Original paper

A contribution to the occurrence of undular bores and solitary waves in the lower atmosphere, especially over North Germany

Stilke, Gerd; Müller, Hans

Meteorologische Zeitschrift Vol. 16 No. 2 (2007), p. 213 - 220

published: May 7, 2007

DOI: 10.1127/0941-2948/2007/0194

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ArtNo. ESP025011602008, Price: 29.00 €

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Abstract

In a stably stratified atmosphere the propagation of small amplitude internal gravity waves is rather common but often not noticed. The appearance of a group of large amplitude, nonlinear gravity waves in the lower atmosphere is, in comparison, a special event. These waves with periods of several minutes, pressure amplitudes partly more than 1 hPa may cause periodic wind changes up to 10 m/s (speed) and more than 100 degrees (direction). They appear as a packet of a few amplitude-ordered single waves: as an internal undular bore or as an internal solitary wave group. Their occurrence in North Germany was investigated. The results of former gravity wave investigations were used for the Hamburg area. For other parts use was made of published data. A detailed analysis is made with the "Hamburg Morning Wave" of 7 May 1986. In a period of 7 years 6 clear events passed over Hamburg. Most of them happened in spring, and together with a nocturnal temperature inversion in the lower atmosphere. Coherent small amplitude gravity wave activity occurred in about 10 % of the time. Examples of recordings at an 250 m instrumented (wind, temperature) antenna mast up to 250 m are presented. Evident are the often strong changes of the wind direction during these disturbances. The horizontal wind has been decomposed into a mean back-ground wind, an additional mean wind (adm) during the passage of the group and a quasi sinusoidal periodic part. The "adm" points into the direction of the wave propagation, indicating a mean mass flux together with the waves.

Kurzfassung

In einer stabil geschichteten Atmosphäre breiten sich Schwerewellen mit kleinen Amplituden häufig aus. Oft bleibt dies unbemerkt. Dagegen ist das Auftreten einer Gruppe nichtlinearer Schwerewellen mit großen Amplituden in der unteren Atmosphäre ein besonderes Ereignis. Diese Wellen haben Perioden von mehreren Minuten, Druckamplituden zum Teil größer als 1 hPa und können Windänderungen von 10 m/s (Stärke) und mehr als 100 Grad (Richtung) verursachen. Sie erscheinen als ein Wellenpaket, das aus wenigen, nach Amplituden geordneten Einzelwellen besteht: Als eine interne gewellte Bore oder als interne Solitary Waves. Ihr Auftreten in Norddeutschland wurde untersucht. Für das Hamburger Gebiet wurden dazu die Ergebnisse früherer Schwerewellenuntersuchungen benutzt, für andere Gebiete veröffentlichte Daten. Eine eingehende Untersuchung wurde mit der Hamburger Morgenwelle vom 7. Mai 1986 durchgeführt. Innerhalb von 7 Jahren traten 6 deutliche Fälle im Hamburger Raum auf, meistens im Frühjahr und zusammen mit einer nächtlichen Temperaturinversion in der unteren Atmosphäre. Kohärente Schwerewellen kleiner Amplitude waren in etwa 10 % der Zeit vorhanden. Auffällig sind die zum Teil starken Windrichtungsänderungen während des Durchgangs dieser nichtlinearen Wellen. Der Horizontalwind wurde in 3 Teile zerlegt, in einen mittleren Hintergrundwind, einen zusätzlichen mittleren Wind (adm) während des Wellendurchgangs und in einen quasi sinusförmigen, periodischen Teil. Der adm zeigt in die Ausbreitungsrichtung der Wellengruppe und deutet damit einen mittleren Massenfluss mit der Wellengruppe an.