Vedleggsrapport 2. Luftfartsulykken med Twin Otter LN-BNK nær Gamvik 11. mars Vedlegg 21

Transkript

1 Vedleggsrapport 2 327

2

3 Vedleggsrapport Innledning Mehamn-kommisjonen har tidligere bedt Meteorologisk institutt (MI) om en rapport om værforholdene på ulykkesdagen 11.mars Rapporten til MI (Nordeng et al., 2003) beskriver værforholdene basert på modell-simuleringer med modeller med oppløsning fra 10 km ned til 1 km. Dessuten beskrives den storstilte værsituasjonen med data fra ECMWF's reanalyser, som ble brukt som utgangspunkt for modell-simuleringene. Kommisjonen ba også Vector AS, som driver med simuleringer av vindfelt for kommersielle formål, å utføre simuleringer med sin modell. Oppløsningen til Vector sin modell varierte mellom 300m og 25m. Imidlertid har Vector sin modell innebygd forutsetninger som gjør at det ikke er så lett å sammenholde resultatene med MI sine modellresultater. Vector sine resultater er presentert i (Gravdal, 2003). MI sine resultater har blitt vurdert til å være rimelig nær virkeligheten, men har en oppløsning i rom som ikke er tilstrekkelig når en ser den relativt lengden på en Twin Otter. Dette gjelder også de supplerende simuleringene (Nordeng, 2004) som MI utførte. På den annen side har Vector sin modell en oppløsning som er tilstrekkelig, men modellen gir neppe realistiske resultater på grunn av de forutsetningene og begrensingene som ligger i modellen. Det foreliggende arbeid er et forsøk på å kombinere god nok oppløsning med realistiske resultater. Vi har valgt å bruke MC2-modellen, som vi mener er en robust finskala værmodell som er vel egnet til formålet, se f.eks. (Benoit et al, 1997) og (Schaer et al, 2002). Modellen er en nyere versjon av den MC2-modellen som ble brukt i MI sine modellkjøringer med 1km oppløsning. Detaljer som framkommer med våre simuleringer som ikke MI eller Vector sine resultater viser, blir kommentert i detalj hvis det anses relevant for flyvning. Det fins imidlertid en rekke interessante detaljer i modell-resultatene som belyser mange aspekter i finskala meteorologi og geofysisk fluid dynamikk generelt, men dette får vi rapportere i andre former senere. Vi har brukt et 3D visualiseringsverktøy, OpenDX, til å presentere modell-resultatene. Slike figurer vil inneholde en god del informasjon og kan nok være vanskelig å lese for den som ikke er vant til 3D visualisering og/eller felter fra finskala værmodeller.

4 330 Vedleggsrapport 2 2 Imidlertid er det sjelden enkelt å presentere felter i 3 romdimensjoner og tid på en enkel måte. Det fins flere måter å presentere 3D-felter på,og hva som er best egnet vil være avhengig av den som ser. Resultatene fra simuleringene på de fineste skalene inneholder også så mange detaljer at det er vanskelig å gi et godt inntrykk av situasjonen selv med de forhodsvis mange figurene som er brukt i denne rapporten. 2. Modell-oppsett Resultatene presentert i MI sin rapport og redegjørelse (Nordeng et al.,2003) (Nordeng,2004) kommer fra ERA40, reanalysene til ECMWF, den operasjonelle HIRLAM-modellen med 10 km oppløsning, og MC2-modellen med 1km oppløsning. I MI's andre rapport er også UK MetOffice modellen og MM5-modellen brukt. Vi har gått ut fra det samme utgangspunkt, ERA40, og kjørt Storms operasjonelle MM5- modell med 12 km oppløsning som første trinn i nestings-prosessen. Neste trinn var MC2- modellen med 3 km oppløsning over et område som dekker nordlige Nordland, Troms og Finnmark med tilhørende havområder. I denne 3km modellen ble det nestet en MC2 med 1 km oppløsning. Denne modellen dekket et område på ca. 100x100 km og antall vertikalnivåer var 60. Disse nivåene var plassert slik at det var 9 nivåer under 100m, 30 nivåer under 1000 m og 40 nivåer under 3000 m. Det neste nivået i nestingen var MC2- modellen med 250 m oppløsning i et 101x101 grid og med 70 vertikalnivåer. Modellområdet dekker ca. 25x25 km og modelltoppen var 15 km. I modelloppsettene for 1 km og 250 m kjøringene ble det kun benyttet parametrisering av turbulens, bakke, stråling og kondensasjon. Modell-topografien for 250 m oppløsning er vist i figur 1.I denne figuren og i alle de påfølgende figurer har vi skalert z-aksen med en faktor 3 for å få fram detaljene i topografien bedre. Det nest innerste nivået i nestingen var MC2-modellen med 75m oppløsning i et 201x201 grid ogmed 70 vertikalnivåer med modelltopp 15km. I denne simuleringen ble det kun benyttet parametrisering av turbulens og bakke. Modellområdet dekker den nordlige delen av Omgangslandet og havområdene i nærheten. Utstrekningen av modellområdet er ca. 15x15 km. Modell-topografien for 75 m oppløsning er vist i figur 2, og vi ser at den inneholder langt flere detaljer enn topografien i figur 1. Det innerste nivået i nestingen var MC2-modellen med 25 m oppløsning (25 m er oppløsningen til den digitale terrengmodellen vi benytter) i et 201x201 grid og med 80 vertikalnivåer. Modelltoppen var også her 15 km. Modellområdet dekker et 5x5 km område nordøst på Omgangslandet og er vist i figur 3. Formålet med 25 m kjøringen var å studere i detalj hvordan vindforholdene var når flyet kom innover Omgangslandet.

