Topographically induced flows and nocturnal cooling in the atmospheric boundary layer

Abstract

[cat] La Capa Límit Atmosfèrica (CLA) normalment es defineix com la part inferior de l’atmosfera que es troba directament influenciada per la superfície terrestre. Tots els processos d’intercanvi d’energia, massa o moment entre la superfície i l’atmosfera tenen lloc a través d’aquesta capa d’aire. Per això és tant important analitzar els processos físics que hi tenen lloc. La interacció entre la CLA i la superfície de la Terra és molt complexa. Quan la situació sinòptica ve marcada per forts gradients de pressió, els vents intensos que es generen a gran escala provoquen forts moviments turbulents a prop del terra degut al fregament de l’aire amb la superfície terrestre. Com a resultat, s’obté una capa límit molt barrejada que emmascara les peculiaritats locals i els processos físics es troben fortament condicionats per la dinàmica de gran escala. En canvi, sota la influència d’un anticicló, els moviments horitzontals d’escala regional són molt febles i la dinàmica de la CLA es veu condicionada per fenòmens que responen a escales inferiors, des de la mesoscala fins a l’escala local i turbulenta. En aquests casos, el cicle diürn de la CLA és més marcat, en especial damunt dels continents. Durant el dia, l’escalfament del terra es transmet a l’atmosfera a través de la convecció, provocant forts moviments verticals que contribueixen a redistribuir l’excés d’energia aportat pel Sol. Aquest mecanisme també contribueix a una barreja i homogeneïtzació de la CLA d’una manera similar a la del cas amb forts vents. Durant aquesta fase la capa límit es coneix com a Capa Límit Convectiva (CLC) o de barreja. A partir del vespre, l’aportació d’energia, i per tant la convecció, desapareixen amb la posta de Sol, iniciant-se un procés de refredament radiatiu del terra. L’aire en contacte amb el sòl també es refreda, formant una inversió de temperatura que anirà guanyant altura a mesura que avanci la nit. Aquest règim, en què la CLA rep el nom de Capa Límit Estable (CLE), està caracteritzat per una turbulència més feble que no pas durant el dia, amb menys capacitat per barrejar l’aire. En aquestes condicions, quan la turbulència perd capacitat per homogeneïtzar la capa límit, l’heterogeneïtat de la superfície es tradueix en gradients horitzontals de pressió i temperatura a la part baixa de l’atmosfera, induint moviments d’aire que tendeixin a reduirlos. A la CLE damunt de terreny complex, doncs, són aquestes circulacions les que en molts casos dominen els intercanvis d’energia, massa i moment entre la superfície i l’atmosfera. La presència de muntanyes, valls, pendents, llacs o boscos contribueix a una distribució heterogènia de la temperatura damunt la superfície, generant estructures coherents com corrents de gravetat, vents de pendent o de vall, per citar uns exemples. Aquesta tesi es concentra en l’estudi de les circulacions de vent nocturnes en condicions atmosfèriques estables o de bon temps, tot analitzant el paper de l’orografia en la seva generació i organització a escala de conca. També analitza com interaccionen els diversos corrents entre ells i amb els vents d’escala major, així com en els patrons de temperatura que es formen damunt del terreny complex. L’estudi s’ha realitzat per a quatre localitzacions diferents a latituds mitjanes. Cada localització conté una o vàries conques hidrogràfiques ben definides que organitzen els corrents nocturns a nivell de mesoscala. Aquests indrets són l’illa de Mallorca, la conca del Duero i la vall de l’Ebre, ambdues d’escala similar, i finalment un cràter de mida molt més reduïda situat a l’altiplà del Colorado, Arizona. Per als tres primers indrets, s’ha estudiat la dinàmica dels corrents locals a múltiples escales, tot identificant les configuracions orogràfiques que els determinen i l’escala més gran que s’ha de tenir en compte. Al cràter s’hi ha analitzat els canvis que experimenta el corrent de pendent damunt de la vessant interior del cràter durant la transició dia-nit. Les eines utilitzades per a elaborar l’anàlisi exposada han estat variades. Per una banda, s’ha procurat fer ús de totes les dades experimentals disponibles, des de dades d’estacions meteorològiques fins a imatges de satèl · lit. Per als casos del cràter i la vall de l’Ebre, també s’han utilitzat dades de campanyes experimentals dissenyades específicament. En el cas de la conca del Duero i l’illa de Mallorca, les observacions s’han complementat amb dues simulacions de mesoscala d’alta resolució per a nits seleccionades. Aquestes simulacions tenen suficient resolució vertical i horitzontal per generar corrents de pendent (o vents catabàtics) a diversos indrets del domini. Les sortides del model s’han utilitzat per a analitzar les principals característiques de dos d’aquests corrents, posant-les en relació amb les d’altres vents catabàtics mesurats o simulats a diferents llocs. Amb l’estudi de les circulacions induïdes per l’orografia a diferents indrets, aquesta tesi vol contribuir en la identificació d’aquelles característiques comunes en la interacció entre la CLE i el terreny complex.

[eng] The study of the Atmospheric Boundary Layer (ABL) has been historically addressed considering that it evolves over homogeneous and flat terrain. However, in real world such surfaces hardly exist. Actually, terrain complexity represents a major effect on the behaviour of the ABL, specially under fair weather conditions in nighttime. When no well-defined synoptic gradients exist over complex topography, flows develop at a large variety of scales. The main generators of these circulations are spatial thermal differences induced by terrain heterogeneity. This thesis seeks to contribute in the analysis of the nocturnal ABL by considering the terrain influence, with especial regard to the temperature and wind structure close to the ground.