Sumario:
Física de la Tierra
Servicio de Publicaciones de la Universidad Complutense de Madrid
- Volumen 19 (2007) -
Más información / Texto completo
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Experimental and modelling micrometeorology.
Micrometeorología experimental y modelización.
3. Contents / 5. Sumario
7. The Prologue. 46 KB
Carlos YAGÜE, Enrique SÁNCHEZ y Julia M. REES
Depth of the Stable Atmospheric Boundary Layer over a Shallow Uniform Slope - Altura de la Capa Límite Atmosférica Estable sobre una Pendiente Homogéna Somera. 111 KB
MAGUIRE, Andrew James | REES, Julia Margaret | DERBYSHIRE, Stephen Hal
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Palabras Clave: Stable atmospheric boundary layer; Sloping terrain; Large eddy simulations; Boundary layer depth
Capa límite atmosférica estable; Terreno en pendiente; Simulaciones de grandes remolinos (LES); Altura de capa límite
Resumen: This paper is concerned with the depth of the stably stratified atmospheric boundary layer overlying a shallow uniform slope. A specified surface heat flux is applied. Large eddy simulation modelling is used to compare the boundary layer depths predicted by three different definitions for the depth of the stable layer that are in common use: the height at which the heat flux has dropped to 5% of its surface value, the height at which the Zilitinkevich ratio is a prescribed constant value, and, thirdly, the height at which the wind speed reaches its maximum value. These three definitions are based on different physical properties. Results from both one-dimensional (in the sense that span-wise spatial derivatives are all assumed to be zero but the three components of the velocity field are included) and fully threedimensional simulations are presented. Key findings from this study indicate that in the onedimensional simulations, cross-slope winds could adversely affect the surface layer statistics leading to the prediction of an overly shallow boundary layer. This problem was alleviated in the threedimensional simulations. This suggests that fully three-dimensional simulations are required for stable boundary layers over sloping terrain.
Este trabajo está relacionado con la altura de una capa límite atmosférica establemente estratificada sobre una pendiente homogéna somera. Se aplica un determinado flujo de calor superficial. Se utiliza simulación numérica de grandes remolinos (LES) para comparar las alturas de capa límite pronosticadas por tres diferentes definiciones de altura de capa estable que habitualmente se utilizan: la altura a la cual el flujo de calor ha disminuido a un 5% de su valor superficial, la altura a la cual la razón de Zilitinkevich es un valor prescrito constante, y en tercer lugar la altura a la que la velocidad del viento alcanza su valor máximo. Estas tres definiciones se basan en diferentes propiedades físicas. Se presentan los resultados tanto de las simulaciones unidimensionales (en el sentido de que las derivadas espaciales transversales son cero pero se incluyen las tres componentes de la velocidad) como de las tridimensionales. Los resultados fundamentales de este estudio señalan que en las simulaciones unidimensionales los vientos transversales a la pendiente podían afectar negativamente a las estadísticas de la capa superficial, dando lugar a la predicción de una capa límite demasiado somera. Este problema fue atenuado en las simulaciones tridimensionales. Esto sugiere que se necesitan simulaciones tridimensionales para capas límites estables sobre terreno en pendiente.
A gravity current study within the Palma de Mallorca basin - Estudio de una Corriente de Gravedad en la Cuenca de Palma de Mallorca. 515 KB
MARTÍNEZ, Daniel | CUXART, Joan
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Palabras Clave: Katabatic wind; Mesoscale model; Stable boundary layer; Hydraulic model
Viento catabático; Modelo de mesoescala; Capa límite atmosférica; Modelo hidráulico
Resumen: An analysis of a katabatic flow is made through data provided by a high resolution mesoscale simulation of the isle of Majorca in the western Mediterranean sea. It is found that a quasi-steady state is reached in the second part of the night and that the katabatic flow interacts with a cold pool formed at the end of the slope, in the center of the Palma basin. The application of a two-layer model following the framework set out in Mahrt (1982) shows that the main term of the momentum budget equation is the buoyancy force, which is generally balanced by the stress divergence and the advection term. The entrainment at the top is small and the scale analysis shows that the flow is in a shooting regime, in agreement with the hydraulic theory. Finally, an oscillatory behaviour of the wind speed and potential temperature is well correlated with the changes in the slope angle and it is adapted with the waves generated above in the lee side of the mountain.
