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Jan Weinkaemmerer

• In this dissertation, different aspects of turbulent transport and thermally driven flows over complex terrain are investigated. Two publications concentrate on the vertical heat and moisture exchange in the convective boundary layer over mountainous terrain. To study this, Large-Eddy Simulation (LES) is used. Both turbulent and advective transport mechanisms are evaluated over the simple orography of a quasi-two-dimensional, periodic valley with prescribed surface fluxes. Here, terrain elevation varies along only one of the horizontal coordinate axes. Even a relatively shallow orography, possibly unresolved in existing numerical weather prediction models, modifies the domain-averaged moisture and temperature profiles. For the analysis, the flow is decomposed into a local turbulent part, a local mean circulation, and a large-scale part. An analysis of the turbulent kinetic energy and turbulent heat and moisture flux budgets shows that the thermal circulation significantly contributes to the vertical transport. It is found that thermal upslope winds are important for the moisture transport from the valley to the mountain tops. In total, moisture export out of the valley is mostly accomplished by the mean circulation. On the temperature distribution, which is horizontally relatively homogeneous, the thermal circulation has a weaker impact. If an upper-level wind is present, it interacts with the thermal circulation. This weakens the vertical transport of moisture and thus reduces its export out of the valley. The heat transport is less affected by the upper-level wind because of its weaker dependence on the thermal circulation. These findings were corroborated in a more realistic experiment simulating the full diurnal cycle using radiation forcing and an interactive land surface model. Based on these results, coherent turbulent structures in the convective boundary layer over non-flat terrain are studied in further detail. A conditional sampling method based on the concentration of a decaying passive tracer is implemented in order to identify the boundary-layer plumes objectively. Conditional sampling allows to quantify the contribution of plume structures to the vertical transport of heat and moisture. In case of the idealized valley, vertical transport by coherent structures is the dominant contribution to the turbulent components of both heat and moisture flux. It is comparable in magnitude to the advective transport by the mean slope-wind circulation, although it is more important for heat than for moisture transport. A set of less idealized simulations considers the flow over three-dimensional terrain. In this case, conditional sampling is carried out by using a simple domain-decomposition approach. We demonstrate that thermal updrafts are generally more frequent on hill tops than over the surroundings, but they are less persistent on the windward sides when large-scale winds are present in the free atmosphere. The tools for flow decomposition and budget analysis are also applied in another idealized case with a quasi-two-dimensional valley featuring the stable boundary layer. Here, the formation of a low stratus cloud is investigated. The main driver for the cloud formation is radiative cooling due to outgoing longwave radiation. Despite a purely horizontal flow, the advection terms in the prognostic equations for heat and moisture produce vertical mixing across the upper cloud edge leading to a loss of cloud water content. However, this behavior is not due to any kind of thermally-driven circulation. Instead, this spurious mixing is caused by the diffusive error of the advection scheme in regions where the sloping surfaces of the terrain-following vertical coordinate intersect the cloud top. It is shown that the intensity of the (spurious) numerical diffusion strongly depends on the horizontal resolution, the order of advection, and the choice of the scalar advection scheme. A LES with 4 m horizontal resolution serves as a reference. For horizontal resolutions of a few hundred meters, carried out with a model setup as it is used in Numerical Weather Prediction, a strong reduction of the simulated liquid-water path is observed. In order to keep the (spurious) numerical diffusion at coarser resolutions small, at least a fifth-order advection scheme should be used. In the present case, a WENO scalar advection scheme turns out to increase the numerical diffusion along a sharp cloud edge compared to an upwind scheme. Furthermore, the choice of the vertical coordinate has a strong impact on the simulated liquid-water path over orography. With a modified definition of the terrain-following sigma coordinate, it is possible to produce cloud water where the classical sigma coordinate does not allow any cloud formation.
