Original paper

Atmospheric boundary layer development over a narrow coastal plain during onshore flow

McGowan, Hamish A.; Sturman, Andrew P.

Abstract

A study of the structure of the daytime atmospheric boundary layer during onshore flow over a narrow coastal plain is presented. The main emphasis of the study is on the nature and causes of heating and cooling observed in the boundary layer temperature profiles. Measurements included vertical temperature profiles above at least two sites derived from radiosondes and aircraft, as well as surface estimates of radiative and sensible heat fluxes. Surface meteorological and pilot balloon data were also available, providing further evidence of short-term changes in atmospheric boundary layer structure. The Manawatu case was representative of autumnal anticyclonic conditions with weak pressure gradients, and illustrated typical diurnal development of a convective boundary layer over a coastal plain bordered by mountain ranges, with a transition from a stable nocturnal situation to a well-mixed profile in the afternoon. The profiles show surface input of heat propagating upwards through the boundary layer during the day, as well as entrainment of heat at the top associated with shear induced turbulence and/or penetrative convection. Applying a one-dimensional model, estimates of boundary layer heat budget components were obtained for four time periods during the day. Later periods were affected by cumulus cloud development at the top of the boundary layer, resulting in significant changes in individual components. Input of sensible heat from the surface decreased, while the addition of heat to the boundary layer from both cloud condensation and advection increased.

Kurzfassung

Eine Studie zur Struktur der atmosphärischen Grenzschicht während des Tages über einer schmalen Küstenebene mit auflandigem Wind wird vorgestellt. Den Schwerpunkt der Studie bildet die Untersuchung des Verhaltens und der Ursachen der beobachteten Erwärmung und Abkühlung in den Grenzschichtprofilen der Temperatur. Die Messungen umfassten sowohl vertikale Temperatursondierungen an mindestens zwei Orten mit Radiosonden und mit einem Messflugzeug, sowie Abschätzungen des Strahlungsflusses und des fühlbaren Wärmestroms am Boden. Meteorologische Bodenbeobachtungen und Pilotballonmessungen waren ebenfalls verfüugbar und liefern zusätzliche Nachweise über die kurzzeitigen Änderungen der atmosphärischen Grenzschichtstruktur. Die Studie in der Region Manawatu ist repräsentativ für herbstliche Hochdrucksituationen mit schwachen Luftdruckgradienten. Sie illustriert die typische tageszeitliche Entwicklung der konvektiven Grenzschicht über einer durch Gebirge begrenzten Ebene an der Küste mit dem Übergang von nächtlicher stabiler Schichtung zu gut durchmischten Profilen am Nachmittag. Die Profile zeigen sowohl die Erwärmung der Grenzschicht von oben durch Entrainment, welches durch Windscherung oder durch in die Luftschicht oberhalb der Grenzschicht eindringende Konvektion entsteht. Die Wärmehaushaltskomponenten wurden durch Anwendung eines eindimensionalen Modells für vier Zeitintervalle des Tages abgeschätzt. Die späteren Zeitintervalle wurden durch Wolkenbildung an der Grenzschichtobergrenze beeinflusst, wodurch sich die Beiträage der individuellen Wärmehaushaltskomponenten signifikant änderten. Hierbei nahm die Zufuhr fühlbarer Wärme am Boden ab, während die Zufuhr von Wärme in die Grenzschicht durch Advektion und durch die mit der Wolkenbildung verbundene Kondensation zunahm.