Original paper

Turbulent mixing in a katabatic wind under stable conditions

Largeron, Yann; Staquet, Chantal; Chemel, Charles

Meteorologische Zeitschrift Vol. 19 No. 5 (2010), p. 467 - 480

published: Oct 1, 2010

DOI: 10.1127/0941-2948/2010/0346

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ArtNo. ESP025011905007, Price: 29.00 €

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Abstract

The purpose of this paper is to analyze the mixing properties of the katabatic flow which develops at night or in winter on the slopes of a valley. An idealized topography is considered, the initial Brunt-Väisälä frequency N0 having a constant value. Large Eddy Simulations with the Advanced Regional Prediction System (ARPS) numerical code are performed. According to the classification proposed by Mahrt (1982), we found that the katabatic flow is non stationary and very similar to the tranquil flow regime. Mixing is analyzed with the method proposed by Winters et al. (1995) and is quantified by a turbulent (thermal) diffusivity. Values of this diffusivity between 0.01 and 2 m2/s are obtained, depending on the stability of the atmosphere, in agreement with measurements from field campaigns. We show that the turbulent diffusivity evolves as the square of a Froude number associated with the katabatic flow. We also found that the turbulent diffusivity evolves linearly with time and as the fourth power of 1/N0, this law remaining unchanged when a different subgrid scale model is used. This law may provide a practical parameterization accounting for the mixing in a deep valley when the grid size is larger than the width of the valley.

Kurzfassung

Der Zweck dieser Publikation ist die Analyse der Mischungsbedingungen in einem Kaltluftabfluss, der sich nachts oder im Winter über dem Hang eines Tals entwickelt. Es wird eine idealisierte Topographie betrachtet und die anfängliche Brunt-Väisälä-Frequenz N0 hat einen konstanten Wert. Grobstruktur (LES)-Simulationen werden mit dem Advanced Regional Prediction System (ARPS) durchgeführt. Der von Mahrt (1982) vorgeschlagenen Klassifikation folgend ist der simulierte Kaltluftabfluss instationär und sehr ähnlich einem tranquil flow Strömungszustand. Die Mischungsbedingungen werden nach der Methode von Winters et al. (1995) analysiert und mittels einer turbulenten Diffusivität quantifziert. In Abhängigkeit von der Stabilität der Atmosphäre werden Diffusivitäten zwischen 0,01 und 2 m2/s erhalten, was mit Messungen in Feldexperimenten übereinstimmt. Wir zeigen, dass die turbulente Diffusivität quadratisch von der Froude-Zahl der Kaltluft-Strömung abhängt. Ebenfalls ergibt sich, dass sich die turbulente Diffusivität unabhängig von dem verwendeten Subgridskala-Modell linear mit Zeit verändert und mit der vierten Potenz von 1/N0 abhängt. Diese Gesetzmäßigkeit bietet einen Ansatz zur Parametrisierung der turbulenten Durchmischung in tief eingeschnittenen Tälern in solchen Fällen, in denen die Gitterweite des Modells größer als die Talbreite ist.