Se realiza el análisis de un viento catabático utilizando los datos procedentes de una simulación mesoescalar de alta resolución en la isla de Mallorca, situada en el Mar Mediterráneo Occidental. El régimen casi-estacionario es alcanzado durante la segunda mitad de la noche y la corriente catabática interacciona con una piscina de aire frío que se forma al pie de la pendiente, coincidiendo con el centro de la cuenca de Palma. La aplicación de un modelo de dos capas según el marco establecido por Mahrt (1982) indica que el término principal de la ecuación de balance para el momento es la fuerza de flotabilidad, la cual se encuentra generalmente compensada por la divergencia del flujo del momento y el término de advección. La intrusión de aire en la cima de la capa catabática es pequeña y un análisis de escala indica que la corriente se encuentra en un régimen disparado, de acuerdo con la teoría hidráulica. Finalmente, en la simulación aparece un comportamiento oscilatorio para la velocidad del viento y la temperatura potencial bien correlacionado con los cambios de inclinación a lo largo de la pendiente. Estas oscilaciones se adaptan a las ondas generadas a sotavento de la montaña.
A Study on the Nocturnal Atmospheric Boundary Layer: SABLES2006 - Estudio de la Capa Límite Atmosférica Nocturna: SABLES2006. 241 KB
YAGÜE, Carlos | VIANA, Samuel | MAQUEDA, Gregorio | LAZCANO, Montserrat F. | MORALES, Gema | REES, Julia M.
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Palabras Clave: Stable boundary layer; Field campaign; Turbulent parameters; Katabatic winds; Intermittent mixing
Capa límite estable; Campaña de campo; Parámetros turbulentos; Vientos catabáticos; Mezcla intermitente
Resumen: Preliminary results from SABLES2006 field campaign (Stable Atmospheric Boundary Layer Experiment in Spain) are shown. This campaign took place from 19 June to 5 July 2006 at the CIBA (Research Centre for the Lower Atmosphere) site, which is located at Valladolid on a fairly homogeneous terrain. Different instrumentation was available on a 100m tower (cups and sonic anemometers, thermometers, humidity sensors and three high resolution microbarometers). Additionally, a triangular array of microbarometers close to surface was also deployed in order to characterize wave events. Moreover a tethered balloon was used to get vertical profiles of the atmosphere up to 1000 m. Mean micrometeorological variables, stability and turbulent parameters (all of them 5 minute averaged) have been analysed for 10 consecutive nights, showing the main characteristics of the stable nocturnal boundary layer: surface-based inversions, intermittent turbulence, katabatic winds, low level jets, developing gravity waves, etc. The boundary layer height in stable conditions is also evaluated from different definitions. The range of values found is analysed.
En este trabajo se muestran resultados preliminares de la campaña SABLES2006 (Experimento en Capa Límite Atmosférica Estable en España). La campaña tuvo lugar entre el 19 de junio y el 5 de julio en el CIBA (Centro de Investigaciones en la Baja Atmósfera), localizando en la provincia de Valladolid sobre terreno homogéneo. En una torre de 100 m se dispuso de diferente instrumentación (anemómetros de cazoletas y sónicos, termómetros, sensores de humedad y tres microbarómetros de alta sensibilidad). Adicionalmente, se utilizaron tres microbarómetros dispuestos en un triángulo junto a la superficie con el objeto de caracterizar eventos ondulatorios. Además se empleó un globo cautivo para obtener perfiles de la atmósfera hasta 1000 m. Se han analizado variables micrometeorológicas medias, parámetros de estabilidad y turbulentos (todos promediados en 5 minutos) para 10 noches consecutivas, mostrando las principales características de la capa límite estable nocturna: inversiones junto al suelo, turbulencia intermitente, vientos catabáticos, chorros a bajo nivel, desarrollo de ondas de gravedad, etc. La altura de la capa límite en condiciones de estabilidad fue evaluada según diferentes definiciones. Los rangos de valores encontrados han sido analizados.
