Original paper

Idealised numerical simulations of diurnal sea breeze characteristics over a step change in roughness

Prtenjak, Maja Telišman; Grisogono, Branko

Meteorologische Zeitschrift Vol. 11 No. 5 (2002), p. 345 - 360

published: Oct 30, 2002

DOI: 10.1127/0941-2948/2002/0011-0345

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Abstract

A two-dimensional hydrostatic meso-β-scale model is used to study possible effects of a step change in roughness on the daytime sea breeze (SB). Two approaches are employed for the calm synoptic condition with a clear sky. First, idealised numerical simulations are made with the length of aerodynamical roughness (z0) ranging from 0.05 m to 0.6 m and by an increase of 0.05 m. The magnitudes are changed in all ground surface grid points. The specific features examined are the maxima of the wind velocity field, the turbulent fluxes and the turbulent kinetic energy (TKE), the height of the mixed layer, the inland penetration of the SB and the slope of the SB front. Two z0 effects are pointed out: an increase in the turbulent mixing and a reduction in the wind speeds in the surface layer. Results show that a relationship between these two effects is crucial for the SB inland penetration. A moderate z0 change increases both turbulence intensity and a vertical extent of the boundary layer. An increase of both heights and magnitudes of the SB circulation, caused by a vertical extension of the turbulent field, is followed by a faster inland penetration of the SB. For larger z0 change, the effect of dissipation overcomes the effect of the SB strengthening and the inland penetration is slower. Second, an urban area is simulated only by a locally increased z0. The rough area intensifies both TKE and the SB during its growing stage. An increase of z0 also reduces the wind speed in the vicinity of the urban area and it augments the slope of the SB front.

Kurzfassung

Zur Untersuchung möglicher Auswirkungen einer plötzlichen Änderung der Rauheit auf die Seewindzirkulation wird ein zweidimensionales hydrostatisches Meso-β-Skalen Model eingesetzt. Zwei Ansätze werden für einen windlosen synoptischen Zustand bei klarem Himmel verfolgt. Erstens werden numerische Simulationen bei veränderter aerodynamischen Rauheit (z0) mit Werten zwischen 0,05 m und 0,6 m und mit einer Zunahme von 0,05 m durchgeführt. Die Rauigkeit wird nur an den Landpunkten geändert. Die untersuchten spezifischen Eigenschaften sind die Maximalwerte des Windgeschwindigkeitsfeldes, die turbulenten Flüsse und die turbulente kinetische Energie (TKE), die Höhe der Mischungsschicht, die Inlandverlagerung der Seewindfront und deren Neigung. Zwei z0 Effekte werden gefunden: eine Zunahme der turbulenten Mischung und eine Abnahme der Windgeschwindigkeit in der bodennahen Grenzschicht. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Zusammenhang zwischen diesen beiden Effekten für die Inlandverlagerung der Seewindfront ausschlaggebend ist. Eine geringere Veränderung des z0 Wertes erhöht die Turbulenzintensität wie auch die Vertikalausdehnung der Grenzschicht. Die Folge einer schnelleren Inlandverlagerung, die durch eine vertikale Ausweitung des Turbulenzfeldes hervorgerufen wird, ist eine größere Höhe und Ausdehnung der Seewindzirkulation. Bei größeren Veränderungen der z0 Werte überwiegt die Dissipation den Effekt der Verstärkung des Seewindes, was zu einer langsameren Inlandverlagerung führt. Zweitens wird ein urbanes Gebiet durch ein lokal erhöhtes z0 simuliert. Das raue Feld bewirkt eine Intensivierung nicht nur der TKE, sondern auch der Seewindzirkulation in ihrer Wachstumsphase. Eine Erhöhung des z0 Wertes verringert auch die Windgeschwindigkeit in der Nähe von Stadtgebieten und erhöht die Neigung der Seewindfront.