title: Cold Air Drainage Flows and their Relation to the Formation of Nocturnal Convective Clouds at the Eastern Andes of South Ecuador
title: Katabatische Flüsse und ihr Zusammenhang mit der Entwicklung nächtlicher konvektiver Wolken an der andinen Ostabdachung Südecuadors
Creators: name: Trachte, Katja
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2011
Subjects: Mesoscale convective system
Brightness temperature
Kaltluft
Gelände
Numerical modelling
Katabatic flows
Ostkordillere Anden
Konvektion
Naturwissenschaften

description: The development of clouds has many
      causes, not all of those are examined. In consideration of
      rainfall behaviour and distribution knowledge of cloud
      formation, processes in the tropics are of particular
      importance. Clouds are part of the hydrological cycle,
      influencing water resources and the energy budget. The
      insight into unknown cloud generation processes is a great
      benefit in the developmental procedure of understanding the
      structure and functionality of an ecosystem and its
      biodiversity. The main objective of the presented study was
      to investigate an unidentified nocturnal cloud formation
      procedure in the eastern Andes of South Ecuador and the
      adjacent northern Peruvian Amazon. The central theses
      encompass the confluence of katabatic flows in highly complex
      terrain due to a concave configuration. This cold drainage of
      air induces a surface cold front in the foothills of the
      eastern Andes, which initiates moisture convection due to
      compressional lifting by the terrain; a nocturnal LLJ
      triggers the development of the MCS. For the evaluation of
      the hypotheses the numerical model ARPS was used to analyse
      the not fully understood highland - lowland interactions in
      the PBL. At first, simulations of an accurate katabatic flow
      and its behaviour in complex terrain were performed with
      optimal conditions and without location information. The main
      subject of the study was the confluence of the cold drainage
      of air as a result of concave-lined terrain. Simplified DEMs,
      inspired by the Andes, were used for this analysis, due to
      the very steep slopes and valleys of the real terrain. A
      stepwise increase in their complexity, beginning with a
      simple slope, enabled the examination of the impact of the
      terrain configuration on the flow’s dynamic behaviour. With
      the most complex terrain model, which represents a concave
      ridgeline interrupted by several valleys draining into a
      basin, the confluence of the downslope flows due to the
      geometry of the terrain was demonstrated. Thus, a
      representative, persistent, thermally driven flow was
      generated, creating a convergence line that was largest in
      the centre of the basin. Afterwards, a simulation of a
      katabatically induced surface cold front with subsequent
      convective cloud formation was performed with the same model
      framework, except for the atmospheric water vapour. The
      simulation showed the same confluence of the downslope flows
      with a convergence line inside the basin as before. The
      development of a katabatically induced cold front was
      identified based on characteristic attributes described in
      chapter 2 using a cross-section through this line.
      Furthermore, the results also showed a convergence line that
      was largest in the centre of the basin. Because of the
      initiation of moisture convection in this area, due to
      sufficient moisture in the atmosphere, it was evident that
      the terrain geometry was the triggering mechanism for cloud
      formation. The presence of an LLJ in the basin showed the
      intensification of the cloud formation process. However, the
      previous results showed that the cluster developed primarily
      due to compressional lifting by the terrain. This shows that
      the LLJ had marginal effects on the initiation of moisture
      convection, acting primarily as an enhancement of its
      occurrence. Finally, the spatial reference was enabled and
      the parametrisation set-up of the idealised studies was
      assigned and adjusted to a multi-nested, approximately
      realistic model setting, strengthening the evidence from the
      previous results. For the study, a specific situation,
      selected on the basis of GOES-E satellite data was used. The
      main subject was the demonstration of the development of an
      MCS in the foothills of the eastern Andes due to the presence
      of katabatic flows as the driving mechanism. The GOES-E
      brightness temperatures were used to compare the
      satellite-observed data with the ARPS data to verify the
      simulated cloud appearance. Due to the fact that the 4 km
      domain revealed no convective clouds, but a convective cloud
      cluster was generated on the 1 km domain, a scale dependency
      was determined. This was caused by two factors: first of all,
      the NBL processes were simulated more accurately due to the
      higher vertical resolution, thus more accurately representing
      the katabatic flows. Furthermore, the higher resolved domain
      represented a more structured terrain, resulting in stronger
      convergences of the downslope flows. The comparison of the
      satellite and the modelled data presented a good agreement
      concerning the orientation, the location as well as the cold
      tops of the cells. A closer look at the NBL revealed cold air
      drainage, nourishing the cell regeneration. The typical
      characteristics, discussed in the idealised study without
      location information, confirmed the occurrence of thermally
      induced downslope flows as the driving process behind
      convective initiation.
description: Die Entstehung von Wolken hat
      vielfältige Gründe; nicht alle davon sind bisher erforscht.
      Wissen über Wolkenentstehungsprozesse in den Tropen ist
      hinsichtlich des Niederschlagsverhaltens und dessen
      Verteilung von großer Bedeutung. Wolken sind ein Teil des
      hydrologischen Zyklusses, der wiederum die Wasserressourcen
      und den Energiehaushalt beeinflusst. Aus diesem Grund ist die
      Erkenntnis solch unbekannter Wolkenentstehungen von großem
      Nutzen in dem sich permanent weiterentwicklenden Prozess des
      Verstehens der Struktur und der Funktionalität eines
      Ökosystems und seiner Biodiversität. Das Hauptziel der
      vorliegenden Studie war die Untersuchung einer unbekannten
      nächtlichen Wolkengenese an der östlichen Abdachung der Anden
      von Süd-Ecuador und des angrenzenden Peruanischen Amazonas.
