Associació Catalana
de Meteorologia

TETHYS, revista de meteorologia - Núm. 1    

Tethys > núm. 1 > articles > article 2

Estudi experimental i modelització numèrica dels processos físics del sistema climàtic a la capa límit estable

 Joan Cuxart(1), Rosa Maria Soler(2), Enric Terradellas(3) i Jordi Vilà(4)

(1) Instituto Nacional de Meteorología. Servei de Predicció Numèrica
(2) Universitat de Barcelona. Departament d'Astronomia i Meteorologia
(3) Instituto Nacional de Meteorología. Centre Meteorològic Territorial de Catalunya
(4) Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Física Aplicada

1. Introducció
Aquest és el títol d'un projecte d'investigació que actualment duen a terme, conjuntament, tres institucions -Instituto Nacional de Meteorología (Servei de Predicció Numèrica, i Centre Meteorològic de Catalunya), Universitat de Barcelona (Departament d'Astronomia i Meteorologia) i Universitat Politècnica de Catalunya (Departament de Física Aplicada)-. A continuació se n'exposen els principals trets. El projecte és finançat per la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT). A més dels signants, participen en el projecte: Carlos Yagüe i Jacobo Orbe (I.N.M.) i José Manuel Redondo, Inmaculada Rodríguez i Laura Conangla (U.P.C.).

2. La capa límit estable 
La capa límit atmosfèrica, la porció de la troposfera més propera a la superfície de la terra, té una importància fonamental en l'estudi dels fenòmens atmosfèrics. Aquesta part de la baixa atmosfera presenta sovint una estratificació estable, especialment, sobre terra i de nit. La presència de la capa límit estable juga un paper molt rellevant en la formació de boires persistents i dels més greus episodis de contaminació atmosfèrica. La formació de la capa límit estable pot afectar qualsevol indret, però és especialment rellevant a les planes interiors.

3. Importància de la capa límit estable per als processos atmosfèrics
La capa límit és el nexe d'unió (o de separació) entre la superfície i l'atmosfera lliure, per tant, és necessària la inclusió dels processos d'intercanvi que hi tenen lloc, tant en els models de predicció meteorològica com en els models climàtics. La manca de resolució dels models per resoldre explícitament aquests processos, especialment en el cas de la capa límit estable -molt més prima- , fa necessària la seva parametrització (Kiehl, 1992; Ayotte et al, 1996).

La parametrització consisteix en l'ús de paràmetres a gran escala per a diagnosticar i representar els efectes dels processos atmosfèrics d'escala menor que la resolució del model.

Un exemple de la importància d'aquestes parametritzacions es pot veure si es pensa que el balanç radiatiu és, en part, determinat per la distribució de nuvolositat, i en que una correcta representació dels núvols baixos i de les boires només serà possible a partir d'una bona parametrització de la capa límit (Garratt, 1992).

