Estudi de la capa límit atmosfèrica en règim estable: de l'observació a la modelització

Abstract

Aquesta tesi té com a objectiu: contribuir a l'augment de la comprensió i el coneixement de la capa límit estable nocturna, des de l'observació i anàlisi de dades experimentals fins a la simulació unidimensional de processos específics en aquestes condicions. <br/>Per portar a bon terme el treball, per una banda s'ha participat en diverses campanyes experimentals (VILEXP96, SABLES 98, CASES-99) i s'ha pogut accedir a la base de dades que es genera actualment de forma contínua en el Centro de Investigación de la Baja Atmósfera (CIBA) a Valladolid, permetent disposar d'un gran volum de dades a analitzar i interpretar. <br/>Amb aquestes dades s'ha pogut caracteritzar la capa límit estable nocturna essent important el fet de poder-la dividir en tres règims d'estabilitat: feblement estable, transició i molt estable, i detectar la tendència de tots els paràmetres turbulents amb escalat local a seguir l'estratificació z-less a estabilitats fortes. S'ha pogut observar que en la zona del CIBA es generen màxims de vent a nivells baixos amb direcció sovint de l'est i freqüentment mostrant turbulència elevada en la seva part superior. La presència d'ones de gravetat i de Kelvin-Helmholtz, i l'arribada de corrents de densitat, característics de l'estratificació molt estable, s'ha pogut detectar a partir de l'observació dels descriptors estadístics i de l'anàlisi espectral. <br/>Per altra banda, s'han utilitzat dos models numèrics de columna (STABLE i ATHENE) per simular la capa límit estable nocturna, al mateix temps que des de la plataforma GABLS hem portat a terme la primera intercomparació de resultats de la simulació d'un cas d'estratificació estable. <br/>Com a conclusió cal dir que l'estudi d'intercomparació GABLS ha permès explorar l'eficiència de mescla de 18 esquemes de turbulència. Una de les conclusions és que en general, els models operatius pronostiquen més barreja que els de recerca, i en més proporció els de 1r ordre que els d'ordre 1.5, amb conseqüències importants com la sobreestimació dels fluxos superficials, la pèrdua de desenvolupament d'un sostre en la inversió o la no generació d'un màxim de vent. <br/>Tant el model STABLE com el model ATHENE han estat capaços de generar les característiques més importants de la capa límit estable. És d'especial importància el poder simular el màxim de vent generat sobre el CIBA mostrant l'existència de turbulència en la seva part superior, que sembla comparar molt bé amb les observacions.

<I>This doctoral thesis aims to contribute to the increase of the understanding and the knowledge of the nocturnal stable boundary layer, from the observation and the data analysis until the unidimensional simulation of specific processes in these conditions. <br/>On the one hand, we have participated in various experimental campaigns (VILEXP96, SABLES 98, CASES-99) and we have had access to the data base that is generated continuously in the "Centro de Investigación de la Baja Atmósfera" (CIBA) in Valladolid, allowing to have a great volume of data to analyze and to interpret. <br/>With these data we have been able to characterize the nocturnal stable boundary layer being important to divide it in three stability regimes: weakly stable, transition and very stable, and to detect the z-less tendency to strong stabilities of all the turbulent parameters with local scaling. It has been possible to observe low-level jets in the zone of the CIBA, frequently showing elevated turbulence at their upper part. Using statistical and spectral analysis, we have been able to detect the presence of gravity waves and Kelvin-Helmholtz waves, and the arrival of density currents, characteristics of the very stable stratification. <br/>On the other hand, two numerical column-models have been used (STABLE and ATHENE) to simulate the nocturnal stable boundary layer, at the same time that we have made the first intercomparison of results of a stable stratification simulation (GABLS case). <br/>The study of the GABLS intercomparison has allowed exploring the different mixing strength of 18 turbulence schemes. In general, the operational models mix more than the research models with important consequences such as the missing of the development of an upper inversion and the overestimation of the surface fluxes. <br/>STABLE and ATHENE have been able to generate the most important characteristics of the stable boundary layer. It is of special importance the low-level jet simulation, showing turbulence at its upper part, comparing very well with the observations.</I>