Published February 17, 2022 | Version v1
Publication Open

Clear Air Turbulence Observed Across a Tropopause Fold Over the Drake Passage—A Case Study

Creators

  • 1. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 2. National Meteorological Service
  • 3. Dirección de Investigación y Desarrollo

Description

Abstract An aircraft turbulence encounter over the Drake Passage is investigated by combining unique high‐frequency flight level data, vertical profiles of a near‐simultaneous radiosonde profile and numerical results from global and regional numerical weather prediction (NWP) models. Meteorological analysis reveals an intense polar low propagating from the Bellinghausen Sea toward the Drake Passage. A small and deep stratospheric intrusion formed a tropopause fold that promoted strong upper‐level frontogenesis and enhanced shear and horizontal deformation of the upper tropospheric and lower stratospheric (UTLS) airflow. In this region, the Basic HALO Measurement and Sensor System (BAHAMAS) aboard the HALO research aircraft flying at FL450 detected large peak‐to‐peak variations in all meteorological parameters. The computed Energy dissipation rate (EDR) values (cubic root of the eddy dissipation rate) indicate moderate to severe turbulence. The location of this turbulence encounter was well‐predicted by the clear air turbulence (CAT) indices derived from the NWP results. The enhanced CAT indices emphasize the large shear and horizontal deformation of the airflow as the cause of the turbulence. Horizontal and vertical energy spectra calculated from the 10 Hz BAHAMAS data show a well‐defined energy cascade toward small scales with Kolmogorov scaling. Maximum EDR values of about 0.35 derived both from the spectra and structure functions for the wind speed agree quantitatively very well. In addition, the structure functions support the detection of turbulent atmospheric conditions with signatures of flow anisotropy generated by enhanced thermal stratification in the UTLS. The scales involved are between the buoyancy length scale L B ≈ 1,500 m and the Ozmidov scale L O ≈ 111 m.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص يتم التحقيق في مواجهة اضطراب الطائرات فوق ممر دريك من خلال الجمع بين بيانات مستوى الطيران الفريد عاليالتردد، والملفات الرأسية لملف تعريف مسبار لاسلكي شبهمتزامن والنتائج العددية من نماذج التنبؤ بالطقس الرقمي العالمية والإقليمية (NWP). يكشف تحليل الأرصاد الجوية عن انخفاض قطبي شديد ينتشر من بحر بيلينغهاوزن نحو ممر دريك. شكل تسلل صغير وعميق في الستراتوسفير طية تروبوبوز التي عززت تكوين الجبهة العلوي القوي وتعزيز القص والتشوه الأفقي لتدفق هواء التروبوسفير العلوي والستراتوسفير السفلي (UTLS). في هذه المنطقة، اكتشف نظام قياس واستشعار الهالة الأساسي (جزر البهاما) على متن طائرة أبحاث الهالة التي تحلق في FL450 اختلافات كبيرة من الذروة إلى الذروة في جميع معايير الأرصاد الجوية. تشير قيم معدل تبديد الطاقة المحسوبة (EDR) (الجذر المكعب لمعدل تبديد الدوامة) إلى اضطراب معتدل إلى شديد. كان موقع مواجهة الاضطراب هذا متوقعًا جيدًا من خلال مؤشرات الاضطراب الجوي الصافي (CAT) المستمدة من نتائج NWP. تؤكد مؤشرات CAT المحسنة على القص الكبير والتشوه الأفقي لتدفق الهواء كسبب للاضطراب. تُظهر أطياف الطاقة الأفقية والرأسية المحسوبة من بيانات جزر البهاما 10 هرتز سلسلة طاقة محددة جيدًا نحو المقاييس الصغيرة مع تحجيم كولموغوروف. تتوافق قيم EDR القصوى البالغة حوالي 0.35 والمستمدة من كل من وظائف الأطياف والهيكل لسرعة الرياح بشكل جيد للغاية من الناحية الكمية. بالإضافة إلى ذلك، تدعم وظائف الهيكل الكشف عن الظروف الجوية المضطربة مع دلالات تباين خواص التدفق الناتجة عن التقسيم الحراري المحسن في UTLS. المقاييس المعنية هي بين مقياس طول الطفو L B ≈ 1,500 m ومقياس Ozmidov L O ≈ 111 m.