5 Vedleggsrapport Figur 1: Topografi for MC2-modellen med 250 m horisontal oppløsning.

6 332 Vedleggsrapport 2 4 Figur 2: Topografi for MC2-modellen med 75 m horisontal oppløsning. Figur 3: Topografi for MC2-modellen med 25 m horisontal oppløsning.

7 Vedleggsrapport Værsituasjonen Den generelle værsituasjonen er klart beskrevet i MI sin rapport (Nordeng et al.,2003), så vi kommenterer bare spesielt det som er kommet fram ved MC2-simuleringene med 1km og 250 m oppløsning. Den storstilte værsituasjonen ble bestemt av et utstrakt lavtrykksområde med sentrum over Island og et høytrykk med sentrum over sørlige deler av Novaja Semlja. Disse trykksystemene satte opp en forholdsvis sterk sørlig luftstrøm over Finnmark der kald innlandsluft strømmer nordover. ERA40-dataene gir et vindmaksimum ved ca. 800 m på 24 m/s som avtar til 13 m/s i ca m. Fra 600m til ca m er det en kraftig temperaturinversjon (ca. 7 grader), og de største vindhastighetene forekommer i denne inversjonen. Simuleringene på finere skala viser da hvordan denne storstilte værsituasjonen påvirkes av topografi, land/hav temperatur-gradienter osv. Med hensyn til temperaturforhold og stabilitet viser simuleringene våre med 1km og 250 m oppløsning at: Et godt gjennomblandet grenselag med varierende tykkelse der temperaturen er -10 til -12 grader over land og et tynt grenselag med temperatur -2 til -3 grader over hav. Se figur 3 der temperaturen blir vist i et nord-sør snitt, og figur 5 der potensiell temperatur er vist i samme snitt. En kraftig og tildels skarp inversjon med temperaturforskjell opptil 10 grader. Tykkelsen av inversjonen varierer fra ca. 700 m ned til under 200 m, se figur 4. Tykkelsen av inversjonen er sterkt påvirket av terrenget, se figur 5 der temperaturen er vist i et snitt som omtrent tilsvarer flyets bane. Variasjonen av inversjonshøyden vil påvirke avbøyningen av de elektromagnetiske bølgene i de frekvensbåndene som er relevante for radar ved at brytningsindeksen er annerledes enn ved «standard» forhold, og dette har betydning for bestemmelsen av høyden på objektene som ses på radar. Le-bølge med amplitude ca. 400 m og bølgelengde 6-7 km dannet av Omgangslandet og områdene innenfor, se figur 6. Inversjonshøyden vil da ha denne bølgeformen. Eksistensen av le-bølge, som framkommer tydelig også i MI sine modell-kjøringer med 1 km oppløsning, kan ikke bekreftes direkte av observasjoner. Imidlertid er alle forhold som skaper le-bølger til stede ( se f.eks. (Wallington, 1977, s..211) og (Baines, 1998) ), nemlig: Sterk vind over en passende fjellformasjon, et godt gjennomblandet lag nederst, et tynt inversjonslag over dette laget, og et svakt stabilt lag over dette igjen. Derfor mener vi at simuleringene gir et realistisk bilde. Le-bølgens struktur formes av den lokale topografien, og dette vises i forskjellene mellom resultatene med 1km og 250 m oppløsning, se figurene 6 og 7. En sterk adiabatisk kompresjon av luftmassen nord for Omgangslandet, se figur 4. Kompresjonen fører til en temperaturforskjell på ca. 10 grader i samme høyde over havet. Der temperaturen er høyest er inversjons-høyden minst. Temperaturforskjellene en ser kan direkte sammenliknes med Føhn-effekten og er velkjent i de fleste områder med strømning over forholdsvis høye fjell. Feltene, for eksempel vindstyrke og vertikalhastighet varierer raskt med tiden. Modellresultater med 5 minutters mellomrom viser klare forskjeller. For å vise forskjellene enda klarere viser vi i figurene 8 og 9 vindstyrke i et snitt langs antatt flytrack med 10