      Die zentralen Thesen umfassen die Konfluenz katabatischer
      Flüsse in hoch komplexem Gelände aufgrund einer konkaven
      Form. Diese Kaltluftabflüsse induzieren eine lokale Kaltfront
      am Fusse der östlichen Anden, die wiederum hochreichende
      Konvektion durch Kompressionshebung aufgrund des Geländes
      auslöst. Zur Evaluierung der Hypothesen ist das numerische
      Modell ARPS verwendet worden, um die nicht vollständig
      verstandene Hochland-Tiefland Interaktion in der planetaren
      Grenzschicht zu analysieren. Zunächst wurden ideale
      Siumlationen von katabatischen Flüssen und deren Verhalten in
      komplexem Gelände durchgeführt ohne einen Raumbezug und mit
      optimalen Bedingungen. Das Ziel der Studie war die Analyse
      der Konfluenz der Kaltluftabflüsse hervorgerufen durch die
      konkave Form des Geländes. Vereinfachte Höhenmodelle,
      abgeleitet von den Anden, wurden aufgrund der sehr steilen
      Hänge und Täler des eigentlichen Geländes für diese Analyse
      genutzt. Eine schrittweise Erhöhung deren Komplexität,
      beginnend mit einem einfachen Hang, ermöglichte die
      Untersuchung des Einflusses des Geländes auf das dynamische
      Verhalten des Hangabwindes. Mit dem komplexesten Höhenmodell,
      das einen konkaven Höhenzug mit einschneidenden Tälern, die
      in ein Becken drainieren, representiert, wurde die Konfluenz
      des Hangabwindes aufgrund der Geometrie des Geländes
      demonstriert. Folglich wurde ein charakteristischer,
      permanenter thermisch-induzierter Fluss generiert, der eine
      Konvergenzlinie erzeugte, die im Zentrum des Beckens am
      ausgeprägtesten war. Anschließend wurden Simulationen der
      katabatisch induzierten Bodenkaltfront mit daraus folgender
      konvektiver Wolkengenese durchgeführt. Die Simulationen
      zeigten die gleiche Konfluenz der Hangabwinde mit einer
      Konvergenzlinie innerhalb des Beckens wie zuvor. Mit einem
      Querschnitt durch diesen Bereich wurde die Entwicklung einer
      katabatisch induzierten Kaltfront anhand kennzeichender
      Eigenschaften, identifiziert. Des weiteren zeigten die
      Ergebnisse ebenfalls eine Konvergenzlinie, die im Zentrum des
      Beckens am ausgeprägtesten war. Aufgrund des Einsetzens der
      Konvektion in diesem Gebiet, hervorgerufen durch ausreichend
      Feuchte in der Atmosphäre, war es ersichtlich, dass die
      Geländegeometrie der Auslöser für die Wolkenentstehung war.
      Die Anwesenheit eines LLJ im Becken zeigte eine
      Intensivierung der Wolkengenese. Doch die vorherigen
      Ergebnisse verdeutlichten, dass der Cluster primär aufgrund
      der Kompressionshebung durch das Gelände erzeugt wurde. Daher
      hatte der LLJ nur geringfügige Effekte auf die Auslösung der
      Feuchtekonvektion, sondern eher eine verstärkende Wirkung auf
      ihre Ausprägung. Abschließend wurde der Raumbezug wieder
      hergestellt und die Parametrisierung der idealen Studie auf
      ein mehrfach genestetes annährend realistisches Modellsystem
      übertragen und angepasst. Für diese Studie wurde eine
      spezifische Situation verwendet, die anhand von GOES-E
      Satellitendaten selektiert wurde. Das Ziel war das Aufzeigen
      von katabatischen Flüssen, die in der Erzeugung konvektiver
      Wolken am Fusse der östlichen Anden resultierten. GOES-E
      Oberflächentemperaturen wurden zum Vergleich von
      Satellitendaten mit ARPS Daten verwendet, um die simulierte
      Wolke zu verifizieren. Aufgrund der Tatsache, dass auf der 4
      km Domain keine Konvektionsbewölkung zu sehen war, aber die 1
      km Domain einen konvektiven Wolkencluster aufgewiesen hatte,
      wurde eine Skalenabhängigkeit festgestellt. Sie wurde dadurch
      verursacht, dass auf der inneren Domain keine
      Konvektionsparametrisierung verwendet wurde und durch die
      höhere Auflösung die Prozesse der nächtlichen Grenzschicht
      besser aufgelöst wurden. Der Vergleich der Satellitendaten
      mit den Modelldaten zeigte eine gute Übereinstimmung
      hinsichtlich der Größe des Clusters sowie seiner
      Oberflächentemperaturen und seiner Lokalisierung. Mit einem
      näheren Blick auf die nächtliche Grenzschicht konnten
      Kaltluftabflüsse, die die Zellregeneration nährten,
      festgestellt werden. Die kennzeichnenden Eigenschaften, die
      bereits in der idealen Studie vorgestellt wurden, bestätigten
      die Ausprägung von thermisch induzierten Hangabwinden als
      antreibender Prozess bei der Aktivierung der
      Konvektion