4. Principals temes d'estudi
Els principals temes d'estudi del projecte són les següents:

  • l'estabilitat tèrmica, que és un factor inhibidor de la turbulència
  • el refredament radiatiu de la superfície i el consegüent refredament de les capes d'aire properes al sòl
  • les ones internes (o de gravetat). La distinció entre moviments ondulatoris i turbulents a la capa límit estable, així com les seves interaccions, no és encara clara (Einaudi i Finnigan, 1993). Les ones internes poden produir turbulència i aquesta generar ones internes, com passa quan certes pertorbacions interaccionen amb superfícies de separació entre capes de diferent densitat. La turbulència té una gran capacitat de produir barreja i de transportar magnituds físiques com el momentum, la calor, la humitat o la concentració dels contaminants, i constitueix un mecanisme molt dissipatiu -és el principal embornal d'energia en els processos climàtics-. Les ones, en canvi, poden distorsionar les distribucions de densitat o de temperatura, però no poden alterar el caràcter de l'estratificació, a no ser que es trenquin i es transformin en turbulència (Derbyshire i Redondo, 1990). L'estudi de l'esmentada interacció entre ones i turbulència pot ser una de les claus per a una comprensió més gran de les característiques de la capa límit estable
  • els fluxos contra-gradient, és a dir fluxos de calor ascendents en un entorn estable, s'han observat sovint, encara que l'anomenada teoria K o de tancament de primer ordre no permet aquest tipus de fluxos.. Els fluxos contra-gradient i la seva possible relació amb la presència d'ones internes és un altre element clau en l'estudi de la capa límit estable, especialment pel seu paper en la potenciació de les inversions
  • els factors orogràfics. La capa límit estable és molt sensible als pendents del terreny i la consegüent presència de vents catabàtics
  • el màxim de vent a nivells baixos (low level jet). La capa límit estable provoca sovint l'aparició d'un màxim local de vent prop de la superfície. Aquest màxim pot anar associat amb importants cisallaments de vent, generadors de turbulència i responsables d'un important procés de transport advectiu
  • la intermitència de la turbulència (Mahrt i Howell, 1994), permet un desacoblament entre la part superior de la capa límit i els forçaments superficials. Això fa que la turbulència a una altura qualsevol estigui controlada pel cisallament local i l'estabilitat de l'estratificació a aquesta altura, (teoria del local scaling, Niewstadt, 1984) més aviat que pels forçaments superficials, com passa amb estratificacions inestables o indiferents (Yagüe i Redondo, 1995)
  • la formació de boires, associada al refredament radiatiu de les nits serenes (Duynkerke, 1991). L'estratificació estable dificulta els intercanvis turbulents i, quan els vents són molt fluixos, es desenvolupen boires molt primes. Amb una turbulència més activa, a vegades produïda pel refredament radiatiu de les capes superiors de la pròpia boira, aquesta adquireix un major gruix, permetent-li així persistir fins ben avançat el dia. La intercció de la turbulència amb la condensació és, també, un capítol interessant
  • l'acumulació i la transformació dels coponents químics de l'aire. Els processos químics a la capa límit estable són també diferents dels que tenen lloc en situacions convectives o indiferents. La turbulència és la principal responsable de la barreja dels compostos químics (Vilà et al, 1993). Així, en condicions estables, hi haurà una menor barreja dels components químics. S'ha de tenir en compte, també, que la velocitat de les reaccions depèn de la temperatura, amb la qual cosa, la presència de forts gradients tèrmics, típica de la capa estable, suposarà l'existència de velocitats de reacció molt diferents en el seu sí. L'acumulació de determinats components químics, com l'ozó o certs compostos nitrogenats, pot alterar també l'equilibri radiatiu i potenciar l'efecte hivernacle
      
5. Estudi experimental i anàlisi de les dades

L'estudi dels esmentats temes comporta un treball experimental profund. Les teories habitualment utilitzades en l'estudi de la capa límit estable han de ser acuradament verificades, mitjançant la comparació de les seves prediccions amb mesures experimentals. Així, per exemple, cal comparar els resultats de la teoria de la semblança, que se sol utilitzar en els models climàtics per a diagnosticar o predir el valor de les variables d'interès (temperatura, humitat o vent) a prop de la superfície (Noguer, 1996), amb els fluxos observats directament, normalment pel mètode de l'eddy correlation, consistent en la mesura directa de les fluctuacions.

Un dels principals problemes en l'anàlisi de dades experimentals obtingudes a la capa límit estable és la dificultat de separar les contribucions respectives de la turbulència i dels moviments ondulatoris a les sèries de dades. Sense dur a terme aquesta separació, resulta difícil avaluar teories o validar simulacions numèriques.

L'estudi de la interacció entre ones i turbulència pot realitzar-se mitjançant la descomposició de les sèries de mesures en tres termes: valor mitjà, fluctuació turbulenta i ona periòdica (Hussain i Reynolds, 1978; Finnigan et al, 1984). De la descomposició de Reynolds de les equacions primitives que governen els moviments atmosfèrics es pot obtenir l'equació de l'energia cinètica com a suma d'una energia mitjana, una de turbulenta i una d'ondulatòria. Cadascuna de les tres presenta termes d'intercanvi amb les altres i, per tant, permet avaluar les diferents interaccions.

6. Modelització i simulació

Les parametritzacions de la turbulència a la capa límit estable utilitzades actualment tant en els models de predicció del temps com en els climàtics no són satisfactòries. Per exemple, la parametrització utilitzada en el model de predicció del Centre Europeu de Predicció a Mig Termini utilitza les teories de la semblança (Louis, 1979) i s'ha comprovat que presenta una tendència a refredar massa les capes baixes a l'hivern sobre els continents. El principal problema radica en que si el refredament superficial és excessiu, la capa límit es sobreestabilitza i es redueix, per tant, el flux de calor descendent, de manera que la superfície es refreda encara més, entrant així en un procés clar de realimentació positiva. Per solucionar aquest problema es proposa revisar les funcions d'estabilitat, amb la finalitat d'incrementar la barreja turbulenta en situacions estables. El mateix problema s'ha observat en el model climàtic del Hadley Center, que prediu un excessiu refredament sobre l'Antàrtida durant l'hivern austral.