8 334 Vedleggsrapport 2 6 minutters mellomrom. Siden modellen har en endelig oppløsning i rom og tid kan det antas at variasjonen i virkeligheten er raskere enn hva modell-resultatene viser. Med hensyn til vind er det her viktig å merke seg at vi her snakker om rask variasjon i middelvinden, og derfor vil den turbulente delen av vindfeltet variere enda raskere. Den raske variasjonen i middelvinden er noe som hittil bare er funnet ved bruk av modeller med meget høy oppløsning, se (Doyle og Durran, 2003) der det er vist resultater med 67 m oppløsning. Det er ikke mulig med dagens viten å si om denne tidsvariasjonen er periodisk eller ikke-periodisk (kaotisk). I begge tilfeller må en se på turbulensen som et stokastisk fenomen i tid. Simuleringene med 75 m oppløsning viser mange detaljer i feltene, vesentlig styrt av topografien. Hovedstrukturene i feltene er mye de samme som for simuleringene med 250 m oppløsning (og med 1 km oppløsning). Vi har derfor valgt å kommentere resultatene med 75 m oppløsning under avsnittene under om egenskaper ved vindfeltet, siden det er der viktige detaljer blir diskutert. Feltene i simuleringen med 25 m oppløsning viser enda flere detaljer, men med omtrent den samme struktur som for 75 m simuleringen. Det viktigste aspektet ved 25 m simuleringen og tildels 75 m simuleringen er å få et godt estimat på størrelsen av gradientene i vindkomponentene for å kunne beregne belastningen på et fly. Størrelsen på feltene er selvsagt også viktige, og spesielt forskjellene mellom 25 m og 75 m simuleringene. Siden 25 m simuleringene ikke sier så my mer om dne generelle værsituasjonen i forhold til 75 m simuleringene, har vi valgt å presentere resultatene for 25 m simuleringen i et eget notat der konteksten er belastninger på et fly. For å gi en indikasjon av hvor mye detaljer det er i 25 m simuleringen, tar vi i denne rapporten med 2 figurer, figurene 36 og 37 som blir kommentert under tilhørende avsnitt nedenfor. 4. Turbulens, flyvning og vindkast Turbulens er et begrep som har forskjellig betydning i forskjellige sammenhenger. I strømnings-sammenheng brukes oftest Reynolds hypotese der en dekomponerer vindfeltet i en middelvind over for eksempel 10 minutter og et turbulent bidrag. Det turbulente bidraget midlet i tid eller rom antas å være null. I luftfart brukes ordet turbulens om vertikale bevegelser forårsaket av vindfeltet. ICAO har definert 5 styrker av turbulens, og disse er direkte relatert til vertikal akselerasjon. For eksempel er «moderate turbulence» definert som vertikal akselerasjon i området 0.2 g til 0.5 g. Hvis en har vertikalvind-feltet fra en modell vil en kunne estimere gradienten langs flybanen, og gitt farten på flyet kan en beregne den vertikale akselerasjon som flyet opplever. Men igjen er dette innvirkningen fra middelvinden, og den turbulente delen av vinden vil sannsyligvis bidra med en akselerasjon som varierer raskere i tid men som ikke er så kraftig. Det er først når modelloppløsningen er tilstrekkelig god, f.eks. under 100m, at det er realistisk å beregne akselerasjoner fra modellfelter som kan relateres til fly-turbulens. Simuleringene våre med 75 m oppløsning skulle derfor være egnet til å estimere vertikale akselerasjoner. Et aktuelt vindfelt kan ha betydelig høyere vindkast enn si en 10 minutters middelvind, og kastfaktoren, dvs. forholdet mellom maksimal vind og middelvind har vist seg å variere betydelig, f.eks 1.3 over åpent hav, 1.6 over forholdsvis flatt terreng og 2.0 eller mer i

9 Vedleggsrapport komplisert terreng. Kastfaktoren vil da si hvor kraftig det turbulente vindfeltet vil være i forhold til middelvinden. Estimering av aktuell kastfaktor er temmelig vanskelig og ulike forenklinger er brukt for å kunne si noe fornuftig. I tillegg til avhengigheten av topografi og stabilitet, vil kastfaktoren også være avhengig av styrken på middelvinden: Generelt er kastfaktoren større for svake middelvinder enn for sterke middelvinder. Referansene (Woetmann Nielsen og Petersen, 2003), (Brasseur, 2001) og (Lungu og van Gelder, 2001) gir eksempler på måter å estimere kastfaktor på. Avhengig av forutsetningene viser resultatene en faktor på under stabile forhold og 1.5 og oppover under ustabile/godt blandede forhold slik som en har i grenselaget nord for Omgangsfjellet. Litteraturen gir ingen god pekepinn på hvilken kastfaktor en kan forvente rundt Omgangslandet, men det synes ikke urealistisk å regne med at den kan være større enn 2.0 i området. Målinger av kastfaktor i komplisert terreng, f.eks. i fjordlandskap har vist at kastfaktoren kan være 3.0 eller større, men i området ved Omgangsfjellet er det sannsynlig at den ikke er fullt så stor. 5. Egenskaper ved vindfeltet Vindfeltet ved Omgangslandet inneholder kompliserte strukturer, og det er vanskelig å presentere et 3D vektorfelt med tilhørende turbulensfelt på en oversiktlig måte. Vi har derfor prøvd å identifisere noen av egenskapene ved vindfeltet som vi mener betyr mest for flyvning og vil illustrere disse egenskapene ved modellresultat-figurer og forklaringer. 5.1 Vind i utvalgte snitt Vertikalsnitt av vinden som vektorer i nord-sør retning er vist i figur 4, og vindstyrken som skalarfelt sammen med vektorfeltet i figur 10. Vi ser at maksimal vindstyrke ligger omtrent i inversjonen. Styrken på inversjonen påvirker også maksimal vindstyrke på det vis at en profil der en har kraftig inversjon har en høyere maksimalvind enn en profil der inversjonen er svakere. Området med maksimal vindstyrke følger le-bølge mønsteret slik et hvis en fløy i for eksempel 1200 ft nordover fra Omgang ville en oppleve sterkt varierende vind (og temperatur). Vinden ved havoverflaten varierer også med le-bølge mønsteret, der bølgen er lavest er vinden sterkest og der bølgen er høyest blåser det minst. Vinden i et vertikalsnitt lang antatt flytrack er vist i figur 8. Vi ser igjen at maksimal vind ligger i et bestemt høydeintervall, men strukturen i vindfeltet er komplisert og bestemt av topografien på Omgangshalvøya og av Tanafjorden. Det er et område med sterk vind (ca. 50 knop) fra sør i ft høyde med når en kommer fra Tanafjorden og innover Omgang. Inne over Omgang er det en le-sone nederst og et belte med maksimalvind som er sterkt formet av terrenget. Maksimal vindstyrke er her ca. 40 knop og retningen varierer litt, noe som antakelig skyldes topografien. Et generelt trekk er at vindfeltet under ca ft nord for Omgang varierer sterkt både i retning og styrke og dette gjør at i et vertikalsnitt nær det snittet vi har valgt kan bildet se temmelig annerledes ut. For å illustrere dette viser vi i figur 11 et horisontalsnitt i 300 m over havet av vindstyrken som skalarfelt og vinden som vektorfelt. Planet med horisontalsnittet er gjort halv-gjennomsiktig slik at en skimter

