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Time scale for cold-air pool breakup by turbulent erosion

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Abstract:

Turbulent erosion has been proposed as a major mechanism for removing wintertime cold-air pools (CAPs) from basins and valleys. The time scales involved in this erosion process, which are of great interest for winter weather forecasting, have not been studied systematically in the past. In this short contribution, a semi-analytical model is developed to estimate the time required for the dissipation of cold air pools from above by downward micro-scale turbulent erosion for different wind speeds aloft, different static stabilities inside the cold pool, and for different basin cross sections. The calculations show that micro-scale turbulent erosion is a rather slow process and that the erosion rate decreases rapidly with time as static stability increases in the capping inversion at the top of the cold pool. The rate of erosion is determined mainly by wind speed above the CAP and the temperature inversion strength inside the CAP; it is less sensitive to the shape of the topography. Shallow CAPs of a few tens of meters in depth with a weak inversion may be removed in a matter of hours if winds aloft are sufficiently strong to initiate and maintain turbulent mixing. It is unlikely, however, that deeper CAPs with a moderate to strong inversion can be destroyed by micro-scale turbulent erosion unless combined with other regional and synoptic-scale processes that produce larger-scale turbulent mixing.

Erosion durch Turbulenz ist schon lange als wesentlicher Prozess bei der Zerstörung von winterlichen Kaltluftseen in Becken und Tälern betrachtet worden. Der Zeitraum dieses Erosionsprozesses, der besonders wichtig für Vorhersagen im Winter ist, ist bis jetzt jedoch noch nicht systematisch untersucht worden. In diesem Beitrag wird ein semi-analytisches Modell beschrieben, das die benötigte Zeit für die Auflösung eines Kaltluftsees durch mikroskalige turbulente Erosion von oben abschätzt. Dieses Modell berücksichtigt die Windgeschwindigkeit oberhalb und die Stabilität innerhalb des Kaltluftsees sowie den Querschnitt des Beckens bzw. Tales. Die Berechnungen zeigen, dass mikroskalige turbulente Erosion ein langsamer Prozess ist und dass sich die Erosionsrate im Laufe der Zeit stark verlangsamt, wenn die statische Stabilität in der abgrenzenden Inversion oberhalb des Kaltluftsees zunimmt. Die Erosionsrate wird vor allem von der Windgeschwindigkeit oberhalb des Kaltluftsees und vom Temperaturgradienten innerhalb des Sees bestimmt. Der Querschnitt des Beckens bzw. Tales spielt dabei eine weniger wichtige Rolle. Ein flacher Kaltluftsee von einigen Metern (< 50 m) mit einem schwachen Temperaturgradienten kann durch mikroskalige turbulente Erosion in einigen Stunden zerstört werden, wenn die Windgeschwindigkeit oberhalb des Sees ausreichend ist, um turbulente Durchmischung zu initiieren bzw. aufrechtzuhalten. Es ist unwahrscheinlich, dass ein tiefer Kaltluftsee mit einem mäßigen bis starken Temperaturgradienten allein durch mikroskalige turbulente Erosion zerstört werden kann, außer dass regionale oder synoptische Prozesse vorhanden sind, die größere Wirbel verursachen.

Keywords:

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2003/0012-0231

Publication date: August 1, 2003

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