• In dieser Dissertation werden verschiedene Aspekte des turbulenten Transports und des Hangwindsystems über komplexem Gelände untersucht. Zwei Teilveröffentlichungen konzentrieren sich auf den vertikalen Wärme- und Feuchteaustausch in der konvektiven Grenzschicht über Gebirgslandschaften. Dazu werden Large-Eddy-Simulationen (LES) durchgeführt. Sowohl turbulente als auch advektive Transportmechanismen werden über der einfachen Orographie eines quasi-zweidimensionalen, periodischen Tals mit vorgegebenen Oberlächenflüssen untersucht. In diesem Fall variiert die Höhe des Geländes nur entlang einer der horizontalen Koordinatenachsen. Selbst eine relativ kleinskalige Orographie, die in bestehenden numerischen Wettervorhersagemodellen möglicherweise nicht berücksichtigt ist, verändert die gemittelten Feuchte- und Temperaturprofile des Gebiets. Für die Analyse wird die Strömung in einen turbulenten Teil, eine lokale mittlere Zirkulation und einen groÿräumigen Teil zerlegt. Eine Analyse der turbulenten kinetischen Energie und der turbulenten Wärme- und Feuchteflüsse zeigt, dass die thermisch angetriebene Hangwindzirkulation wesentlich zum vertikalen Transport beiträgt. Es wird festgestellt, dass thermische Hangaufwinde für den Feuchtetransport vom Tal zu den Berggipfeln wesentlich sind. Insgesamt wird der Feuchteexport aus dem Tal hauptsächlich durch die Hangwindzirkulation bewirkt. Auf die Temperaturverteilung, die horizontal relativ homogen ist, hat die thermisch angetriebene Zirkulation einen schwächeren Einfluss. Wenn ein Höhenwind vorhanden ist, interagiert er mit der thermischen Zirkulation. Dadurch wird der vertikale Feuchtetransport reduziert und somit der Export von Feuchte aus dem Tal verringert. Der Wärmetransport wird durch den Höhenwind weniger beeinflusst, da er weniger stark von der thermischen Zirkulation abhängt. Diese Ergebnisse wurden in einem weniger idealisierten Experiment bestätigt, bei dem der gesamte Tageszyklus mit Hilfe von Strahlungsantrieben und einem interaktiven Landoberflächenmodell simuliert wurde. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden kohärente turbulente Strukturen in der konvektiven Grenzschicht über nicht-flachem Terrain näher untersucht. Um die Grenzschicht-Plumes objektiv zu identifzieren, wird eine Conditional-Sampling-Methode basierend auf der Konzentration eines abklingenden passiven Tracers eingesetzt. Das Conditional Sampling ermöglicht es, den Beitrag der Plume-Strukturen zum vertikalen Transport von Wärme und Feuchte zu quantifizieren. Im Falle des idealisierten Tals ist der vertikale Transport durch kohärente Strukturen der dominierende Beitrag zum turbulenten Anteil des Wärme- und Feuchteflusses. Er ist von der Größenordnung her vergleichbar mit dem advektiven Transport durch die Hangwindzirkulation, wobei er für den Wärmetransport von größerer Bedeutung ist. Eine Reihe von weniger idealisierten Simulationen berücksichtigt die Strömung über dreidimensionalem Gelände. In diesem Fall wird das Conditional Sampling mit Hilfe eines einfachen Gebietszerlegungsansatzes durchgeführt. Wir zeigen, dass thermische Aufwinde im Allgemeinen auf Berggipfeln häufiger auftreten als in der Umgebung, sie aber auf der Luvseite weniger anhaltend sind, sofern in der freien Atmosphäre ein großräumiger Wind vorherrschend ist. Die Vorgehensweise bei der Strömungszerlegung und Budgetanalyse wird auch in einem anderen idealisierten Fall mit einem quasi-zweidimensionalen Tal innerhalb der stabilen Grenzschicht angewandt. Hier wird die Bildung einer niedrigen Stratuswolke untersucht. Der Hauptantrieb für die Wolkenbildung ist die Strahlungskühlung durch die ausgehende langwellige Strahlung. Trotz einer rein horizontalen Strömung führen die Advektionsterme in den Prognosegleichungen für Wärme und Feuchte zu einer vertikalen Durchmischung am oberen Wolkenrand, was zu einem Verlust an Wolkenwasser führt. Dieses Verhalten ist jedoch nicht auf irgendeine Art von thermisch angetriebener Zirkulation zurückzuführen. Stattdessen wird diese unerwünschte Durchmischung durch den Diffusionsfehler des Advektionsschemas in Regionen verursacht, in denen die geneigten Koordinatenflächen der geländefolgenden Vertikalkoordinate die Wolkenoberseite schneiden. Es wird gezeigt, dass die Intensität der so verursachten numerischen Diffusion stark von der horizontalen Auflösung, der Ordnung der Advektion und der Art des skalaren Advektionsschemas abhängt. Eine LES mit einer horizontalen Auflösung von 4m dient als Referenz. Bei horizontalen Auflösungen ab einigen hundert Metern, wie sie in der numerischen Wettervorhersage verwendet werden, wird eine starke Verringerung des simulierten Flüssigwassergehalts beobachtet. Um die numerische Diffusion bei gröberen Auflösungen klein zu halten, sollte mindestens ein Advektionsschema fünfter Ordnung verwendet werden. Im vorliegenden Fall stellt sich heraus, dass ein skalares WENO-Advektionsschema die numerische Diffusion entlang eines scharfen Wolkenrandes im Vergleich zu einem Upwind-Schema erhöht. Außerdem hat die Wahl der Vertikalkoordinate einen starken Einfluss auf den simulierten Flüssigwassergehalt. Mit einer modifzierten Definition der geländefolgenden Sigma-Koordinate ist es möglich, Wolkenwasser zu simulieren, wo die klassische Sigma-Koordinate keine Wolkenbildung zulässt.