Study of the surface pressure fluctuations generated by waves and turbulence in the nocturnal boundary layer during SABLES2006 field campaign - Estudio de las Fluctuaciones de Presión Superficial Generadas por Ondas y Turbulencia en la Capa Límite Atmosférica Nocturna durante la Campaña SABLES2006. 323 KB
YAGÜE, Carlos | VIANA, Samuel | MAQUEDA, Gregorio | MORALES, Gema
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Palabras Clave: Static pressure fluctuations; Gravity waves; Turbulence; Nocturnal boundary layers; Microbarometers; Wavelets
Fluctuaciones de presión estática; Ondas de gravedad; Turbulencia; Capa límite nocturna; Microbarómetros; Wavelets
Resumen: Small-scale, short-period surface pressure fluctuations are perhaps one of the less studied features in the atmospheric boundary layer (ABL). These perturbations can be produced by fast turbulent motions and also by the propagation of internal-gravity waves generated close to the ground when stability is present. In this work nocturnal data from SABLES2006 field campaign is analyzed in order to characterize the wave-like structures detected during the most stable periods of the campaign by means of a wavelet analysis. In addition, we will relate the spectral characteristics of surface pressure fluctuations to the turbulent and stability parameters measured from tower data.
Las fluctuaciones de presión de período corto o pequeña escala son, quizá, de los aspectos menos estudiados en la capa límite atmosférica (ABL). Estas perturbaciones se producen por rápidos movimientos turbulentos y por la propagación de ondas internas generadas cerca del suelo en presencia de estabilidad. En este trabajo se han analizado datos nocturnos obtenidos en la campaña de campo SABLES2006, con objeto de caracterizar, por medio de un análisis de tranformada wavelet, los eventos detectados con estructuras ondulatorias durante los períodos de mayor estabilidad de la campaña. También se relacionarán las características espectrales de las fluctuaciones de la presión en superficie con los parámetros turbulentos y de estabilidad obtenidos de los datos de una torre
Real-Time Air Quality Operational Forecasting Systems in Spain: an Application of the MM5-CMAQ-EMIMO Modelling System - Sistemas de Predicción de la Calidad del Aire en Tiempo Real en España: una aplicación del sistema MM5-CMAQ-EMIMO. 505 KB
SAN JOSÉ, R. | PÉREZ, J.L. | MORANT, J.L. | GONZÁLEZ BARRAS, R.M.
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Palabras Clave: Air quality modelling; Industrial plants; Urban air quality; Mesoscale models; Numerical meteorological models; Ozone modelling
Calidad del aire; Modelización; Plantas industriales; Calidad del aire urbana; Modelos de mesoescala; Modelos numéricos meteorológicos; Modelización del ozono
Resumen: In this contribution we show the description, implementation and operation of an Operational Air Quality Forecasting System for industrial plants, urban and regional areas. The system is called OPANA (OPerational Atmospheric Numerical model for urban and regional Areas) and is the evolution and result of more than 10 years of research on sophisticated state-of-the-art numerical air quality modelling systems and the implementation on state-of-the-art computer platforms. The system is in operation since 2005 although older versions started to operate at the end of the 90’s. The OPANA tool is operating on different industrial plants in the south of Madrid area and also over urban areas such as Madrid (Spain), Leicester City (U.K.), Las Palmas de Gran Canaria (Canary Islands, Spain). OPANA modelling tool is actually operating with MM5 mesoscale meteorological model (PSU/NCAR, US) and the CMAQ (Community Multiscale Air Quality Modelling System) model developed by EPA (US). Additionally, a complex emission model (EMIMO) developed by our group in UPM (Spain) in 2001 is also described and needed to provide accurate hourly and high spatial resolution (1 km) pollution emission data at global level. Results show that these tools can provide reliable and robust information to authorities and industrial managers to control – in forecasting mode – the air quality in the surrounding areas of the industrial plant or to forecast the air quality in the whole city or region.
