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Die Kinematik der Leewellenströmung |
In den nachfolgenden Kapiteln soll zunächst auf den Einfluß der Orographie auf horizontale Luftströmungen, sowie auf die allgemeinen Eigenschaften und Merkmale von orographisch induzierten Wellen eingangen werden. Danach werden die Faktoren besprochen, die die Entstehung von Leewellen bestimmen und deren Eigenschaften wie Wellenlänge, Amplitude und Vertikalgeschwindigkeit beeinflussen.
3.1 Einfluß der Orographie auf die horizontale Strömung
Jede orographische Erhebung im Gelände, sei es ein einzelner Berg oder eine ausgedehnte Gebirgskette, stellt ein natürliches Hindernis für die horizontale Luft-strömung dar. Der Einfluß eines solchen Hindernisses auf die Luftströmung ist bestimmt durch
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Dimension und Form des Gebirges: Höhe, Länge der Gebirgskette, Breite des Berges |
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Windgeschwindigkeit und Windrichtung relativ zum Gebirge, sowie vertikales Windprofil |
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Vertikales Temperaturprofil bzw. Vertikalverlauf der Stabilität |
Strömt Luft gegen ein Gebirge so wird die Strömung dahingehend modifiziert, dass die Strömung im Luv blockiert (blocking) bzw. horizontal abgelenkt wird (Umströmung), und/oder die Luft erfährt eine vertikale Auslenkung nach oben und überströmt das Gebirge. Weiters tendiert die Luft dazu, das Gebirge bevorzugt über dessen niedrigsten Erhebungen (Pässe) zu überströmen, was zu Kanalisierungseffekten (channeling, gap flow) führt, wie es z. B. im Wipptal über dem Brenner der Fall ist.
Für das Auftreten von Wellen ist natürlich eine (zumindest partielle) Überströmung des Hindernisses erforderlich ist. D.h. es muß untersucht werden, ob in einem gegebenen Fall das Gebirge größtenteils um -oder überströmt wird.
Eine Maßzahl, die beschreibt, ob die Tendenz einer Umströmung oder die einer Überströmung gegeben ist, ist die sogenannte Froude-Zahl (Durran, 1990 und Blumen, 1990) die wie folgt definiert ist
Fr....Froude-Zahl
U....Strömungsgeschwindigkeit [ms-1]
N....Brunt-Väisälä-Frequenz [s-1]
H....Hindernißhöhe [m]
Vom energetischen Standpunkt aus gesehen benötigt die Luft, die ein Hindernis erreicht, eine entsprechende kinetische Energie, um entgegen der Schwerkraft aufzusteigen, und den Berg überströmen zu können. Weiters wird es der Luft erleichtert, gegenüber der Schwerkraft aufzusteigen, je weniger stabil die Luft (vom Fuß des Berges bis Gipfelniveau) geschichtet ist. Je größer die Höhe des Gebirges, desto eher versucht die Luft das Hindernis zu umströmen. Gewaltige Gebirgsmassive wie z. B der Himalaya werden großräumig umströmt.
Als Hindernishöhe H ist nicht die absolute Höhe (Seehöhe über Meeresniveau), sondern die relative Höhe zu betrachten. Die relative Höhe ist im Normalfall die Erhöhung des Berges gegenüber des umliegenden Flachlandes bzw. der umliegenden Täler. Im Fall einer vorhandnen Bodeninversion (z.B. Kaltluftsee im Winter) ist die relative Höhe H gegeben durch den Höhenunterschied zwischen Kammniveau und Inversionshöhe (siehe Abb. 3.1, weiter unten).
Tendiert die Luft zur Umströmung des Gebirges zu spricht man vom sogenannten subkritischen Fluss (Fr < 0). Bei einem superkritischen Fluss (Fr > 0) sind die Verhältnisse günstig, dass der Berg überströmt wird.
Wie in Gl. 3.1 ersichtlich, wird das Überströmen eines Gebirges begünstigt durch
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Hohe Windgeschwindigkeit |
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Geringe Stabilität vom Boden bis Kammnviveau |
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Geringe relative Höhe des Hindernisses |
In Abb. 3.1 bzw. Abb. 3.2 sind die jeweils günstigen Situationen für das Überströmen bzw. das Umströmen des Gebirges dargestellt.
Wie in Abb. 3.1 ersichtlich wird das Überströmen begünstigt durch die geringe relative Höhe des Berges (bedingt durch die bodennahe Kaltluft), sowie durch die geringe Stabilität und hohe Windgeschwindigkeit oberhalb der Bodeninversion.
Bei der in Abb. 3.2 dargestellten Situation ist die Windgeschindigkeit deutlich geringer (auch wenn der Bodenwind im Fall von Abb. 3.2 höher ist als im Fall von Abb. 3.1) und die Schichtung oberhalb der durchmischten Schicht ist stabiler. Der Berg wird umströmt. Lediglich im Bereich des Gipfels erfolgt eine Überströmung, die aber kaum von Bedeutung ist. Weitere Ausführungen sind in Durran (1990) und Blumen (1990) zu finden.
Basierend auf Untersuchungen von Gerbier und Bèrenger in den Französischen Alpen zeigt sich, dass in den bodennachen Schichten das Gebirge hauptsächlich umströmt und ab einer bestimmten Höhe das Hindernis überströmt wird (Barry, 1994). Die Grenze zwischen der um -bzw. überströmenden Luft, die sog. "dividing streamline", kann sehr scharf ausgeprägt sein. Die Höhenlage der dividing streamline ist, sowohl von den atmosphärischen Bedingungen (Low-Level Inversion), als auch von der Dimension und Form des Gebirges abhängig.
Einzelne Erhebungen in einer sonst orographisch flacheren Landschaft oder freihstehende, höhere Berggipfel werden von der auftreffenden Strömung in der Regel umströmt. Die Übergangszone von umströmender zu überströmender Luft befindet sich im Bereich des Gipfels. Bei langgestreckten Gebirgszügen (Alpen, Skandinavisches Gebirge) ist das Überströmen wesentlich stärker ausgeprägt.
Ist das Gebirge luvseitig konvex gekrümmt, so wird eine Umströmung begünstigt, während bei einer konkaven Form die Luft gezwungen, das Hindernis zu überströmen.
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Abb. 3.3.: |
Effekt des Umströmens bzw. des Überströmens beim Auftreffen einer horizontalen Strömung auf ein Hindernis. Links langgestreckter Gebirgszug, rechts einzelner Berg. (Barry, 1993, nach Gerbier und Bèrenger) |
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