Numerical investigations of shallow moist convection

Weidauer, Thomas

Atmosphaerische Konvektion ist ein sehr aktives Forschungsfeld mit vielen Richtungen, etwa Messtechnik, Laborexperimente und numerische Simulationen. Ein Grossteil dieser Simulationen sind sogennante Large-Eddy-Simulationen, bei denen nur die grossskaligen Stroemungsstrukturen aufgeloest werden und kleinere Strukturen der Turbulenz modelliert sind. Jedoch spielen genau diese kleineren Strukturen eine wichtige Rolle fuer das Verstaendnis physikalischer Prozesse innerhalb von Wolken. Deshalb werden in dieser Arbeit bevorzugt direkte numerische Simulationen durchgefuehrt, die alle turbulenten Laengenskalen aufloesen. Die hoehere Aufloesung geht aber auf Kosten der physikalischen Komplexitaet und der erreichbaren Turbulenzstaerke. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Einfuehrung in die Gebiete thermische und atmosphaerische Konvektion. Besondere Beachtung erhaelt dabei das komplexe Zusammenspiel zwischen turbulenter Stroemung und physikalischer Prozesse auf sehr kleinen Groessenskalen. Auch wie Wolken auf das Klima der Erde einwirken wird diskutiert. Anschliessend wird das Modell fuer feuchte Rayleigh-Benard Konvektion vorgestellt.Im Hauptteil der Dissertation werden Resultate der numerischen und analytischen Untersuchungen praesentiert. Zu Beginn liegt der Fokus auf dem Uebergang zur Turbulenz. Einige Eigenschaften dieses Uebergangs sind Aehnlich derer einfacher Scherstroemungen. Folglich koennen Methoden, die fuer die Untersuchung des Turbulenzuebergangs solcher Stroemungen entwickelt wurden, in abgwandelter Form hier genutzt werden. Im weiteren werden Ergebnisse direkter numerischer Simulationen diskutiert. Geometrische Eigenschaften der simulierten Wolken sowie der Einfluss der thermischen Randbedingungen sind Inhalt der folgenden Abschnitte. Ueber die ganze Arbeit hinweg werden die Resultate mit Erkenntnissen aus trockener Rayleigh-Benard und atmosphaerischer Konvektion verglichen.Das Hauptaugenmerk der Arbeit liegt auf der Erforschung des Effekts latenter Waermefreisetzung auf atmosphaerische konvektive Prozesse, ohne Beruecksichtigung anderer relevanter Prozesse, wie zum Beispiel Niederschlag.

Atmospheric convection is a matter of ongoing research, either in terms of measurement techniques, laboratory experiments or numerical simulations. Usually the numerical computations are performed using large eddy simulations -- where only large scale flow structures are resolved and the effect of small scale flow structures on turbulent motion is modelled using subgrid scale models. However, it is well-known that the small scale flow structures play an important role in understanding the physics of shallow cumulus convection. Therefore, in the thesis, direct numerical simulations are performed -- where all the turbulent length scales are resolved. This naturally limits the work to moderate turbulence and a reduced physical complexity. In this thesis, the simulations are performed using a simplified model for moist convection.The thesis opens with a brief introduction to thermal and atmospheric convection. Light is shed on the complex interaction between cloud physics and fluid turbulence. Furthermore, the larger picture of the influence of clouds on the Earth's climate is also discussed. After that, the moist Rayleigh-Benard convection model is introduced.In the main part of the thesis the results of computer experiments and analytical investigations are presented and analyzed. First, focus is placed upon the onset of convection and the transition to turbulence. The onset of moist convection is found to share some properties with the transition in simple shear flows, techniques developed for the investigation of shear flows are adopted to the current problem. Results of direct numerical simulations are presented afterwards. Geometric properties and the influence of the thermal boundary conditions are investigated in the last sections. Throughout this work the results are compared with those from the case of dry Rayleigh-Benard convection and other investigations of atmospheric convection.The quintessence of this work is to clarify how latent heating affects atmospheric convection, in absence of further relevant effects, such as precipitation.

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Weidauer, Thomas: Numerical investigations of shallow moist convection. 2013.

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