En esta contribución mostramos la descripción, la implementación y la operativa de un Sistema de Predicción Operacional de la Calidad del Aire para plantas industriales, áreas urbanas y regionales. El sistema se denomina OPANA (acrónimo de Operational Atmospheric Numerical model for urban and regional Areas) y es un producto consecuencia de la investigación en el área durante más de 10 años de nuestro laboratorio, sobre sistemas numéricos sofisticados de calidad del aire que reflejan el estado-del-arte en este área y su implementación en plataformas computacionales actuales. El sistema se encuentra operando desde el año 2005 aunque hubo versiones anteriores que inician su desarrollo al final de los años 90. Esta herramienta - OPANA - opera sobre diferentes plataformas industriales en el área del sur de la comunidad de Madrid y también sobre áreas urbanas como la ciudad de Madrid (España), la ciudad de Leicester (Reino Unido), Las Palmas de Gran Canaria (Islas Canarias, España). La herramienta OPANA opera en la actualidad con el modelo meteorológico de mesoescala MM5 (PSU/NCAR, US) y el modelo CMAQ (Sistema de Modelización de la Calidad del Aire de Multi-escala y comunitario) desarrollo por USEPA. Además, un modelo de emisiones denominado EMIMO, desarrollado por nuestro laboratorio en el año 2001, es necesario para proporcionar las estimaciones de las emisiones horarias con alta resolución espacial (1 km) de los diferentes contaminantes atmosféricos en cualquier parte del globo. Los resultados muestran que este tipo de herramientas pueden proporcionar una información robusta y confiable a las autoridades ambientales y a los responsables industriales para controlar –en modo predictivo– la calidad del aire en aquellas áreas que rodean las áreas industriales o para predecir la calidad del aire en la ciudad o en toda la región.
A Simple Modelling System to Forecast Tropospheric ozone concentrations - Un Sistema de Modelización simple para Predecir las Concentraciones de Ozono Troposférico. 494 KB
BENEITO, Jordi | SOLER, Maria Rosa | ALARCÓN, Marta
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Palabras Clave: Tropospheric ozone; Ozone modelling; Eulerian simulation; Lagrangian simulation; Ground-level ozone forecast; Sensitivity analysis
Ozono troposférico; Modelización del ozono; Simulación euleriana; Predicción de ozono superficial; Análisis de sensibilidad
Resumen: This study reports the development of a simple, operational modelling system to forecast surface ozone concentrations. The model consists of 3 modules corresponding to meteorological, emission and photochemical models linked by a program written in Visual Fortran. The system was applied during later spring-summer 2003 and 2004 in different areas of Catalonia, in north-east Spain. Accuracy in predicting maximum daily ozone concentration was between 15 and 20 μgm-3, while there was a tendency to overestimate, which ranged from 0.5 to 7 μgm-3.We also tested the model’s ability to forecast concentrations within different levels concentrations, especially those are higher than 180 μgm-3, which could be of practical use to air-quality managers. Between 65% and 90% of the forecasts were correct, depending on the area forecasted. The system was also used to make a sensitivity analysis for all areas of the simulation. This study helps to find strategies for reducing ozone levels because it provides information about how the ozone concentration responds to changes in the emissions of its precursors.
Este estudio recoge el desarrollo de un sistema simple de modelización operacional para predecir las concentraciones de ozono superficial. El modelo consta de tres módulos correspondientes a los modelos fotoquímicos, de emisión y meteorológico que están enlazados por medio de un programa escrito en Visual Fortran. El sistema se aplicó durante el final de la primavera y el verano de los años 2003 y 2004 en diferentes áreas de Cataluña, localizada en el NE de España. La precisión en la predición de la concentración máxima diraria de ozono varía entre 15 y 20 μgm-3, existiendo una tendencia a la sobreestimación entre 0,5 y 7 μgm-3. También se ha probado la validez del modelo para predecir concentraciones dentro de diferentes niveles de concentración, especialmente aquellos mayores de 180 μgm-3, que podría ser de uso práctico para los gestores responsables de la calidad del aire. Entre un 65% y 90% de las predicciones, dependiendo del área predicha, fueron correctas. También se probó el sistema para realizar un análisis de sensibilidad para todas las áreas de simulación. Este estudio podría ser útil para encontrar estrategias de reducción de los niveles de ozono debido a que proporciona información acerca de cómo las concentraciones de ozono responden a los cambios en la emisión de sus precursores.
