Original paper

A case study of the development of nocturnal slope flows in a wide open valley and associated air quality implications

Pardyjak, Eric R.; Fernando, Harindra; Joseph S. Hunt, Julian C.R. Grachev; Anderson, James

Meteorologische Zeitschrift Vol. 18 No. 1 (2009), p. 85 - 100

published: Mar 6, 2009

DOI: 10.1127/0941-2948/2009/362

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Abstract

This paper documents the development of nocturnal flows in the wide open Phoenix, Arizona (U.S.A) valley (30 km × 100 km) that is bordered by a large nearly flat plain to the west and high mountains to the north and east. Local thermally driven winds concomitant with the absence of significant synoptic pressure gradients dominate typical winter conditions in the Phoenix valley. The purpose of the Phoenix Air Flow Experiment (PAFEX-1) was to study the development of thermally driven flows during the evening transition in a sloping valley and describe the general pattern of transport and dispersion of contaminants during transition periods and at night. Measurements were made using a tethered balloon, sonic anemometer, balloon-based aerosol sampler, radiation sensors, cup anemometers, thermistors and humidity sensors in conjunction with data collected from 44 standard meteorological stations located throughout the valley. Over the period of 15 days in January and February 1998 the general diurnal flow patterns were repeatable, but varied substantially around the valley. This paper focuses on a case study of the evening transition, nocturnal circulation and morning breakdown of the nocturnal circulation on the night of 31 January and morning of 1 February. Central valley measurements were consistent with the notion that the evening transition is associated with a moving front, followed by intense mixing and the movement of the front to establish down-valley winds. Flows originating from different slopes led to the arrival of fronts at the various measurement locations at different times. These flows intrude into the valley and interact with each other, often causing multi-layered vertical structure. The intrusions respond to the evolving stratification and cause striking variability of these layers, for example, periodic wind and temperature disturbances corresponding to the arrival of new intrusive fronts. The evolution of the boundary layer was found to have a direct bearing on the pollution concentrations in the Phoenix air shed.

Kurzfassung

Der Artikel dokumentiert die Entstehung von nächtlichen Strömungen in dem weit geöffneten Tal von Phoenix, Arizona (30 km × 100 km), welches im Westen an eine nahezu flache, weite Ebene grenzt und im Norden und Osten von hohen Bergen umgeben ist. Auf Grund von vernachlässigbaren synoptischen Druckgradienten dominieren lokale, thermisch erzeugte Winde die typischen Winterbedingungen im Tal von Phoenix. Das Phoenix Air Flow Experiment (PAFEX-1) hatte zum Ziel, die Entstehung von thermisch erzeugten Strömungen in einem geneigten Tal während der abendlichen Übergangsbedingungen zu untersuchen, und die allgemeinen Transportbedingungen sowie die Ausbreitung von Schadstoffen unter solchen Bedingungen zu beschreiben. Fesselballonmessungen, welche auch ein Aerosolprobenentnahmegerät beinhalteten, sowie Messungen mit Sonic- und Schalenkreuzanemometern, Thermistoren, Feuchtesensoren und Strahlungsmessgeräten wurden durchgeführt und zusammen mit Windmessdaten von 44, im ganzen Tal verteilten, meteorologischen Messstationen ausgewertet. Während des 15-tägigen Messzeitraums im Januar und Februar 1998 wiederholten sich die allgemeinen Anströmbedingungen, variierten aber beträchtlich innerhalb des Tales. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf eine Fallstudie für den abendlichen Übergang, die nächtliche Zirkulation und deren morgendlichen Zusammenbruch in der Nacht vom 31. Januar auf den 1. Februar. Messungen in Talmitte waren in Übereinstimmung damit, dass der abendliche Übergang mit einer durchziehenden Front einhergeht, gefolgt von intensiver Durchmischung und der Ausbildung von talabwärts gerichteten Winden. Je nach Lage der Hänge an welchen die Fronten entstanden, ergaben sich unterschiedliche Ankunftszeiten der Fronten an den verschiedenen Messstationen. Die verschiedenen Fronten dringen in das Tal vor und beeinflussen sich dabei gegenseitig, was oft in einer Struktur mit mehreren vertikalen Schichten übereinander resultierte. Dieses Eindringen reagiert auf die sich ausbildenden Schichtungsverhältnisse und verursacht eine beachtliche Variabilität der verschiedenen Schichten, wie beispielsweise periodische Wind- und Temperaturstörungen, welche mit dem Eindringen von neuen Fronten einhergehen. Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass die morgendliche Entstehung der konvektiven Grenzschicht die Schadstoffausbreitung im Luftraum von Phoenix maßgeblich beeinflusst.