Original paper
Sensitivity of flow dynamics and orographic precipitation to changing ambient conditions in idealised model simulations
Kunz, Michael; Wassermann, Stefanie
Meteorologische Zeitschrift Vol. 20 No. 2 (2011), p. 199 - 215
published: Apr 1, 2011
DOI: 10.1127/0941-2948/2011/0221
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Abstract
Idealised numerical simulations using the non-hydrostatic weather prediction model of the Consortium for Small-scale Modeling (COSMO) in a three-dimensional (3D) configuration were conducted to investigate the relationship between ambient conditions, flow characteristics, and orographic precipitation patterns. By changing the model input parameters of wind speed, static stability, temperature, and relative humidity, different flow effects from conditionally unstable flow to upstream deceleration are considered. It is shown that latent heat release significantly delays the onset of flow stagnation, which can be understood using the moist stability concept. However, due to the vertical variations of saturated and unsaturated layers, it is not possible to apply this concept for determining gravity waves. Both the drying ratio, expressing the conversion of the upstream moisture flux into precipitation, and the location of the precipitation maxima can be described to a certain extent by the saturated nondimensional mountain height, Mm = NmH/U, where H is the mountain height, Nm is the saturated stability, and U is the undisturbed wind speed. In the flow around regime, the precipitation maxima are associated with the extended gravity wave and are located downstream of the mountain crest. With increasing direct mountain overflow (decreasing Mm), the precipitation maxima are shifted to a location upstream of the crest. The transition from purely stratiform precipitation to embedded convection occurs abruptly when Mm becomes imaginary, indicating conditional instability.
Kurzfassung
Idealisierte numerische Simulationen mit dem nicht-hydrostatischen Wettervorhersagemodell des Konsortiums für kleinskalige Modellierung (COSMO) in einer dreidimensionalen (3D) Konfiguration wurden durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Umgebungsbedingungen, Strömungscharakteristika und räumlichen Mustern des orografisch bedingten Niederschlags zu untersuchen. Durch Änderung der Eingabeparameter des Modells wie Windgeschwindigkeit, Stabilität, Temperatur und relative Feuchte werden verschiedene Strömungsbereiche von bedingt instabiler bis zu stagnierender Ströomung berüucksichtigt. Es wird gezeigt, dass latenter Wärmeübergänge den Beginn der Stagnation der Strömung erheblich verzögern, was mittels des Konzepts der gesättigten Stabilität nachvollzogen werden kann. Aufgrund der vertikalen Variation der Sättigungsbereiche kann dieses Konzept jedoch nicht für die quantitative Beschreibung von Schwerewellen herangezogen werden. Sowohl das Trocknungsverhältnis, das die Umwandlung des Wasserdampfflusses stromauf in Niederschlag angibt, als auch die Position der Niederschlagsmaxima lassen sich bis zu einem gewissen Grad durch die gesättigte dimensionslose Berghöhe Mm = NmH/U beschreiben mit H als Berghöhe, Nm als gesättigte Stabilität und U als ungestörte Anströmgeschwindigkeit. Bei der Umströmung des Bergs werden die Niederschlagsmaxima durch die ausgedehnte Schwerewelle stromab bestimmt. Mit zunehmender direkter Überströmung (Abnahme Mm), verlagern sich die Maxima stromauf des Gipfels. Der Übergang von rein stratiformen Niederschlägen zu eingelagerter Konvektion vollzieht sich abrupt wenn Mm imaginär wird und eine bedingt labile Schichtung vorliegt.