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.