10 336 Vedleggsrapport 2 8 kystlinjen under. Av denne figuren ser en tydelig både variasjonen i rom av både vindstyrke og retning. Så sterke horisontale vindskjær som det vises på figur 11 vil være en utfordring for flyvning med et lite fly. Fra simuleringen med 75m oppløsning ser en av figur 23, som viser et horisontalsnitt ca. 400 m over havet, at de horisontale gradientene i vinden er sterkere og at lesonen bak Omgangsfjellet er mer komplisert og styrt av terrengdeltaljer som ikke er med i 250 m simuleringen. Vindmaksimum er i det samme området og maksimal styrke er i praksis den samme. Situasjonen i 800 m over havet, se figur 24, viser også sterke gradienter, men le-sonen er mindre siden 800 m er langt over fjellhøyden. For å gi en indikasjon på hvordan terrengdetaljer påvirker vindfeltet er vindstyrken i et nord-sør snitt fra 25 m simuleringen vist i figur 36. Snittet er helt øst på Omgangslandet og vi ser bl.a. hvordan kollen Russevikhompen påvirker vindfeltet. 5.2 Vertikalhastigheter Vertkalhastigheten på vinden rundt Omgangsfjellet viser også en kraftig variasjon. Styrken i seg selv er ikke bemerkelsesverdig, men den raske variasjonen er det. Vi har sett ovenfor at ICAO sin definisjon av turbulens er direkte relatert til vertikale akselerasjoner, så rask variasjon av vertikalhastighet er en viktig egenskap ved vindfeltet. Vertikalhastigheten i et nord-sør snitt er vist i figur 12. Ved å sammenlikne med for eksempel figur 6, ser vi at vertikalhastigheten følger mønsteret i le-bølgen og at styrken er moderat: +/- 5 m/s. Gradientene i nord-sør retning er heller ikke store. Et vertikalsnitt langs med antatt flytrack er vist i figur 13. Vi ser her hvordan vertikalhastigheten er formet av topografien, men verken styrke eller gradienter er spesielt store. Imidlertid er det større gradienter normalt på flytracket, som vist i figurene 14 og 15 som er et vertikalsnitt 400 m fra snittet i figur 13. Dette indikerer at gradientene kan være store i området og derved at det kan ha hatt betydning for flyvning. De horisontale gradientene illustreres i figur 16, som er et horisontalsnitt 350 m over havet. Vi ser at gradientene i vindstyrke, vindretning og vertikalhastighet er størst når en kommer fra Tanafjorden og inn over Omgang. Dette er ikke overraskende ut fra generelle betraktninger om værforholdene i området, men modellresultatene med 250 m oppløsning viser sterkere gradienter enn resultatene med 1 km oppløsning. Det kan derfor antas at gradientene i virkeligheten er større og at det derfor kan ha hatt større innflytelse på et fly. Det er også viktig å ta i betraktning at vindforholdene varierte forholdsvis raskt med tiden. Simuleringene med 75 m oppløsning skiller seg fra resultatene med 250 m oppløsning ved at vertikalhastighetene er større, [-9 m/s, +8 m/s] for 75 m mot [-5 m/s, +5 m/s] for 250 m oppløsning, og at de horisontale gradientene er større. Se figurene 25 og 26 som viser vertikalhastigheten i horisontalsnitt henholdsvis 400 m og 800 m over havet. Vi ser at både styrke og horisontale gradienter i vertikalhastigheten er store når en kommer fra Tanafjorden og innover Omgangslandet langs antatt flytrack.

11 Vedleggsrapport Variasjonen av vertikalhastigheten på tvers av antatt flytrack er også kraftigere enn for simuleringen med 250 m oppløsning. Dette vises i figurene 28, 29 og 30 som kan sammenliknes med figurene 13, 14 og 15. Verdiene for vertikalhastighetene er større og de romlige gradientene er større. Tidsvariasjonen er også tydelig, som for eksempel vist i figur 31 der vertikalhastigheten langs antatt flytrack er vist 5 minutter senere enn situasjonen i figur 28. Denne raske tidsvariasjonen er et av de viktigste trekkene vi ser i resultatene fra 75 m simuleringen. 5.3 Vindforsterking over fjell og rundt hjørner Av figur 10 ser vi tydelig vindforsterkingen over Omgangsfjellet. Maksimal vind er litt over 50 kn, mens maksimalvinden oppstrøms og nedstrøms er i intervallet kn. Slik vindforsterking under liknende forhold andre steder er kjent fra litteraturen, se f.eks. (Doyle og Durran, 2002) og (Vosper, 2003). Figur 9 viser vindstyrken langs flytracket, og vi ser at forholdene langs Omgangslandet ikke bare er bestemt av forsterkingen over fjellet, men også av kontrasten mellom Tanafjorden og Omgangshalvøya. Det er en betydelig vindforsterking når en passerer innover land fra Tanafjorden. Forsterkingen kan forklares med en type hjørne-effekt fordi vi ser av figur 10 at vinden «runder hjørnet» ved Omgang. Figur 11 viser at dette også er tilfelle i 350 m høyde, slik at det nok er mer enn rent topografiske effekter som har betydning. Temperaturgradienter mellom Tanafjorden og Omgangsfjellet vil ha betydning, det vil også horisontale gradienter i vinden og produksjon av turbulens (og derved dissipasjon av energi) langs den bratte øst-skråningen av Omgangsfjellet. I simuleringen med 75 m oppløsning er vindforsterkingen over fjellet ganske lik som den i simuleringen med 250 m simuleringen, men vindprofilet i nord-sør retning er formet av det detaljerte terrenget, se figur 32 for en illustrasjon. Hjørneeffekten øst på Omgangslandet er også temmelig lik den i 250 m simuleringen, se figurene 24 og 25 sammenliknet med figur Vindskjær, hydraulisk sprang Vi har allerede omtalt sterke horisontale vindskjær slik som illustrert i figur 11. Vertikale vindskjær slik som vist i figur 9 er også kraftige, og et fly vil kunne oppleve sterkt varierende forhold ved å fly langs Omgangslandet om en holder konstant høyde eller ei. Topografien og temperatur-forholdene gjør at vindfeltet har både horisontale og vertikale gradienter på samme sted. Et hydraulisk sprang er en form for vindskjær der lufta bremses kraftig opp og vi ser forholdsvis store vertikalhastigheter. Hydrauliske sprang forekommer mange steder og er dokumentert eksperimentelt og vist teoretisk, se f.eks. (Baines, 1998, s.292). Figur 10 sammen med figur 12 viser et hydraulisk sprang rett nord for Omgang. Et mer relevant eksempel er vist i figur 11 og figur 16, når en kommer inn over Omgangslandet. Hydrauliske sprang og liknende fenomener blir gjerne studert i en forenklet setting i 2 dimensjoner, men av figurene 11 og 16 ser vi at det må betraktes som et 3D fenomen.

