Estudio experimental y modelización numérica de los procesos físicos
del sistema climático en la capa límite 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. Introducción
Este es el título de un proyecto de investigación que actualmente llevan a cabo, conjuntamente, tres instituciones -Instituto Nacional de Meteorología (Servicio de Predicción Numérica, y Centro Meteorológico de Catalunya), Universitat de Barcelona (Departament d'Astronomia i Meteorologia) y Universitat Politècnica de Catalunya (Departament de Física Aplicada)-. A continuación se exponen sus aspectos principales. El proyecto está financiado por la Comisión Interministerial de Ciencia y Tecnología (CICYT). Además de los que firman, participan en el proyecto: Carlos Yagüe y Jacobo Orbe (I.N.M.) y José Manuel Redondo, Inmaculada Rodríguez y Laura Conangla (U.P.C.).

2. La capa límite estable
La capa límite atmosférica, la porción de la troposfera más próxima a la superficie de la tierra, tiene una importancia fundamental en el estudio de los fenómenos atmosféricos. Esta parte de la baja atmósfera presenta a menudo una estratificación estable, especialmente, sobre tierra y de noche. La presencia de la capa límite estable juega un papel muy relevante en la formación de nieblas persistentes y de los más graves episodios de contaminación atmosférica. La formación de la capa límite estable puede afectar cualquier lugar, pero es especialmente relevante en les llanuras interiores.

3. Importancia de la capa límite estable para los procesos atmosféricos
La capa límite es el nexo de unión (o de separación) entre la superficie y la atmósfera libre, por tanto, es necesaria la inclusión de los procesos de intercambio que en ella tienen lugar, tanto en los modelos de predicción meteorológica como en los modelos climáticos. La falta de resolución de los modelos para resolver explícitamente estos procesos, especialmente en el caso de la capa límite estable -mucho más delgada-, hace necesaria su parametrización (Kiehl, 1992; Ayotte et al, 1996).
La parametrización consiste en el uso de parámetros a gran escala para diagnosticar y representar los efectos de los procesos atmosféricos de escala menor que la resolución del modelo.
Un ejemplo de la importancia de estas parametrizaciones se puede ver si se piensa que el balance radiativo es, en parte, determinado por la distribución de nubosidad, y en que una correcta representación de las nubes bajas y de las nieblas sólo será posible a partir de una buena parametrización de la capa límite (Garratt, 1992).

4. Principales temas de estudio
Los principales temas de estudio del proyecto son los siguientes:

5. Estudio experimental y análisis de los datos
El estudio de los mencionados temas conlleva un trabajo experimental profundo. Las teorías habitualmente utilizadas en el estudio de la capa límite estable han de ser cuidadosamente verificadas, mediante la comparación de sus predicciones con medidas experimentales. Así, por ejemplo, deben compararse los resultados de la teoría de la semejanza, que se suele utilizar en los modelos climáticos para diagnosticar o predecir el valor de las variables de interés (temperatura, humedad o viento) cerca de la superficie (Noguer, 1996), con los flujos observados directamente, normalmente por el método de eddy correlation, consistente en la medida directa de las fluctuaciones.

Uno de los principales problemas en el análisis de datos experimentales obtenidos en la capa límite estable es la dificultad de separar las contribuciones respectivas de la turbulencia y de los movimientos ondulatorios en las series de datos. Sin hacer esta separación, resulta difícil evaluar teorías o validar simulaciones numéricas.
El estudio de la interacción entre ondas y turbulencia puede realizarse mediante la descomposición de las series de medidas en tres términos: valor medio, fluctuación turbulenta y onda periódica (Hussain y Reynolds, 1978; Finnigan et al, 1984). De la descomposición de Reynolds de las ecuaciones primitivas que gobiernan los movimientos atmosféricos se puede obtener la ecuación de la energía cinética como suma de una energía media, una turbulenta y una de ondulatoria. Cada una de las tres presenta términos de intercambio con las otras y, por lo tanto, permite evaluar las diferentes interacciones.

6. Modelización y simulación
Las parametrizaciones de la turbulencia en la capa límite estable utilizadas actualmente tanto en los modelos de predicción del tiempo como en los climáticos no son satisfactorias. Por ejemplo, la parametrización utilizada en el modelo de predicción del Centro Europeo de Predicción a Medio Plazo utiliza las teorías de la semejanza (Louis, 1979) y se ha comprobado que presenta una tendencia a enfriar demasiado las capas bajas en invierno sobre los continentes. El principal problema radica en que si el enfriamiento superficial es excesivo, la capa límite se sobreestabiliza y se reduce, por lo tanto, el flujo de calor descendente, de manera que la superficie se enfría aún más, entrando así en un proceso claro de realimentación positiva. Para solucionar este problema se propone revisar las funciones de estabilidad, con el fin de incrementar la mezcla turbulenta en situaciones estables. El mismo problema se ha observado en el modelo climático del Hadley Center, que predice un excesivo enfriamiento sobre la Antártida durante el invierno austral.

Los procesos de transferencia turbulenta son responsables de movimientos a escalas más grandes y, por lo tanto, de gran importancia en los modelos de predicción del tiempo y climáticos. Se necesitan esquemas de parametrización de ondas internas y turbulencia más precisos si se quieren mejorar las predicciones de los modelos (Palmer et al, 1986).

Para abordar esta problemática, se realizan estudios numéricos utilizando modelos de alta resolución, con el fin de entender mejor los procesos y llegar a conclusiones aplicables en las parametrizaciones. Este método (Large Eddy Simulations o simulación explícita de los grandes remolinos de la capa límite) se utilizó antes para estudiar la capa límite convectiva (Deardorff, 1972). Sirve también para intercomparar diferentes parametrizaciones o para validar nuevos modelos (Cuxart, 1997).