In dieser Dissertation wird das kompressible, nicht-hydrostatische und dreidimensionale Modell
All Scale Atmospheric Model (ASAM) für Grobstruktur- bzw.
Large-Eddy-Simulationen (LES) angewendet, um lokale
Inseleffekte in der karibischen Passatwindzone zu untersuchen.
Da das Modell bis dato noch keine Anwendung im Bereich von LES feuchter atmosphärischer
Grenzschichten und heterogener Oberflächen fand, wurden einige Bestandteile zum Modellcode
hinzugefügt oder überarbeitet. Ein Hauptaugenmerk liegt dabei auf das Einbeziehen orographischer
Strukturen mittels angeschnittener Zellen (engl. cut cells). Sowohl die räumliche und zeitliche
Diskretisierung der Modellgleichungen als auch die nötigen physikalischen Parameterisierungen werden
in einer umfassenden Modellbeschreibung zusammengefasst. Die Robustheit und Stabilität der Modellformulierung
wird durch eine Reihe von Simulationen idealisierter Testfälle bestätigt.
Large-Eddy-Simulationen werden für das Gebiet der Karibikinsel Barbados
zur Untersuchung von Inseleffekten bezüglich Grenzschichtmodifikation, Wolkenbildung
und vertikaler Durchmischung von Aerosolen durchgeführt. Durch das Vorhandensein
einer topographisch strukturierten Inseloberfläche in der Mitte des Modellgebietes
muss das Modellsetup offene seitliche Randbedingungen beinhalten. Damit das einströmende
Windfeld konsistent mit der Dynamik einer turbulenten, marinen Grenzschicht ist,
wird eine neue Methode implementiert und angewendet, welche auf Störungen des potentiellen Temperaturfeldes mittels finiter Amplituden basiert.
Beobachtungen aus der SALTRACE-Messkampagne werden benutzt, um die Modellläufe anzutreiben.
Die Ergebnisse einiger Sensitivitätstests zeigen Probleme der Modellierung im Bereich der \"Terra incognita\" auf. Dabei handelt es sich um die Modellierung auf räumlichen Skalen, welche
zwischen denen von LES und wolkenauflösenden Modellen liegen. Außerdem werden Auswirkungen von
entweder turbulent oder laminar anströmenden Windfeldern auf die Simulationsergebnisse untersucht.
Besonders die Wolkeneigenschaften im Lee von Barbados werden in diesen Simulationen merklich
beeinflusst. Ergebnisse einer weiteren Simulation mit einer sehr starken Passatinversion bringt
deren Einfluss auf die Dicke und Höhe der simulierten Wolkenschichten zum Vorschein. Die Veränderung von
Saharastaubschichten, welche Barbados über weiträumigen Transport über den Atlantik erreichen,
wird analysiert. Die Auswirkungen beinhalten sowohl eine Ausdünnung und ein Absinken dieser Schichten
als auch turbulenter Transport in Richtung Erdoberfläche.
Die genaue Position der beeinflussten Schichten und die Stärke des turbulenten Mischens
werden hauptsächlich von der atmosphärischen Schichtung, der Inversionsstärke und Windscherung
gesteuert. Vergleiche zwischen den LES-Modellergebnissen und Daten aus Doppler-Windlidarmessungen
zeigen gute Übereinstimmungen in der Formierung der konvektiven Strukturen tagsüber und
des Vertikalwindfeldes. / In this thesis, the fully compressible, three-dimensional,
nonhydrostatic atmospheric model called All Scale Atmospheric Model
(ASAM) is utilized for large eddy simulations (LES)
to investigate local island effects at the Caribbean.
Since the model has not been applied to LES for moist boundary layers
and heterogeneous surfaces so far, several parts are added to the model code
or reworked. A special focus lies on the inclusion of orographical structures
via the cut cell method. Spatial and temporal discretization as well as
necessary physical parameterizations are summarized in a thorough model description.
The robustness of the model formulation is confirmed by a set of idealized
test case simulations.
Large eddy simulations are performed for the area of the Caribbean island Barbados to investigate
island effects on boundary layer modification, cloud generation and vertical mixing of aerosols.
Due to the presence of a topographically structured island surface in the domain center,
the model setup has to be designed with open lateral boundaries.
In order to generate inflow turbulence consistent with the upstream marine boundary layer forcing,
the newly developed cell perturbation method based on finite amplitude perturbations is applied.
Observations from the SALTRACE field campaign are used to initialize the model runs.
Several numerical sensitivity tests are carried out
to demonstrate the problems related to \"gray zone modeling\" beyond LES scales
or when the turbulent marine boundary layer flow
is replaced by laminar winds. Especially cloud properties west of Barbados (downwind)
are markedly affected in these simulations.
Results of an additional simulation with a strong trade-wind inversion
reveal its effect on cloud layer depth and height.
The modification of Saharan dust layers reaching Barbados via
long-range transport over the North Atlantic is analyzed.
Effects of layer thinning, subsidence and turbulent downward transport
near the layer bottom become apparent.
The position of these layers and strength of downward mixing is found
to be mainly controlled atmospheric stability, inversion strength and wind shear.
Comparisons of LES model output with wind lidar data show similarities in the
formation of the daytime convective plume and the vertical wind structure.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:15-qucosa-200776 |
| Date | 04 April 2016 |
| Creators | Jähn, Michael |
| Contributors | Universität Leipzig, Fakultät für Physik und Geowissenschaften, Prof. Dr. Ina Tegen, Prof. Dr. Bjorn Stevens |
| Publisher | Universitätsbibliothek Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
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