Investigation of terrain effects on wind dynamics within the lower atmospheric boundary layer

Abstract

In micrometeorology, it is well established that near-surface winds are strongly affected by orography. Largely oriented to wind energy applications, most efforts to understand microscale atmospheric boundary layer (ABL) flows over orography are centred on quantifying the gains in wind speed over crests of hills or ridges. Less focus has been given to expressing the effects of terrain on flow turbulence. Numerical modelling is presently the main tool used for flow predictions, large-eddy simulation (LES) rapidly becoming the primary approach. Increasing spatial and temporal resolutions of LES imply that smaller features, previously treated as surface roughness, are explicitly resolvable. However, validation datasets of turbulence characteristics for LES studies of flows over orography tend to incompletely reproduce smaller scale features. The present research addresses the aforementioned topics by providing characterisations of near-surface turbulence of ABL flows over idealised terrain geometries of varying complexity, modelled in a large boundary layer wind tunnel. Four central research questions are proposed and explored with the data resulting from the experiments. Moreover, the extensive high-resolution measurements of flows over several models of idealised three-dimensional (3D) ridges and valleys aim to provide validation datasets for numerical models. Validation data requirements from potential users for the experiments are ascertained through the realisation of two workshops for numerical modellers. Effects of ridge slopes and valley widths on the turbulence characteristics of a moderately rough classed ABL flow (modelled above flat terrain of homogeneous roughness) are evaluated through individual parameter variation. This is performed systematically for the valley widths. The bulk of data analyses consist of mean turbulence parameters. However, transient turbulence features of the flows above valleys are also explored. Results highlight the impact of local terrain structures on near-ground turbulence. Expectedly, flow separation originates at the crests of all ridges. The resulting flow recirculation zones are slope-dependent, as are increases in turbulence observed throughout the study domains. Systematic modifications of the valley widths generate relevant effects, in particular downstream from the first ridges of the valleys. Data also provides insight relative to the sensitivity of turbulence parameters to orography and their suitability for flow characterisations. Furthermore, the impact of the reference coordinate system of the measurements above orography is assessable with the present data.

In der Mikrometeorologie ist allgemein bekannt, dass oberflächennahe Winde stark von orographischen Strukturen beeinflusst werden. Aktuell konzentrieren sich im Bereich der Windenergiegewinnung Bemühungen zum Verständnis mikroskaliger atmosphärischer Grenzschichtströmungen (ABL) über strukturiertem Geländekonzentrieren sich auf die Quantifizierung der Windgeschwindigkeitsgewinne über Hügelkuppen oder Graten. Bisher weniger untersucht wurden die Auswirkungen des Geländes auf die Strömungsturbulenzen. Die numerische Modellierung ist derzeit das wichtigste Werkzeug für entsprechende Strömungsprognosen, wobei die Large-Eddy-Simulation (LES) sich zunehmend als favorisierte Methode etabliert. Steigende räumliche und zeitliche Auflösungen von LES bedeuten, dass kleinere Merkmale, die bisher als Oberflächenrauhigkeit behandelt wurden, explizit auflösbar sind. Existierende Validierungsdatensätze zur Überprüfung der Turbulenzeigenschaften für LES-Studien von Strömungen über Orographie bilden die kleinskaligen Turbulenzeigenschaft nur unzureichend ab. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den oben genannten Themen, indem sie Charakterisierungen der oberflächennahen Turbulenz von ABL-Strömungen über idealisierten Geländeformen unterschiedlicher Komplexität liefert. Die Grundlage bilden systematische Modellmessungen in einem großen Grenzschichtwindkanal. Vier zentrale Forschungsfragen werden entwickelt und mit den aus den Experimenten resultierenden Daten untersucht. Darüber hinaus zielen die umfangreichen hochauflösenden Messungen von Strömungen über mehrere Modelle idealisierter dreidimensionaler Bergrücken und Täler darauf ab, Validierungsdatensätze für numerische Modelle bereitzustellen. Die Anforderungen von potenziellen Anwendern an anwendungsspezifische Validierungsdaten wurden im Rahmen zweier Workshops für numerische Modellierer ermittelt und diskutiert. Die Auswirkungen von Hangneigung und Talbreiten auf die Turbulenzeigenschaften einer mäßig rau klassifizierten ABL-Strömung (modelliert über flachem Gelände mit homogener Rauheit) werden durch individuelle Parametervariationen bewertet; für die Talbreiten wird dies systematisch durchgeführt. Der Schwerpunkt der Datenanalysen liegt auf gemittelten Turbulenzparametern, es werden aber auch transiente Turbulenzmerkmale der Strömungen über Tälern untersucht. Die Ergebnisse dokumentieren die qualitativen und quantitativen Auswirkungen der Geländeform auf die bodennahe Turbulenz. Erwartungsgemäß wird an den untersuchten Hügeln Strömungsablösung beobachtet. Die resultierenden Rezirkulationsgebiete sind neigungsabhängig, ebenso wie die beobachtete Zunahme der bodennahen Windturbulenz. Systematische Veränderungen der Talbreiten erzeugen relevante Effekte, insbesondere in Lee des ersten Grates der Täler. Die ermittelten Daten geben auch Aufschluss über die Sensitivität der Turbulenzparameter bezüglich der Orographie sowie deren Eignung für Strömungscharakterisierungen. Darüber hinaus ist die Auswirkung des verwendeten Referenzkoordinatensystems auf die Analyseergebnisse mit den vorliegenden Daten abschätzbar.