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Simulation of the katabatic flow near the Greenland ice margin using a high-resolution nonhydrostatic model

Klein, Thomas; Heinemann, Günther; Gross, Patrick

Meteorologische Zeitschrift Vol. 10 No. 4 (2001), p. 331 - 339

published: Oct 15, 2001

DOI: 10.1127/0941-2948/2001/0010-0331

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ArtNo. ESP025011004015, Price: 29.00 €

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Abstract

Simulations of the katabatic wind system in the stable boundary layer near the margin of the Greenland ice sheet are presented using the high-resolution (2.8 km) non-hydrostatic Lokal-Modell (LM) of the Deutscher Wetterdienst (DWD). The LM is nested into numerical forecasts provided by the hydrostatic Norwegian Limited Area Model (NORLAM). The area of Kangerlussuaq in West Greenland was selected as the LM domain, since comprehensive measurements of the katabatic wind structure are available for that area (aircraft and AWS). One focus of the LM simulations is to study processes in the transition region between the ice sheet and the tundra, which are not captured by previous model studies because of the micro-scale complexity of the topography. The first simulation is performed for an idealized case using a wintertime atmosphere at rest as initial conditions. For this situation lacking synoptic forcing, a well-developed katabatic wind system is simulated over the inland ice, while a system of fjord winds is simulated in the tundra area. In the second simulation study a realistic case of strong katabatic winds (exceeding 20 m s-1) is investigated, and AWS data and vertical profiles from aircraft measurements are used for the model validation. For this real case, the simulation results are in good agreement with instrumented aircraft and automatic weather station observations. While NORLAM fails to reproduce the wind field in the tundra region, the LM simulations show again a pattern of fjord winds and a complex wind field near the ice margin, which agrees with the observed atmospheric state. Because the intensity and the three-dimensional structure of the katabatic winds depend on the specific synoptic environment, the success of the LM simulations is also dependent on the quality of the initial and boundary conditions, i.e. the forecasts of synoptic and mesoscale processes by NORLAM. Simulationen des katabatischen Windes in der stabilen Grenzschicht am Rand des grönlandischen Eisschildes wurden mit dem hochaufgelösten (2.8 km) nichthydrostatischen Lokal-Modell (LM) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) durchgeführt. Das LM wird in Vorhersagen des hydrostatischen Norwegian Limited Area Model (NORLAM) genestet. Für das LM-Modellgebiet wurde die Region nahe Kangerlussuaq in WestGrönland gewählt, da hier umfangreiche Messungen des katabatischen Windsystems vorliegen (Flugzeugmessungen, AWS-Daten). Ein Schwerpunkt der LM-Simulationen liegt in der Untersuchung der Prozesse im Übergangsbereich Eisschild/Tundra, die durch bisherige Modellstudien mit hydrostatischen MesoskalaModellen aufgrund der mikroskaligen, komplexen Topographie nicht erfasst werden können. Die erste Simulation wird für einen idealisierten Fall mit einer ruhenden Atmosphäre als Anfangszustand durchgeführt. Unter diesen Bedingungen ohne synoptischen Antrieb wird ein gut ausgeprägtes katabatisches Windsystem über dem Inlandeis simuliert, dagegen zeigt sich in der Tundraregion ein komplexes System von Fjordwinden. In einer zweiten Studie wird ein Realfall mit starken katabatischen Winden (Windgeschwindigkeiten von mehr als 20 m s-1) untersucht, und AWS-Daten und Vertikalprofile von Flugzeugmessungen werden zum Vergleich herangezogen. Für diesen Realfall zeigen die LM-Simulationen eine gute Übereinstimmung mit den Flugzeug- und AWS-Messungen. Während in den NORLAM-Simulationen das Windfeld in der Tundraregion sehr unzureichend wiedergegeben wird, zeigen die LM-Simulationen wiederum das Muster von Fjordwinden und eine komplexe Windstruktur nahe des Eisrandes, das mit gut mit dem beobachteten atmosphärischen Zustand übereinstimmt. Da die Intensität und die dreidimensionale Struktur des katabatischen Windsystems auch von den synoptischen Bedingungen abhängen, wird die Güte der LM-Simulationen auch von der Qualität der Anfangs- und Randbedingungen beeinflusst, d.h. von den Vorhersagen der synoptischund mesoskaligen Prozesse durch das NORLAM-Modell.