Nocturnal coastal fronts in the Mediterranean basin

Abstract

The main goal of this thesis is to investigate the formation of nocturnal coastal fronts (hereafter CF) in the Mediterranean basin producing nocturnal offshore precipitation near the coastline. After sunset the cooled inland air moves to the coastline driven by drainage winds as a density current. When this air encounters the warm and wet sea-air a CF is formed. Therefore the warm air mass is lifted and when ascending clouds may form producing in some cases precipitation. The influence of the land-sea thermal difference, the shape of the coastline, the sea surface temperature (SST) and the depth of the cold air mass associated to the coastal front (H) on the coastal front formation is investigated. This has been done following methodology consisting in three steps. In the first step events of nocturnal precipitation associated to CFs are detected by using the Tropical Rain Measurement Mission (TRMM) Satellite, reflectivity radar network images from ground radar, and clouds recorded by satellite. The second step consists in analyzing the synoptic situation associated to these possible CF, in order to discard those in which the precipitation is related to synoptic features. Finally, the WRF-ARW model is used for the simulation of these CF. Chapter 2 is devoted to study the role of the land-sea temperature difference. If the thermal gradient is large enough, drainage wind speed can be of the order of the prevailing wind speed. In this case, a line of convergence is simulated offshore and above it several precipitation cells occur forming a quasi-stationary line of precipitation. Relatively strong vertical motions are simulated in these coastal fronts, providing upward moisture and heat that produce convective clouds and precipitation. Chapter 3 focuses on role of the shape of the coastline. Offshore rainbands during nighttime have been simulated and analyzed in concave coastal areas in the Mediterranean basin. Drainage winds drive cold inland air offshore from many areas along the concave coastline. The cold inland air collides offshore with the opposite inland cold drained air from the opposite coastline areas, converging offshore. Clouds and precipitation are simulated following the concave coastline. In Chapter 4, the influence of the SST on the CFs is analyzed. A couple of CFs occurred at the end of the summer and early autumn, when the SST presents its larger values, are analysed. These CFs show the heaviest and widest rainband within the observed and simulated CFs. The role of H is analyzed in Chapter 5 for the all the studied CFs. The hourly and averaged values of H during the nighttime for each CF have been estimated. In the CFs, the cold air mass acts as a moving orographic barrier to the warmer prevailing flow. For this reason some theoretically parameters that accounts the blockage, the triggering convection, and the deceleration that the cold air mass offers to the prevailing maritime air mass are estimated. Finally, from the averaged values of sea-air and land-air temperatures, a cloud bands forecasting index is proposed.

L'objectiu principal d'aquesta tesi doctoral es investigar la formació de fronts nocturns costaners (FC) a la conca Mediterrània que produeixen precipitació prop de la costa. Després de la posta del Sol l'aire sobre el terra es refreda més ràpidament i inicia un moviment cap a la costa, conduit pels vents de drenatge, formant una densitat de corrent. En arribar al mar interactua amb l'aire més calent i humit que es troba formant un FC. Aleshores aquest aire més càlid i humit ascendeix per sobre de l'aire fred podent formar núvols i precipitació. En aquesta tesi s'investiga la influència en els FC del gradient de temperatura de l'aire de l'interior i el situat sobre el mar, la forma de la costa, la temperatura de l'aigua del mar i l'alçada de la massa d'aire freda (H). Per a aquest propòsit la metodologia emprada consta de tres parts. Primerament s'han cercat episodis de precipitació nocturna associats a FC fent servir el satèl·lit Tropical Rain Measurement Mission (TRMM), les imatges de radars situats a terra, així com les imatges de nuvolositat de satèl·lits. El segon pas consisteix en analitzar la situació sinòptica associada a aquests possibles FC, per tal de descartar aquells casos on la precipitació esta associada a factors sinòptics. Finalment, el model WRF-ARW s'ha utilitzat per a similar i analitzar els 10 FC que es presenten en aquesta Tesi. El Capítol 2 se centra en el paper que juga el gradient tèrmic entre l'aire del mar i el de l'interior. S'ha comprovat que en els casos en els que aquest gradient és elevat, la velocitat del vent de drenatge assoleix és comparable a la del vent prevalent. En aquests casos la línia de convergència que es forma mar endins és estacionària, produint-se moviments verticals relativament intensos que produeixen núvols i precipitació. El Capítol 3 se centra en la influència de la forma de la costa ala formació dels FC. En algunes zones de la conca Mediterrània on la costa presenta una forma còncava, els vents de drenatge condueixen l'aire fred de l'interior a través de diverses parts d'aquesta costa còncava, convergint mar endins pel xoc de l'aire drenat provinent de parts oposades de la costa. En el Capítol 4 s'analitza la influència de la temperatura superficial de l'aigua del mar (SST) a la formació dels FC que succeeixen a finals d'estiu i començament de la tardor, quan l'aigua del mar presenta els seus màxim valors. El paper d'H es mostra en el capítol 5. Es presenten per tots els FC estudiats els valors horaris i promitjats d'H durant la nit. A més a més, la massa d'aire freda associada als FC actua com una barrera orogràfica a la massa d'aire marítima. Per aquesta raó els paràmetres teòrics que mesuren el blocatge, el dispar i la desacceleració que la massa fred ofereix a la càlida i humida marítima s'ha calculat. Finalment, a partir dels valors mitjans de la temperatura de l'aire sobre el mar i dins de terra s'ha proposat un índex que permet pronosticar la formació de bandes de núvols mar endins originats per FC.