Els processos de transferència turbulenta són responsables de moviments a escales més grans i, per tant, de gran importància en els models de predicció del temps i climàtics. Calen esquemes de parametrització d'ones internes i turbulència més precissos si es volen millorar les prediccions dels models (Palmer et al, 1986).

Per abordar aquesta problemàtica, es realitzen estudis numèrics utilitzant models d'alta resolució, amb la finalitat d'entendre millor els processos i treure'n conclusions aplicables a les parametritzacions. Aquest mètode (Large Eddy Simulations o simulació explícita dels grans remolins de la capa límit) es va utilitzar abans per estudiar la capa límit convectiva (Deardorff, 1972). Serveix també per a intercomparar diferents parametritzacions o per a validar nous models (Cuxart, 1997).


REFERÈNCIES

Ayotte, K. W.; P. P. Sullivan; A. Andrén; S. C. Doney; A. A. M. Holtslag; W. G. Large; J. C. McWilliams; C. H. Moeng; M. J. Otte; J. J. Tribbia; J. C. Wingaard, 1996: An evaluation of neutral and convective planetary boundary-layer parametrizations relative to large eddy simulations. Boundary Layer Meteorology, 79, 131-175.

Cuxart, J. 1997: Planetary Boundary Layer Modeling: from LES to General Circulation Models. Tesis Doctoral. Univ. de Barcelona.

Deardorff, J. W., 1972: Numerical Investigation of neutral and unstable planetary boundary layers. J. Atmos. Sci, 29, 91-115.

Derbyshire, S. H.; J. M. Redondo, 1990: Fractals and waves, some geometrical approaches to stably-stratified turbulence. Anales de Física, serie A, 86, 67-76.

Duynkerke, P. G., 1991: Radiation fog: a comparison of model simulation with detailed observations. Mon. Wea. Rev., 119, 324-341.

Einaudi, F..; J. J. Finnigan, 1993: Wave-turbulence dynamics in the stable stratified boundary layer. J. Atmos. Sci., 50, 1841-1864.

Garratt, J. R., 1992: The Atmospheric Boundary Layer. Cambridge University Press.

Hussain, A. K. M.; W. C. Reynolds,, 1970: The mechanics of an organized wave in turbulent shear flow. J. Fluid. Mech., 41, 241-258..

Kiehl, J. T., 1992: Atmospheric circulation models. Climate system modellingg. K. E. Trenberth Ed. Cambridge University Press.

Louis, J. F., 1979: A parametric model of vertical eddy fluxesin the atmosphere. Boundary Layer Meteorology, 17, 187-202.

Mahrt, L.; J. F. Howell, 1994: An adaptive multiresolution data filter: applications to turbulence and climatic time series. J. Atmos. Sci., 51, 2165-2178..

Niewstadt, F. T. M., 1984: The turbulent structure of the stable, nocturnal boundary layer. J. Atmos. Sci., 41, 2202-2216.

Noguer,. M. M., 1996: Aplicación de un modelo regional de clima sobre Europa: Análisis de los efectos de los errores sistemáticos en las condiciones de contorno. Tesis Doctoral. Univ. Comp. de Madrid.

Palmer T. N.; G. J. Shutts; R. Swinbank, 1986: Allevetion of a systematic westerly bias in general circulation and numerical prediction models through an orographic gravity wave drag parametrization.. Q. J. R. Meteorolog. Soc., 112, 1001-1039.

Vilà Guerau de Arellano, J.; P. G. Duynkerke; P. J. H. Builtjes, 1993: The divergence of the turbulent diffusion flux due to chemical reactions in the surface layer: NO-O3-NO2 system. Tellus, 45B, 23-33.

Yagüe, C.; J. M. Redondo, 1995: A case study of turbulent parameters during the Antarctic winter. Antarct. Sci., 7, 421-433.

Tethys > núm. 1 > articles > article 2