12 338 Vedleggsrapport 2 10 I simuleringen med 75 m oppløsning kan fenomener som likner på hydraulisk sprang ses. Dette er illustrert i figur 27, som viser vertikalhastigheten i et nord-sør snitt sammen med vinden i utvalgte nivåer som vektorfelt. Her ser vi at vertikalhastigheten er større enn det som er vist i figur 12 for 250 m simuleringen. 5.5 Tilbakestrømning, virvler Kraftig vind over fjell fører ofte til områder med tilbakestrømning i le av fjellene og til dannelse av rotorer, se f.eks. (Doyle og Durran, 2002). Slike fenomener er velkjent som farlige for luftfart, men detaljerte studier av dem er av nyere dato fordi det er helt nylig at modeller har kunnet brukes med tilstrekkelig høy oppløsning, se for eksempel (Doyle og Durran, 2003) og (Kuettner og Hertenstein, 2003). Observasjoner av rotorer begynte med det såkalte Sierra Wave Experiment i Sierra Nevada i USA på slutten av 1950-tallet, men det har ikke blitt gjennomført større observasjons-kampanjer helt til «Terrain-Induced Rotor Experiment» (T-REX) som har foregått fra 2002 og skal etter planen avsluttes i Denne kampanjen sammen med kjøringer med høyoppløselige atmosfæremodeller ventes å gi vesentlig bidrag til forståelsen av rotorer, se (Grubisic og Kuettner, 2003). Av modell-resultatene med 250 m oppløsning ser en rotorer med både vertikal og horisontal akse. Av figur 11 ses en rotor med vertikal akse utenfor utløpet av Risdalen, men denne er i et område med svake vinder. Utenfor Trolldalsaksla er det et komplisert strømningsmønster med en rotor i et vindfelt som er sterkere, se f.eks. vinden i snittet på figur 5. Rotorer med horisontal akse, slike som er studert i (Doyle og Durran, 2002) og (Doyle og Durran, 2003), ser vi nærmest Omgangslandet i figur 4, men strømningsbildet er så komplisert at aksen ikke er helt horisontal. For å illustrere rotorer bedre, vises absoluttverdien av virvlingen (curl u) i et nord-sør snitt i figur 17. Resultatet kan sammenliknes med (Doyle og Durran, 2002; figur 5b ) og (Doyle og Durran, 2003, figur 2 a) og vi ser at virvlingsfeltene er ganske like. Rotorer synes å ha substrukturer, jfr. (Doyle og Durran, 2003), men dette får vi ikke fram i våre modell-kjøringer med 250 m oppløsning. Vår modell-kjøring med 75 m oppløsning er sammenliknbar med det som er brukt i (Doyle og Durran, 2003) (67 m), og skulle være egnet til å studere substrukturer i rotorer ved Omgangsfjellet. For flyvning vil en rotor med substrukturer være mer problematisk å fly gjennom siden variasjonene i vindfeltet er raskere i rom og tid. I resultatene fra 75 m simuleringen ser vi flere typer rotorer, for eksempel rotorer med vertikal akse nær havoverflaten og i 400 m høyde i figur 23. Rotorer med tilnærmet horisontal akse er illustrert i figur 33 som er en del av figur 27 der vi nå har tatt med vindpiler i alle gridpunkter. Vi ser en forholdsvis storskala rotor med kraftig tilbakestrømning nederst. Substrukturer slik som vist i (Doyle og Durran, 2003) finnes ikke, men vi finner et komplisert 3D-bilde, illustrert ved at det strømmer «ut av planet» nederst til høyre i strukturen og «inn i planet» øverst til venstre. Vi kan derfor ikke definere noen bestemt akse for rotor-strukturen, det er snarere en rotasjon rundt alle 3 koordinatakser.

