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Titel: Cold Air Drainage Flows and their Relation to the Formation of Nocturnal Convective Clouds at the Eastern Andes of South Ecuador
Autor: Trachte, Katja
Weitere Beteiligte: Bendix, Jörg (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr: 2011
URI: https://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2011/0070
DOI: https://doi.org/10.17192/z2011.0070
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2011-00705
DDC: Naturwissenschaften
Titel(trans.): Katabatische Flüsse und ihr Zusammenhang mit der Entwicklung nächtlicher konvektiver Wolken an der andinen Ostabdachung Südecuadors

Dokument

Schlagwörter:
Katabatic flows, Mesoscale convective system, Numerical modelling, Konvektion, Kaltluft, Brightness temperature, Gelände, Ostkordillere Anden

Summary:
The development of clouds has many causes, not all of those are examined. In consideration of rainfall behaviour and distribution knowledge of cloud formation, processes in the tropics are of particular importance. Clouds are part of the hydrological cycle, influencing water resources and the energy budget. The insight into unknown cloud generation processes is a great benefit in the developmental procedure of understanding the structure and functionality of an ecosystem and its biodiversity. The main objective of the presented study was to investigate an unidentified nocturnal cloud formation procedure in the eastern Andes of South Ecuador and the adjacent northern Peruvian Amazon. The central theses encompass the confluence of katabatic flows in highly complex terrain due to a concave configuration. This cold drainage of air induces a surface cold front in the foothills of the eastern Andes, which initiates moisture convection due to compressional lifting by the terrain; a nocturnal LLJ triggers the development of the MCS. For the evaluation of the hypotheses the numerical model ARPS was used to analyse the not fully understood highland - lowland interactions in the PBL. At first, simulations of an accurate katabatic flow and its behaviour in complex terrain were performed with optimal conditions and without location information. The main subject of the study was the confluence of the cold drainage of air as a result of concave-lined terrain. Simplified DEMs, inspired by the Andes, were used for this analysis, due to the very steep slopes and valleys of the real terrain. A stepwise increase in their complexity, beginning with a simple slope, enabled the examination of the impact of the terrain configuration on the flow’s dynamic behaviour. With the most complex terrain model, which represents a concave ridgeline interrupted by several valleys draining into a basin, the confluence of the downslope flows due to the geometry of the terrain was demonstrated. Thus, a representative, persistent, thermally driven flow was generated, creating a convergence line that was largest in the centre of the basin. Afterwards, a simulation of a katabatically induced surface cold front with subsequent convective cloud formation was performed with the same model framework, except for the atmospheric water vapour. The simulation showed the same confluence of the downslope flows with a convergence line inside the basin as before. The development of a katabatically induced cold front was identified based on characteristic attributes described in chapter 2 using a cross-section through this line. Furthermore, the results also showed a convergence line that was largest in the centre of the basin. Because of the initiation of moisture convection in this area, due to sufficient moisture in the atmosphere, it was evident that the terrain geometry was the triggering mechanism for cloud formation. The presence of an LLJ in the basin showed the intensification of the cloud formation process. However, the previous results showed that the cluster developed primarily due to compressional lifting by the terrain. This shows that the LLJ had marginal effects on the initiation of moisture convection, acting primarily as an enhancement of its occurrence. Finally, the spatial reference was enabled and the parametrisation set-up of the idealised studies was assigned and adjusted to a multi-nested, approximately realistic model setting, strengthening the evidence from the previous results. For the study, a specific situation, selected on the basis of GOES-E satellite data was used. The main subject was the demonstration of the development of an MCS in the foothills of the eastern Andes due to the presence of katabatic flows as the driving mechanism. The GOES-E brightness temperatures were used to compare the satellite-observed data with the ARPS data to verify the simulated cloud appearance. Due to the fact that the 4 km domain revealed no convective clouds, but a convective cloud cluster was generated on the 1 km domain, a scale dependency was determined. This was caused by two factors: first of all, the NBL processes were simulated more accurately due to the higher vertical resolution, thus more accurately representing the katabatic flows. Furthermore, the higher resolved domain represented a more structured terrain, resulting in stronger convergences of the downslope flows. The comparison of the satellite and the modelled data presented a good agreement concerning the orientation, the location as well as the cold tops of the cells. A closer look at the NBL revealed cold air drainage, nourishing the cell regeneration. The typical characteristics, discussed in the idealised study without location information, confirmed the occurrence of thermally induced downslope flows as the driving process behind convective initiation.