Translated Description (French)

Résumé Une rencontre de turbulence d'avion sur le passage de Drake est étudiée en combinant des données uniques de niveau de vol à hautefréquence, des profils verticaux d'un profil de radiosonde quasi simultané et des résultats numériques de modèles de prévision météorologique numérique (NWP) mondiaux et régionaux. L'analyse météorologique révèle une dépression polaire intense se propageant de la mer de Bellinghausen vers le passage de Drake. Une petite intrusion stratosphérique profonde a formé un pli de tropopause qui a favorisé une forte frontogenèse de niveau supérieur et amélioré le cisaillement et la déformation horizontale du flux d'air de la haute troposphère et de la basse stratosphère (UTLS). Dans cette région, le système de mesure et de capteur de HALO de base (BAHAMAS) à bord de l'avion de recherche HALO volant à FL450 a détecté de grandes variations decrête à crête dans tous les paramètres météorologiques. Les valeurs calculées du taux de dissipation d'énergie (EDR) (racine cubique du taux de dissipation des tourbillons) indiquent des turbulences modérées à graves. L'emplacement de cette rencontre de turbulence a été bien prédit par les indices de turbulence en air clair (CAT) dérivés des résultats de la PNT. Les indices CAT améliorés soulignent le cisaillement important et la déformation horizontale du flux d'air comme cause de la turbulence. Les spectres d'énergie horizontaux et verticaux calculés à partir des données des BAHAMAS à 10 Hz montrent une cascade d'énergie bien définie vers les petites échelles avec la mise à l'échelle de Kolmogorov. Les valeurs EDR maximales d'environ 0,35 dérivées à la fois des spectres et des fonctions de structure pour la vitesse du vent s'accordent quantitativement très bien. En outre, les fonctions de structure prennent en charge la détection de conditions atmosphériques turbulentes avec des signatures d'anisotropie d'écoulement générées par une stratification thermique améliorée dans l'UTLS. Les échelles concernées se situent entre l'échelle de longueur de flottabilité L B ≈ 1 500 m et l'échelle d'Ozmidov L O ≈ 111 m.

Translated Description (Spanish)

Resumen Se investiga un encuentro de turbulencia de aeronaves sobre el Paso Drake combinando datos únicos de nivel de vuelo de altafrecuencia, perfiles verticales de un perfil de radiosonda casi simultáneo y resultados numéricos de modelos de predicción numérica del tiempo (NWP) globales y regionales. El análisis meteorológico revela una intensa baja polar que se propaga desde el mar de Bellinghausen hacia el paso de Drake. Una intrusión estratosférica pequeña y profunda formó un pliegue de tropopausa que promovió una fuerte frontogénesis de nivel superior y una mayor cizalladura y deformación horizontal del flujo de aire de la troposfera superior y la estratosfera inferior (UTLS). En esta región, el Sistema Básico de Medición y Sensor de HALO (BAHAMAS) a bordo del avión de investigación HALO que volaba en FL450 detectó grandes variaciones pico a pico en todos los parámetros meteorológicos. Los valores calculados de la tasa de disipación de energía (EDR) (raíz cúbica de la tasa de disipación de remolinos) indican una turbulencia moderada a severa. La ubicación de este encuentro de turbulencia fue bien predicha por los índices de turbulencia de aire claro (CAT) derivados de los resultados de NWP. Los índices CAT mejorados enfatizan la gran cizalladura y la deformación horizontal del flujo de aire como la causa de la turbulencia. Los espectros de energía horizontal y vertical calculados a partir de los datos de BAHAMAS de 10 Hz muestran una cascada de energía bien definida hacia escalas pequeñas con escala de Kolmogorov. Los valores máximos de EDR de aproximadamente 0,35 derivados tanto de los espectros como de las funciones de estructura para la velocidad del viento concuerdan muy bien cuantitativamente. Además, las funciones de estructura soportan la detección de condiciones atmosféricas turbulentas con firmas de anisotropía de flujo generadas por estratificación térmica mejorada en la UTLS. Las escalas involucradas están entre la escala de longitud de flotabilidad L B ≈ 1,500 m y la escala de Ozmidov L O ≈ 111 m.