13 Vedleggsrapport Turbulens: turbulent kinetisk energi Ovenfor er det beskrevet kort hva som menes med turbulens i ulike sammenhenger. I dette avsnittet betrakter vi turbulens i strømnings-sammenheng via Reynolds hypotese, altså at et vindfelt u kan dekomponeres i en middelvind u og et turbulent bidrag u'. Den turbulente kinetiske energien (TKE) er ½ u'.u' (egentlig dette utrykket midlet) og uttrykker styrken på turbulensen. Andre viktige mål på turbulens er lengdeskalaen, som uttrykker hvor store de turbulente strukturer er. Når lengdeskalaen er sammenliknbar med størrelsen på objektet vinden virker på, er påvirkningen størst. Forholdet mellom middelvind og turbulent vind vil påvirkes av tiden eller volumet det midles over, og det er ikke så enkelt å tolke TKE når vi bruker modeller med så høy oppløsning som her. For flyvning vil TKE utrykke hvor mye småskala-variasjoner av vindfeltet som forekommer (i middel), og dette «oppleves» som turbulens sammen med storskalavariasjonene, som altså er variasjoner i vertikalhastigheten. TKE varierer mye både i tid og rom ved Omgangslandet. Figur 18 viser TKE langs flytracket omtrent kl. 13:45. Situasjonen 10 minutter tidligere er vist i figur 19, og vi ser ganske store forskjeller, spesielt utfor Trolldalen. Styrken er moderat, med maks u'=5 m/s. Imidlertid vil en kastfaktor 2.0 gi 10 m/s, og det er betydelig i et område der middelvinden er ca. 15 m/s. Av figur 6 ser det ut som turbulensen skyldes det lokale skjæret i vindfeltet. Den sterke variasjonen i rom kan illustreres i figur 20 som er et vertikalsnitt 400 m fra snittet i figur 18. En må derfor forvente at den virkelige turbulensen varierte raskere i rom da avstanden mellom snittene i figurene 18 og 20 i praksis er oppløsningen i modellen. TKE i et nord-sør snitt er vist i figur 22, og vi ser at feltet er sterkest et stykke ut fra land (ca. 1.5 km) og i ca. 400 m høyde. Generelt virker det som TKE er sterkest i området rundt Trolldalen og Trolldalsaksla. Den bakkenære turbulensen som vi ser av figurene er interessant, men har liten betydning for flyvning. I 75 m simuleringen er den bakkenære turbulensen sterkere på grunn av den mer detaljerte topografien. Dette ser vi for eksempel i snittet langs antatt flytrack i figur 34. TKE i et nord-sør snitt ved Trolldalsaksla vises i figur 35, og vi kan sammenlikne med figur 22 som viser det tilsvarende snitt for 250 m simuleringen. TKE i 75 m simuleringen er litt kraftigere enn for 250 m simuleringen, men forskjellen er ikke stor. Imidlertid har TKE store gradienter normalt på flytracket og høye verdier utover havet like ved antatt flytrack. I resultatene fra 25 m simuleringen ser vi forholdsvis sterke TKE-felter med rask romlig variasjon, se figur 37 som er et snitt langs flytracket. Å fly gjennom slike turbulente strukturer vil nok oppleves som kraftig risting. 6. Observasjoner Det fins ikke så mange observasjoner i det aktuelle området som kan brukes til å validere modellenes oppførsel. I MI's rapport (Nordeng et al, 2003) er det beskrevet hvordan modellene HIRLAM 10 og MC2 1 km er sammenliknet med METAR for Berlevåg og Mehamn. Våre kjøringer med MC2 1 km viser meget god overenstemmelse i temperatur (mindre enn 1 grad) og vind (vindstyrken er 11.5 m/s i modellen mot 12.5 m/s for METAR

14 340 Vedleggsrapport 2 12 Berlevåg). Modell-området for MC2 med 250 m oppløsning er ikke stort nok til å omfatte verken Berlevåg eller Mehamn. Søksfly som var i området etter ulykken rapporterte om hvordan de opplevde værforholdene i området. Disse rapportene gir ikke et enhetlig bilde og dessuten har en ikke eksakte posisjoner der de opplevde forholdene ble registrert. Rapportene om opplevd turbulens kan neppe bidra med noe mer enn å si at det til tider forekom kraftig turbulens i området. En må også ta hensyn til at ulike flytyper opplever en og samme vindbelastning ganske forskjellig, noe som bl.a. avhenger av elastisiteten til flyet. Den eneste observasjonen som kan gi en pekepinn på hvor sterk vinden var i området er en måling gjort av et Lynx helikopter, og vinden ble målt til 50 kn. Imidlertid vet en ikke eksakt hvor målingen ble gjort, bortsett fra at det var øst på Omgangslandet og i ca ft. Piloten på helikopteret, Tore Skaar (pers.meddelelse, 2004), har redegjort for hvordan vinden ble målt, og ut fra dette kan en anslå at nøyaktigheten var 2 kn eller bedre. Modellens maksimalvind i området var 52 kn, så observasjonen fra helikopteret kan brukes til å si at modellens maksimalvind i området er rimelig. Tore Skaar tok noen interessante bilder av værforholdene i ulykkesområdet like etter ulykken. Selv om disse bildene ikke er meteorologiske observasjoner direkte, gir de indikasjoner på hvordan forholdene kan ha vært. Av bildene kan en bl.a. se: Kraftig snøfokk på toppen av fjellet, noen som indikerer temmelig sterk vind. Se side 9 og side 11 i kommisjonens Fotomappe IV for spektakulære eksempler. Figur 11 viser vinden i området som vises på side 11 i fotomappen. Vi ser at det er kraftig vind i modellen der det er kraftigst snøfokk på bildet. Virvler av snø som kommer nedover fjellsiden, indikerer turbulente strukturer med forholdsvis liten skala. Siden 19 i fotomappen illustrerer dette godt. Vindrosser som slår ned i sjøen. Dette er vindkast/turbulens som advekteres vertikalt. Side 4 i fotomappen er en god illustrasjon. Bølgemønster på sjøen som ikke viser noen dominerende retning på vindpådraget. Bølgene er forholdsvis små, slik at vindpådraget er forholdsvis svakt. Side 12 i fotomappen illustrerer dette. Mørke striper på sjøen med retning omtrent øst-vest, noe som antyder vindkast og/eller middelvind i denne retningen. Side 2 i fotomappen er et godt eksempel. Vi har kommentert tidligere at vinden «snur rundt hjørnet» ved Omgang og har en østlig retning nær land. Et visst belegg for at dette er tilfelle finner vi da i de to siste punktene ovenfor. Snøfokk og virvler antyder at det er tildels kraftig turbulens i området og at de turbulente strukturene kan være små. 7. Konklusjon Vi har presentert modell-resultater fra kjøringer med 1 km, 250 m,75 m og 25 m oppløsning for området rundt ulykkesstedet. Modell-kjøringene er basert på et best mulig utgangspunkt med basis i modeller på grovere skala. Ut fra de få observasjonene en har og den innsikten som fins om slike værforhold det var ved ulykken, virker modell-resultatene pålitelige. Men, modeller er ikke virkeligheten, selv om vi tror det i dette tilfellet er ganske nær. Nøyaktigheten av resultatene vil bl.a. avhenge av oppløsning både horisontalt og vertikalt og modellens parametriseringer. En beveger seg i dette tilfellet delvis i ukjent terreng når

