title: Study of the atmospheric wake of Madeira Island
Creators: name: Sachsperger, Johannes
Publisher: name: :none
Year: 2012

description: Die 57km lange und 22km breite NW-SE orientierte Insel Madeira liegt im östlichen Atlantik, 950km südwestlich von der Südspitze Portugals. Der höchste Punkt der Insel, der Gipfel des Pico Ruivo, liegt auf 1862m über dem Meeresspiegel. Durch seine Größe, die Struktur der atmosphärischen Stabilität und die Winde stromaufwärts ist die Ausbildung einer Wirbelschleppe oder Wirbelstraße im Lee der Insel häufig, vor allem im Sommer, wenn unter der Passatinversion die stärksten Winde aus NE wehen, der Richtung normal zur Ausrichtung der Insel. In situ- und Fernerkundungsmessungen wurden während der i-Wake Kampagne (Aug. - Sept. 2010) in Madeira durchgeführt. SAFIREs ATR-42 Forschungsflugzeug sammelte Daten stromauf- und stromabwärts der Insel. Im hier analysierten Ereignis wurden Messungen am 2. Sept. 2010 entlang von zehn Teilstrecken durchgeführt. Wirbelsignale wie abrupte Windsprünge an den Flanken von Madeira und warme Kerne in den Wirbeln sind stark ausgeprägt in den Daten vorhanden. Eine Reihe von hochaufgelösten WRF Modellsimulationen wird durchgeführt um aufzuzeigen, wie gut die Wirbel reproduziert werden können. Zu Beginn der analysierten Periode (1. - 3. Sept. 2010) war die Atmosphäre kontinuierlich stabil geschichtet und wechselte zum Ende hin zu einem Flachwasserregime mit einer starken Inversion unterhalb der Bergspitzen der Insel. Die Ergebnisse zeigen, dass die Abweichungen der Windkomponenten und der potentiellen Temperatur zwischen Messungen und Modellsimulationen entlang der Teilstrecken bemerkenswert klein sind, obwohl dieses Phänomen von stark nichtlinearer Natur ist. Um die Quelle der vertikalen Vorticitykomponente in den Wirbeln zu finden, wird eine Vorticitybudgetanalyse basierend auf Simulationsdaten durchgeführt. Es zeigt sich, dass für beide Flussregime die Reibung, ein echter Vorticityquellterm, dominant zur Vorticitytendenz beiträgt. Zusätzlich haben Divergenz- und Advektionsterm einen starken Einfluss auf die Entwicklung der Wirbel. Ein Sensitivitätstest zeigt eine starke Abhängigkeit der Entstehung der Wirbel von der SST (Meeresoberflächentemperatur) auf, welche mit der vertikalen Schichtung der Atmosphäre zusammenhängt. Es zeigt sich, dass die Übereinstimmung von Messung und Modellsimulation am besten ist, wenn die SST (von der NCEP Analyse) uniform um 1K erhöht wird.
description: The 57 km long and 22 km wide NW-SE oriented island of Madeira lies in the eastern Atlantic, 950 km SW from the southern tip of Portugal. The island’s highest peak, Pico Ruivo, reaches 1862 m above sea level (a.s.l.). Due to its size, atmospheric stability structure and winds upstream, wake formation in the downstream region of this mountainous island is expected, in particular in summer when the most sustained winds below the trade wind inversion come from NE, the direction perpendicular to the island orientation. In situ and remote sensing measurements were obtained during the i-WAKE airborne campaign (Aug - Sep 2010) in Madeira. The research aircraft ATR 42 of Service des Avions Français Instrumentés pour la Recherche en Environnement (SAFIRE) collected data both upstream and downstream of the island. In the event that was analyzed in this work, data along ten flight legs downstream was collected on September 2, 2010. Wake signals such as abrupt wind jumps at the flanks of Madeira and warm core eddies are evident in this dataset. A series of high-resolution simulations using the Weather Research and Forecasting (WRF) model is carried out to investigate how well the observed wake can be replicated. At the beginning of the analyzed period (September 1-3, 2010), the atmosphere was continuously stratified changing into a shallow-water regime with a strong inversion below the mountaintop toward the end of this period. It turns out that discrepancies of the wind components and potential temperature along the observed and simulated flight legs are remarkably small, although the wake phenomenon is non-linear in nature. To investigate the main source of vertical vorticity in the wake, a vertical vorticity budget analysis has been carried out on the simulation data. It appears that for both flow regimes surface friction, a true vorticity source term, is the main contributor to the vorticity tendency at the flanks of Madeira. The further evolution of the vortices, which detach from the island, is mainly influenced by the advection- and divergence terms. Additionally, a sensitivity test shows a strong dependence of the evolution of eddies on the sea surface temperature (SST) which is linked to the vertical stratification of the atmosphere. It turns out that the discrepancies between simulated and measured flight legs are smallest for a uniform increase of SST (from National Centers for Environmental Prediction (NCEP) analysis) by +1 K.