Stably stratified atmospheric boundary layer: study trough large-eddy simulations, mesoscale modelling and observations

Abstract

La capa límit atmosfèrica és l'àrea directament influenciada per la presència de la superfície de la terra i la seva alçada és d'uns centenars de metres a uns pocs quilòmetres. Durant el vespre, el refredament radiatiu estratifica establement l'aire prop del sòl i es forma el que es coneix com a Capa Límit Estable (CLE). D'avui en dia, la CLE és un règim que encara no està prou ben caracteritzat. La turbulència, que no és homogènia ni isòtropa, i la gran importància dels efectes locals com l'orografia, entre d'altres factors, dificulten l'estudi d'aquest règim. Per aquest motiu, la CLE és objecte d'especial atenció, sobretot a l'hora de millorar la seva representació en models tant de temps com de clima.<br/><br/>Aquest treball es centra en l'estudi de la CLE mitjançant 3 eines diferents: 1) simulacions explícites de grans remolins (més conegudes com a simulacions LES), per determinar el comportament dels moviments turbulents, on les resolucions són de l'ordre de metres; 2) simulacions mesoscalars, per caracteritzar els efectes locals, on les resolucions són de l'ordre de kilòmetres; 3) anàlisi de les observacions sota aquestes condicions per tal de caracteritzar i entendre millor els fenòmens observats.<br/><br/>En primer lloc s'estudia el rang d'estabilitats a on el model LES, que considera la teoria de Kolmogorov per la dissipació de l'energia, funciona correctament. Els resultats del model són realistes tal com mostra la seva comparació amb les mesures de dues campanyes experimentals (SABLES-98 i CASES-99). Per explorar més a fons els resultats LES i per comparar-los amb les mesures s'han utilitzat les Funcions de Distribució de Probabilitat (PDF). Aquests resultats LES són també comparables als obtinguts amb altres models LES, tal com mostra la intercomparació de models LES, més coneguda com a GABLS.<br/><br/>Un cop desenvolupades totes les eines necessàries es fa un LES d'un cas més realista, basat en les observacions d'un màxim de vent de capes baixes (més conegut com a Low-Level Jet, LLJ). L'anàlisi combinat dels resultats LES i les mesures permet entendre millor els processos de barreja que tenen lloc a través de la inversió. Finalment, la contribució dels efectes locals s'estudia mitjançant les simulacions mesoscalars, en aquest cas centrades a l'illa de Mallorca. Durant el vespre es veu com les circulacions locals es desenvolupen a les conques (de longitud al voltant de 25km), formant-se, per exemple, vents catabàtics o LLJ com l'estudiat anteriorment. En aquest cas les simulacions es verifiquen amb imatges de satèl·lit NOAA i observacions de les estacions automàtiques de mesures, donant resultats semblants.

The atmospheric boundary layer is the area directly influenced by the presence of the Earth's surface and its height is from hundreds of meters to few kilometres. During the night, the radiative cooling stratifies the layer close to the surface and it forms the Stably-stratified Atmospheric Boundary Layer (SBL). Nowadays, the SBL is a regime not well enough characterized, yet. Turbulence, which is not homogeneous either isotropic, and the great importance of the local effects, like the orography, among other factors, make the SBL be a difficult regime to study. Even so, the SBL is an object of special attention, especially when improving its representation in numerical prediction models or climate models.<br/><br/>This work focuses on the study of the SBL through 3 different tools: 1) Large-Eddy Simulations (LES), to determine the turbulent motions, where the resolutions are about 1m; 2) Mesoscale simulations, to characterize the local effects, where resolutions are about 1km; 3) Analysis of the observations under these conditions in order to better characterize and understand the observed phenomena.<br/><br/>In first place, it is studied the range of stabilities where the LES model, that considers the Kolmogorov theory for the dissipation of the energy, works correctly. The results are realistic as the comparison with measures from two experimental campaigns (SABLES-98 and CASES-99) shows. To explore the results more thoroughly, and to compare the LES results to the measurements, the Probability Density Functions (PDF) have been used. The LES results are also comparable to the ones obtained with other LES models, as the intercomparison of different LES models show, better known as GABLS.<br/><br/>Then, a more realistic case is performed using the LES model, based on observations of a Low-Level Jet (LLJ). The combined inspection of the LES results and the observations allow to better understand the mixing processes that take place through the inversion layer. Finally, the contribution of the local effects is studied through a mesoscale simulation. Here the attention is focused on the Mallorca Island. During the night, the model is able to reproduce the local circulations is a basin of a characteristic size of 25km. The main features obtained previously from the LES of the LLJ are also reproduced by the mesoscale model. These runs are verified with NOAA satellite images and observations from the automatic surface weather stations, giving that the model is able to reproduce realistic results.