15 Vedleggsrapport modeller anvendes med så fin oppløsning som vi har gjort her. Feltene som modellen produserer er kompliserte, og forståelsen av alle detaljer en ser er begrenset. Ut fra resultatene, spesielt fra vindfeltet, er det imidlertid mulig å finne egenskaper som har stor betydning for flyvning. Vi vil spesielt peke på at når en kommer fra Tanafjorden og inn over Omgangslandet forkommer det flere egenskaper ved vindfeltet som har betydning for flyvning: Kraftig horisontalt vindskjær, store gradienter i vertikalhastigheten og forholdsvis stor turbulent kinetisk energi. Ellers er det mange interessante egenskaper ved feltene, hvorav noen ikke har betydning for flyvning. Imidlertid kan et inngående studium av feltene hjelpe oss til å forstå bedre de fenomener som forekommer under slike forhold, og på sikt bidra til at en kan få en bedre varsling av lokale værforhold både for flyvning og andre formål. 8. Referanser 1. T.E.Nordeng, I.Lie, M.Jensen, A.Holstad, M.Ovhed: Mehamn-ulykken: En vurdering av de meteorologiske forholdene i lys av modellsimuleringer. Meteorologisk institutt, Oslo, A.R.Gravdal: Numeriske beregninger av vindforhold rundt Omgangslandet. Vector AS, Tønsberg, T.E.Nordeng: Redegjørelse for Mehamn-kommisjonen vedr. supplerende modellsimuleringer utført ved Meteoroogisk institutt, R.Benoit et al.: The Canadian MC2: A Semi-Lagrangian, Semi-Implicit Wideband Atmospheric Model Suited for Finescale Process Studies and Simulation. Mon.Wea.Rev. (125) 1997, pp C.Schaer, D.Luenberger, O.Fuhrer, D.Luthi and C.Girard: A New Terrain-Following Vertical Coordinate Formulation for Atmospheric Prediction Models. Mon.Wea.Rev. (130), 2002, pp P.G.Baines: Topographic Effects in Stratified Flows, Cambridge University Press, Cambridge, C.E.Wallington: Meteorology for Glider Pilots, John Murray, London, Niels Woetmann Nielsen, Claus Petersen: Calculation of wind gusts in DMI-HIRLAM, Danish Meteorological Institute, Scientific Report 01-03, Copenhagen, D.Lungu, P.van Gelder: Characteristics of wind turbulence with application to wind codes, Preprint, Delft University of Technology, Delft, The Netherlands, O.Brasseur: Development and Application of a Physical Approach to Estimating Wind Gusts, Mon.Wea.Rev. (129), January 2001, pp J.D.Doyle, D.R. Durran: The Dynamics of Mountain-Wave-Induced Rotors, J.Atmos.Sci. (59), 2002, pp R.Stull: Boundary-Layer Meteorology, Kluwer, Doordrecht, J.D.Doyle, D.R:Durran: Recent Developments in the Theory of Atmospheric Rotors. To appear in Bulletin of the American Metorology Society, 2004.

16 342 Vedleggsrapport J.D.Doyle, D.R.Durran: High-resolution simulations of mountain wave induced turbulence and rotors using NRL's COAMPS. Proceedings of the Tenth Conference on Mountain Metorology, Amer.Met.Soc., J.Kuettner, R.F.Hertenstein: Observations of mountain-induced rotors and related hypotheses: A review. Proceedings of the Tenth Conference on Mountain Metorology, Amer.Met.Soc., J.Kuettner, R.F. Hertenstein: Simulations of rotors using steep lee-slope topography. Proceedings of the Tenth Conference on Mountain Metorology, Amer.Met.Soc., V.Grubisic, J.Kuettner: Terrain-Induced Rotor Experiment (T-REX). Tenth AMS Conference on Mesoscale Meteorology, American Meteorological Society, S.Vosper: Case-study numerical simulations of downslope winds and rotors at Mount Pleasant Airfield, East Falkland. Preprint, UK MetOffice, Exeter, UK, November S.Vosper: Inversion effects on mountain lee waves. To appear in Q.J. Royal Meteorological Soc., 2004.

17 Vedleggsrapport Figurer fra simulering med 250 horisontal oppløsning. Figur 4: Temperatur som skalarfelt og vind som vektorfelt i et nord-sør vertikalsnitt.

18 344 Vedleggsrapport 2 16 Figur 5: Temperatur som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt langs antatt flytrack.

19 Vedleggsrapport Figur 1:Potensiell temperatur som skalarfelt ogvind sovektorfelt ietnord-sør vertikalsnitt Figur 6: Potensiell temperatur som skalarfelt og vind som vektorfelt i et nord-sør vertikalsnitt.

