Numerical modelling of Bora winds

SummaryThe Bora winds are produced by cold stable air which pours over the Dinaric Alps, often producing intense winds along the Adriatic Coast. Although the flow appears qualitatively similar to the hydraulic flow described by the shallow-water equations, there are certain significant differences: the cold low-level air is continuously stratified and a critical layer in the winds typically occurs near the inversion which caps the cold pool of air. Through two-dimensional numerical mountain wave simulations, we investigate the extent to which hydraulic theory can be used to describe the Bora winds. We analyze the structure of the Bora flow derived from aircraft observations collected during the ALPEX field phase on 15 April 1982 and compare it with a numerical simulation initialized from upstream sounding data. By varying the environmental sounding in our simulations, we find that for this case, neither the critical layer nor the inversion layer play a fundamental dynamical role in generating the strong winds along the lee slope. Instead, the wave overturning which occurs beneath the inversion appears to be the most important factor in producing the strong response. This overturning produces shooting flow over the lee slope and strongly resembles the hydraulic flow which occurs both in shallow water theory and in simulations in which over-turning is suppressed. We believe the hydraulic jump-like mechanism producing the strong Bora slope winds is fundamentally similar to the underlying mechanism which produces the intense winds along the lee slope of the Rocky Mountains. This occurs despite significant differences in the character of the larger scale flow in these two situations.ZusammenfassungDie Borawinde entstehen durch kalte, stabile Luft, die über die Dinarischen Alpen fließt und dabei oft heftige Winde entlang der adriatischen Küste erzeugt. Obwohl die Strömung der mit Hilfe der Seichtwassergleichungen beschriebenen hydraulischen Strömung qualitativ ähnlich ist, gibt es bestimmte, signifikante Unterschiede: die kalte, bodennahe Luft ist kontinuierlich geschichtet und charakteristischerweise befindet sich eine kritische Windschicht nahe der Inversion, die den Kältesee abschließt. Mittels zweidimensionaler, numerischer Gebirgswellensimulationen untersuchen wir, in welchem Ausmaß die hydraulische Theorie zur Beschreibung von Borawinden herangezogen werden kann. Wir analysieren die Struktur der Boraströmung, die während der ALPEX-Meßphase am 15. April 1982 vom Flugzeug aus beobachtet wurde, und vergleichen sie mit einer numerischen Situation, die mit Daten aus einer Sondierung im Anströmgebiet initialisiert wird. Durch Variieren der Sondierung in den Simulationen haben wir herausgefunden, daß in diesem Fall weder die kritische noch die Inversionsschicht eine fundamentale dynamische Rolle bei der Entstehung der heftigen Winde entlang des leeseitigen Hanges spielen. Stattdessen scheint die umschlagende Welle unterhalb der Inversion der wichtigste Faktor bei der Erzeugung dieser heftigen Reaktion zu sein. Dieses Umschlagen erzeugt eine sehr schnelle Strömung über dem leeseitigen Hang und gleicht damit stark der hydraulischen Strömung, die sowohl in der Seichtwassertheorie vorkommt, als auch in Simulationen, in denen das Umschlagen unterdrückt wird. Wir glauben, daß der dem “hydraulic jump” ähnliche Mechanismus, der die heftigen Borahangwinde hervorruft, grundsätzlich dem Mechanismus gleicht, der die heftigen Winde entlang der leeseitigen Hänge der Rocky Mountains erzeugt. Und das, obwohl signifikante Unterschiede in den Eigenschaften der großräumigen Strömung in diesen beiden Situationen bestehen.