Free Content Retrieval of convective boundary layer wind field statistics from radar profiler measurements in conjunction with large eddy simulation

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The daytime convective boundary layer (CBL) is characterized by strong turbulence that is primarily forced by buoyancy transport from the heated underlying surface. The present study focuses on an example of flow structure of the CBL as observed in the U.S. Great Plains on June 8, 2007. The considered CBL flow has been reproduced using a numerical large eddy simulation (LES), sampled with an LES-based virtual boundary layer radar (BLR), and probed with an actual operational radar profiler. The LES-generated CBL flow data are then ingested by the virtual BLR and treated as a proxy for prevailing atmospheric conditions. The mean flow and turbulence parameters retrieved via each technique (actual radar profiler, virtual BLR, and LES) have been cross-analyzed and reasonable agreement was found between the CBL wind parameters obtained from the LES and those measured by the actual radar. Averaged vertical velocity variance estimates from the virtual and actual BLRs were compared with estimates calculated from the LES for different periods of time. There is good agreement in the estimates from all three sources. Also, values of the vertical velocity skewness retrieved by all three techniques have been inter-compared as a function of height for different stages of the CBL evolution, showing fair agreement with each other. All three retrievals contain positively skewed vertical velocity structure throughout the main portion of the CBL. Radar estimates of the turbulence kinetic energy (eddy) dissipation rate () have been obtained based on the Doppler spectral width of the returned signal for the vertical radar beam. The radar estimates were averaged over time in the same fashion as the LES output data. The agreement between estimates was generally good, especially within the mixing layer. Discrepancies observed above the inversion layer may be explained by a weak turbulence signal in particular flow configurations. The virtual BLR produces voltage measurements consistent with the LES data fields. First-, second-, and third-order statistics (mean wind, variance, and skewness) of vertical velocity obtained from BLR output demonstrate its suitability for validating radar-profiler signal processing algorithms.

German
Die konvektive Grenzschicht (convective boundary layer, CBL) der Atmosphäre ist am Tag durch starke Turbulenz gekennzeichnet, welche hauptsächlich durch den Auftrieb der an der Erdoberfläche erwärmten Luftmassen hervorgerufen wird. Diese Studie befasst sich mit einem Beispiel der Strömungsstrukturen der konvektiven Grenzschicht, wie sie in den Great Plains (USA) am 8. Juni 2007 beobachtet wurden. Die konvektive Grenzschicht an diesem Tag wurde numerisch mit einer Large Eddy Simulation (LES) reproduziert, mittels eines auf LES basierenden Grenzschicht-Radars (boundary layer radar, BLR) untersucht, und mit einem operativen Wind-Profil Radar gemessen. Die LES Ergebnisse für die konvektive Strömung werden dabei in das virtuelle Grenzschicht-Radar als Ersatz für die vorherschenden, atmosphärischen Bedinungen eingelesen und bearbeitet. Die mittlere Strömung und die Turbulenzparameter, die mit der jeweiligen Technik (reales Wind-Profil Radar, virtuelles BRL, und LES) ermittelt wurden, wurden verglichen. Die LES-Ergebnisse für die mittlere Strömung der konvektiven Grenzschicht stimmen gut mit den Messdaten des Wind-Profil Radars überein. Für die mittlere Varianz der vertikalen Geschwindigkeit zu verschiedenen Zeiten wurden aus den Daten des Wind-Profil Radars und des virtuellen BLRs ebenfalls ähnliche Werte wie für die LES-Berechnungen ermittelt. Außerdem wurde die mit allen drei Methoden berechnete Schiefe der vertikalen Geschwindigkeitskomponente als Funktion der Höhe für verschiedene Zeitintervale der CBL-Entwicklung verglichen. Auch hier wurde eine gute Übereinstimmung der Werte gefunden, und alle drei Methoden ergaben eine positive Schiefe für den Hauptteil der CBL. Radarabschätzungen der turbulenten kinetischen Energiedissipationsrate ε wurden aus der Breite des Dopplerspektrums des zurückgestreuten Signals des vertikalen Radarstrahls ermittelt. Die Radarabschätzungen für ε wurden auf die gleiche Weise wie die LES-Daten über einen bestimmten Zeitraum gemittelt. Die Übereinstimmungen zwischen den ε-Werten waren generell gut, besonders innerhalb der Mischungsschicht. Die Abweichungen, die oberhalb der Inversionsschicht beobachtet wurden, könnten durch ein schwaches Turbulenzsignal in bestimmten Strömungskonfigurationen erklärt werden. Das virtuelle BLR produziert Ergebnisse, die mit den LES Datafeldern konsistent sind. Algorithmen für die Signalverarbeitung eines Wind-Profil Radars können mit den Statistiken erster, zweiter, und dritter Ordnung (Mittelwert, Varianz, und Schiefe) der vertikalen Geschwindigkeit, die von dem virtuellen BLR ausgegeben werden, evaluiert werden.

Document Type: Research Article

DOI: http://dx.doi.org/10.1127/0941-2948/2009/0371

Publication date: April 1, 2009

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