3.2.3 Brechende Wellen

Ursache für das Auftreten von plötzlich starker Turbulenz in der sonst sehr ruhigen, laminaren Wellenströmung ist das Brechen von Wellen. Unter dem Einfluss von starker vertikaler Windscherung (Windabnahme mit der Höhe oder vertikale Richtungsscherung) können die Wellenflanken so steil werden, dass sie sich überschlagen, was dazu führt, dass die Welle - ähnlich wie bei der Meeresbrandung - bricht. Dabei wird in der stabil geschichteten Atmosphäre kalte Luft über die darunter liegenden wärmeren Luft geworfen, wodurch eine starke lokale statische Instabilität auftritt, was zu schwerster Turbulenz führen kann.

Neben einer signifikanten Windscherung wird das Wellenbrechen begünstigt durch geringe statische Stabilität. Zwischen der vertikalen Windscherung und dem vertikalen Temperaturgradienten besteht die Beziehung (Georgii, 1968)

 

 

Das heißt, zu jedem vertikalen Temperaturgradienten gehört ein kritischer Wert der Windänderung mit der Höhe (). Entspricht die vorherrschende vertikale Windänderung dem kritischen Wert, dann herrscht Gleichgewicht zwischen der Energie der Windscherung und jener der Stabilität der thermischen Schichtung. Bei noch stärkerer Windscherung ist dessen Energie größer, als der Energieverlust, der durch die Arbeit der Strömung gegen die stabile Schichtung der Atmosphäre eintritt, d. h., es kommt zur sogenannten dynamischen Turbulenz. Gl. 3.2 kann unter Verwendung von Gleichung 2.16 übergeführt werden in (Georgii, 1968)

 

 

Der Quotient von Gl. 3.3, der auch als Richardsonzahl bekannt ist, stellt die Arbeitsleistung gegen die Schwerkraft (stabile Schichtung) mit der Energie aus der vertikalen Windscherung gegenüber. Turbulenz ist zu erwarten bei Ri<1.

Brechende Wellen treten einerseits in niederen Schichten im Bereich der Rotoren auf, andererseits wird dieses Phänomen auch in höheren Nivaus (oberhalb von 5km Höhe), vor allem im Jetniveau im Bereich negativer Windscherung oberhalb der Tropopause, beobachtet.