fallstudien sollen betrieben werden. Letztere werden zu Beginn auf einem Ereignis von GSA basieren, für das bereits hochaufgelöste Beobachtungen zur Verfügung stehen. Die Beobachtungsdaten, die während STABLEST ausgewertet werden sollen, schließen flugzeuggetragene in situ-Messungen und durch ein Doppler-Wolkenradar aufgenommene Windfelder mit ein. Die Daten wurden jüngst in Messkampagnen durch eine Gruppe an der University of Wyoming gesammelt und stehen den Wissenschaftlern von STABLEST durch eine existierende Partnerschaft zur Verfügung. Das Hauptaugenmerk der Forschung liegt in diesem Zusammenhang vor allem auf der Berechnung von Turbulenzparametern aus den Radardaten und soll einen Vergleich mit den Ergebnissen der numerischen Experimente zum Zwecke der Modellverifikation ermöglichen. Eine Besonderheit des Projekts STABLEST ist das weit gespannte Netzwerk internationaler Kooperation, auf dem es aufbaut. Zu den Forschungspartnern zählen das National Center for Atmospheric Research (USA), ein Konsortium nordamerikanischer Universitäten um das Projekt MATERHORN, die University of Wyoming und die Universität Innsbruck. Die geplante Zusammenarbeit wird dazu führen, dass auch neue Beobachtungen der Grenzschichtablösung, aufgenommen durch ein Doppler-Lidar in natürlicher Umgebung oder mittels Particle Image Velocimetry in Laborexperimenten, in die Untersuchungen mit einfließen werden.