Files

Lachnitt-Gravity-wave-induced-cross-isentropic-mixing.pdf.pdf

Files (7.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:db5a1dd168a3f13ac2b4dff1fcb81b82
7.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تم ملاحظة اضطراب الهواء الصافي عبر طية تروبوبوز فوق ممر دريك - دراسة حالة
Translated title (French)
Turbulence d'air claire observée à travers une tropopause repliée sur le passage de Drake - Étude de cas
Translated title (Spanish)
Turbulencia de aire clara observada a través de un pliegue de tropopausa sobre el pasaje de Drake: un estudio de caso

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4210682928
DOI
10.1029/2021jd035908

Is supplement to
https://openalex.org/W4230262382 (Other)
https://openalex.org/W4206711903 (Other)
https://openalex.org/W4205888579 (Other)
https://openalex.org/W3128621198 (Other)
https://openalex.org/W2161309518 (Other)
https://openalex.org/W2126759231 (Other)
https://openalex.org/W2082403003 (Other)
https://openalex.org/W2049323483 (Other)
https://openalex.org/W2032651960 (Other)
https://openalex.org/W1997966545 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1690863149
  • https://openalex.org/W1912930600
  • https://openalex.org/W1968822519
  • https://openalex.org/W1970121746
  • https://openalex.org/W1971284968
  • https://openalex.org/W1974861878
  • https://openalex.org/W1975871748
  • https://openalex.org/W1982077162
  • https://openalex.org/W1985550815
  • https://openalex.org/W1986902435
  • https://openalex.org/W1987735184
  • https://openalex.org/W1988505818
  • https://openalex.org/W1988853599
  • https://openalex.org/W1991589335
  • https://openalex.org/W1993003606
  • https://openalex.org/W1996958037
  • https://openalex.org/W2002521355
  • https://openalex.org/W2021350270
  • https://openalex.org/W2023836312
  • https://openalex.org/W2025544603
  • https://openalex.org/W2035161185
  • https://openalex.org/W2039719384
  • https://openalex.org/W2045206423
  • https://openalex.org/W2050523214
  • https://openalex.org/W2055895403
  • https://openalex.org/W2057067361
  • https://openalex.org/W2057241469
  • https://openalex.org/W2057526502
  • https://openalex.org/W2057858054
  • https://openalex.org/W2069092589
  • https://openalex.org/W2072436020
  • https://openalex.org/W2073767379
  • https://openalex.org/W2074855599
  • https://openalex.org/W2075731116
  • https://openalex.org/W2077360121
  • https://openalex.org/W2078784019
  • https://openalex.org/W2079380415
  • https://openalex.org/W2079924911
  • https://openalex.org/W2080880333
  • https://openalex.org/W2088232017
  • https://openalex.org/W2089114228
  • https://openalex.org/W2101000088
  • https://openalex.org/W2102378242
  • https://openalex.org/W2104844697
  • https://openalex.org/W2106822551
  • https://openalex.org/W2110179017
  • https://openalex.org/W2111211820
  • https://openalex.org/W2114883075
  • https://openalex.org/W2115178115
  • https://openalex.org/W2116247029
  • https://openalex.org/W2124304951
  • https://openalex.org/W2126716316
  • https://openalex.org/W2131070146
  • https://openalex.org/W2134961012
  • https://openalex.org/W2135902443
  • https://openalex.org/W2139308130
  • https://openalex.org/W2147595550
  • https://openalex.org/W2155225720
  • https://openalex.org/W2156404606
  • https://openalex.org/W2156649463
  • https://openalex.org/W2160741281
  • https://openalex.org/W2165051602
  • https://openalex.org/W2174157322
  • https://openalex.org/W2302668371
  • https://openalex.org/W2317202878
  • https://openalex.org/W2342318594
  • https://openalex.org/W2395229207
  • https://openalex.org/W2408339837
  • https://openalex.org/W2487235727
  • https://openalex.org/W2498034661
  • https://openalex.org/W2527867489
  • https://openalex.org/W2543775906
  • https://openalex.org/W2607076173
  • https://openalex.org/W2750876955
  • https://openalex.org/W2792978536
  • https://openalex.org/W2797242709
  • https://openalex.org/W2801521722
  • https://openalex.org/W2818956359
  • https://openalex.org/W2858648650
  • https://openalex.org/W286786486
  • https://openalex.org/W2932119131
  • https://openalex.org/W2939383010
  • https://openalex.org/W2942589749
  • https://openalex.org/W2963915669
  • https://openalex.org/W2974305782
  • https://openalex.org/W2979559266
  • https://openalex.org/W3005622665
  • https://openalex.org/W3008445448
  • https://openalex.org/W3011973493
  • https://openalex.org/W3023258028
  • https://openalex.org/W3025949386
  • https://openalex.org/W3093409213
  • https://openalex.org/W3095256205
  • https://openalex.org/W3118040071
  • https://openalex.org/W3130141835
  • https://openalex.org/W3132015148
  • https://openalex.org/W3173770305
  • https://openalex.org/W4243066586
  • https://openalex.org/W4308809629
  • https://openalex.org/W583311967