20 346 Vedleggsrapport 2 18 Figur 7: Potensiell temperatur i et nord-sør vertikalsnitt fra MC2-modellen med 1 km oppløsning. Dette viser le-bølgens avhengighet av modelltopografien, den tilsvarende figuren for 250 m oppløsning er figur 6.

21 Vedleggsrapport Figur 9: Som i figur 8, men 10 minutter senere i virkelig tid. Sammen med forrige figur viser det tidsvariasjonen i vindfeltet.

22 348 Vedleggsrapport 2 20 Figur 2: Vindstyrke som skalarfelt i et nord-sør snitt sammen med vindfeltet som vektorfelt Figur 10: Vindstyrke som skalarfelt og vind som vektorfelt i et nord-sør vertikalsnitt.

23 Vedleggsrapport Figur 11: Vindstyrke og vindvektorer i et horisontalsnitt 350 m over havet. Snittplanet er gjort halvt gjennomsiktig slik at en skimter kystlinjen under.

24 350 Vedleggsrapport 2 22 Figur 12: Vertikalhastighet som skalarfelt og vind som vektorfelt i et nord-sør vertkalsnitt.

25 Vedleggsrapport Figur 13: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt langs antatt flytrack.

26 352 Vedleggsrapport 2 24 Figur 4: Vertikalhastigheten i et snitt parallelt med antatt flytrack. Snittet befinner seg ca. 400m fra det forrige snittet og er lenger innover land. Figur 14: Vertikalhastighet i et vertikalsnitt parallelt med antatt flytrack. Snittet befinner seg ca. 400 m fra snittet på forrige figur og er lenger innover land.

27 Vedleggsrapport Figur 15: Vertikalhastighet i et vertikalsnitt parallelt med antatt flytrack. Dette snittet ligger ca. 400 m fra flytracket og lenger ut ot havet. Minimumsverdien for vertkalhastigheten i denne figuren er mindre enn for de to foregående figurene og er tegnet med rødt inne i et blått område. Skalaen er beholdt for sammenlikningens skyld.

28 354 Vedleggsrapport 2 26 Figur 16: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden som vektorfelt i et horisontalsnitt 350 m over havet.

29 Vedleggsrapport Figur 6: Horisontalkomponenten (x-komponent) av virvlingen i et nord-sør snitt. Figur 17: Horisontal komponenten (x-komponent) av virvlingen i et nord-sør snitt

30 356 Vedleggsrapport 2 28 Figur 18: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind på utvalgte nivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt langs antatt flytrack.

31 Vedleggsrapport Figur 19: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind i utvalgtenivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt langs antatt flytrack.situasjonen som vises i denne figuren er 10 minutter tidligere enn den som er vist i figur 18.

32 358 Vedleggsrapport 2 30 Figur 20: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt parallelt med antatt flytrack. Snittet i figuren ligger ca. 400 m fra antatt flytrack og lenger inn over land.

33 Vedleggsrapport Figur 21: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et vertikalsnitt parallelt med antatt flytrack. Snittet i figuren ligger ca. 400 m fra antatt flytrack og lenger ut mot havet.

34 360 Vedleggsrapport 2 32 Figur 22: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt i et nord-sør vertikalsnitt.

35 Vedleggsrapport Figurer fra simulering med 75 mhorisontaloppløsning. Figur 23: Vindstyrke som skalarfelt og vind som vektorfelt i et horisontalsnitt 400 m over havet.

36 362 Vedleggsrapport 2 34 Figur 24: Vindstyrke som skalarfelt og vind som vektorfelt i et horisontalsnitt 800 m over havet.

37 Vedleggsrapport Figur 25: Vertikalhastighet som skalarfelt og vind som vektorfelt i et horisontalsnitt 400 m over havet.

38 364 Vedleggsrapport 2 36 Figur 26: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden som vektorfelt i et horisontalsnitt 800 m over havet.

39 Vedleggsrapport Figur 27: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden som vektorfelt i et nord-sør snitt øst på Omgangslandet.

40 366 Vedleggsrapport 2 38 Figur 28: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden i utvalgte nivåer som vektorfelt i et snitt langs antatt flytrack.

41 Vedleggsrapport Figur 29: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden i utvalgte nivåer som vektorfelt i et snitt parallelt med antatt flytrack, lenger utover sjøen.

42 368 Vedleggsrapport 2 40 Figur 30: Vertikalhastigheten som skalarfelt og vinden i utvalgte nivåer som vektorfelt i et snitt parallelt med antatt flytrack, lenger innover land.

43 Vedleggsrapport Figur 31: Samme felter og snitt som i figur 28, men 5 minutter senere.

44 370 Vedleggsrapport 2 42 Figur 32: Vindstyrken som skalarfelt og vinden i utvalgte nivåer som vektorfelt i et nord-sør snitt øst på Omgangslandet.

45 Vedleggsrapport Figur 33: Vertikalhastighten som skalarfelt og vinden i alle nivåer som vektorfelt i et nordsør snitt som i figur 27. Figuren er en forstørrelse av en del av figur 27 og viser kompliserte rotor-strukturer i le av Omgangslandet.

46 372 Vedleggsrapport 2 44 Figur 34: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et snitt langs antatt flytrack.

47 Vedleggsrapport Figur 35: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind i utvalgte nivåer som vektorfelt i et nord-sør snitt ved Teistbergan.

48 374 Vedleggsrapport 2 46 Figurer fra simulering med 25 m oppløsning Figur 36: Vindstyrke som skalarfelt og vind som vektorfelt i et nord-sør vertikalsnitt ved Russevikhompen helt øst på Omgangslandet.

49 Vedleggsrapport Figur 37: Turbulent kinetisk energi som skalarfelt og vind som vektorfelt i et vertikalsnitt langs antatt flytrack.

50