Zusammenfassung:
Die Entstehung von Wolken hat vielfältige Gründe; nicht alle davon sind bisher erforscht. Wissen über Wolkenentstehungsprozesse in den Tropen ist hinsichtlich des Niederschlagsverhaltens und dessen Verteilung von großer Bedeutung. Wolken sind ein Teil des hydrologischen Zyklusses, der wiederum die Wasserressourcen und den Energiehaushalt beeinflusst. Aus diesem Grund ist die Erkenntnis solch unbekannter Wolkenentstehungen von großem Nutzen in dem sich permanent weiterentwicklenden Prozess des Verstehens der Struktur und der Funktionalität eines Ökosystems und seiner Biodiversität. Das Hauptziel der vorliegenden Studie war die Untersuchung einer unbekannten nächtlichen Wolkengenese an der östlichen Abdachung der Anden von Süd-Ecuador und des angrenzenden Peruanischen Amazonas. Die zentralen Thesen umfassen die Konfluenz katabatischer Flüsse in hoch komplexem Gelände aufgrund einer konkaven Form. Diese Kaltluftabflüsse induzieren eine lokale Kaltfront am Fusse der östlichen Anden, die wiederum hochreichende Konvektion durch Kompressionshebung aufgrund des Geländes auslöst. Zur Evaluierung der Hypothesen ist das numerische Modell ARPS verwendet worden, um die nicht vollständig verstandene Hochland-Tiefland Interaktion in der planetaren Grenzschicht zu analysieren. Zunächst wurden ideale Siumlationen von katabatischen Flüssen und deren Verhalten in komplexem Gelände durchgeführt ohne einen Raumbezug und mit optimalen Bedingungen. Das Ziel der Studie war die Analyse der Konfluenz der Kaltluftabflüsse hervorgerufen durch die konkave Form des Geländes. Vereinfachte Höhenmodelle, abgeleitet von den Anden, wurden aufgrund der sehr steilen Hänge und Täler des eigentlichen Geländes für diese Analyse genutzt. Eine schrittweise Erhöhung deren Komplexität, beginnend mit einem einfachen Hang, ermöglichte die Untersuchung des Einflusses des Geländes auf das dynamische Verhalten des Hangabwindes. Mit dem komplexesten Höhenmodell, das einen konkaven Höhenzug mit einschneidenden Tälern, die in ein Becken drainieren, representiert, wurde die Konfluenz des Hangabwindes aufgrund der Geometrie des Geländes demonstriert. Folglich wurde ein charakteristischer, permanenter thermisch-induzierter Fluss generiert, der eine Konvergenzlinie erzeugte, die im Zentrum des Beckens am ausgeprägtesten war. Anschließend wurden Simulationen der katabatisch induzierten Bodenkaltfront mit daraus folgender konvektiver Wolkengenese durchgeführt. Die Simulationen zeigten die gleiche Konfluenz der Hangabwinde mit einer Konvergenzlinie innerhalb des Beckens wie zuvor. Mit einem Querschnitt durch diesen Bereich wurde die Entwicklung einer katabatisch induzierten Kaltfront anhand kennzeichender Eigenschaften, identifiziert. Des weiteren zeigten die Ergebnisse ebenfalls eine Konvergenzlinie, die im Zentrum des Beckens am ausgeprägtesten war. Aufgrund des Einsetzens der Konvektion in diesem Gebiet, hervorgerufen durch ausreichend Feuchte in der Atmosphäre, war es ersichtlich, dass die Geländegeometrie der Auslöser für die Wolkenentstehung war. Die Anwesenheit eines LLJ im Becken zeigte eine Intensivierung der Wolkengenese. Doch die vorherigen Ergebnisse verdeutlichten, dass der Cluster primär aufgrund der Kompressionshebung durch das Gelände erzeugt wurde. Daher hatte der LLJ nur geringfügige Effekte auf die Auslösung der Feuchtekonvektion, sondern eher eine verstärkende Wirkung auf ihre Ausprägung. Abschließend wurde der Raumbezug wieder hergestellt und die Parametrisierung der idealen Studie auf ein mehrfach genestetes annährend realistisches Modellsystem übertragen und angepasst. Für diese Studie wurde eine spezifische Situation verwendet, die anhand von GOES-E Satellitendaten selektiert wurde. Das Ziel war das Aufzeigen von katabatischen Flüssen, die in der Erzeugung konvektiver Wolken am Fusse der östlichen Anden resultierten. GOES-E Oberflächentemperaturen wurden zum Vergleich von Satellitendaten mit ARPS Daten verwendet, um die simulierte Wolke zu verifizieren. Aufgrund der Tatsache, dass auf der 4 km Domain keine Konvektionsbewölkung zu sehen war, aber die 1 km Domain einen konvektiven Wolkencluster aufgewiesen hatte, wurde eine Skalenabhängigkeit festgestellt. Sie wurde dadurch verursacht, dass auf der inneren Domain keine Konvektionsparametrisierung verwendet wurde und durch die höhere Auflösung die Prozesse der nächtlichen Grenzschicht besser aufgelöst wurden. Der Vergleich der Satellitendaten mit den Modelldaten zeigte eine gute Übereinstimmung hinsichtlich der Größe des Clusters sowie seiner Oberflächentemperaturen und seiner Lokalisierung. Mit einem näheren Blick auf die nächtliche Grenzschicht konnten Kaltluftabflüsse, die die Zellregeneration nährten, festgestellt werden. Die kennzeichnenden Eigenschaften, die bereits in der idealen Studie vorgestellt wurden, bestätigten die Ausprägung von thermisch induzierten Hangabwinden als antreibender Prozess bei der Aktivierung der Konvektion


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