Net CO2 exchange in a rural area of the upper Spanish plateau - Intercambio Neto de CO2 en un Área Rural Española de la Meseta Norte. 154 KB
SÁNCHEZ, María Luisa | DE TORRE, Beatriz | PÉREZ, Isidro Alberto | GARCÍA, María Ángeles
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Palabras Clave: CO2 exchange; Net Ecosystem Exchange; NEE; Eddy; Gross primary production; GPP; Relationship between GPP and NDVI
Flujos de CO2; Intercambio neto de CO2; NEE; Turbulencia; Producción primaria neta; GPP; Relación entre GPP y NDVI
Resumen: In 2004 we installed a CO2 eddy-correlation system at the CIBA centre located in an agriculture area in the geographical centre of the semi-arid upper Spanish plateau. 30-min Net Ecosystem Exchange measurements, NEE, were systematically performed from February to January 2005 (except in August). The period of study was dominated by drought, the yearly accumulated rainfall amounting to 300 mm. This paper presents the most relevant experimental results obtained, identifies the main driving factors governing NEE and assesses the influence of one of the most common vegetation indexes, the Normalized Difference Vegetation Index, NDVI, on gross primary production (GPP) in the growing season. The NDVI data used correspond to the MODIS 16-day composites. The results obtained show: 1) a marked seasonal variation featured by CO2 uptake during the growing season (March-June 16) and CO2 emissions from October to January. 2) low monthly NEE means ranging from 0.21 to -1.39 μmol/m2.s, 3) consistent diurnal cycles with their corresponding Photosynthetic Active Radiation, PAR, and vegetation cover evolution and 4) a satisfactory linear relationship of GPP versus MODIS 16-day NDVI during the growing season (R2=81.8%).
En 2004 instalamos un sistema de medida de flujos turbulentos de CO2 (eddy-correlation) en el CIBA, situado en un área agrícola semiárida de la meseta norte española. Durante períodos de 30 min. se calcularon sistemáticamente los flujos netos, NEE, desde febrero de 2004 hasta enero de 2005 (excepto en agosto). El período de estudio estuvo dominado por la sequía siendo la precipitación acumulada de 300 mm. Este trabajo presenta los resultados experimentales más relevantes, identifica los principales factores que gobiernan la variabilidad de NEE y valora la influencia de uno de los índices de vegetación más característicos, NDVI, sobre la producción primaria neta, GPP durante el período de crecimiento vegetativo. Los datos de NDVI utilizados fueron los compuestos MODIs de 16 días. Los resultados obtenidos muestran: 1) una marcada variación estacional caracterizada por absorción fotosintética durante el período de crecimiento vegetativo (marzo-junio 16), y emisiones de CO2 desde octubre hasta enero; 2) bajos valores de NEE, comprendidos entre 0,21 y -1,39 μmol/m2.s; 3) ciclos diarios consistentes con los correspondientes de la radiación fotosintética activa, PAR, y la evolución de la cubierta vegetal; y 4) una satisfactoria correlación lineal de GPP con los compuestos de NDVI de 16-días durante el período de crecimiento vegetativo (R2=81,8%).
The radiation and energy budget in mesoscale models: an observational study case - Balance de Radiación y Energético en los Modelos a Mesoescala: un Caso de Estudio Observacional. 167 KB
VILÀ-GUERAU DE ARELLANO, Jordi | CASSO-TORRALBA, Pau
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Palabras Clave: Radiation and energy budget; Evaluation mesoscale model MM5
Balance de radiación y energético; Evaluación modelo mesoescala MM5
Resumen: The radiation and energy budget modelled by means of the mesoscale model MM5 is evaluated against detail surface and upper-air observations. Three consecutive days (24-26th September 2003) were selected for this study characterized by a weak synoptic forcing and by an optimal development of the diurnal variability of surface and boundary layer variables. Particular emphasis is placed to analyze the sensitivity of these budgets to relevant surface properties like albedo and soil moisture availability. The investigation is extended to determine the sensitivity of the main boundary layer characteristics (boundary layer height and mixed-layer temperature) to variations on surface turbulent fluxes due to different surface conditions
El balance de radiación y energético calculado con el modelo de mesoescala MM5 es comparado con observaciones recogidas en superficie y de altura. Tres días fueron seleccionados (24-26 Septiembre 2003) en base a una situación sinóptica con poca influencia en la variabilidad diurna de las variables en superficie y en la capa límite. En el análisis de sensibilidad hemos puesto especial énfasis en estudiar los cambios en las variables de radiación y turbulencia a modificaciones del albedo y del contenido de humedad del suelo. La investigación se completa con el estudio de las principales características de la capa límite (altura y temperatura promediada en la capa límite) a las variaciones de los flujos turbulentos de superficie debido a cambios en las condiciones del suelo.
Micrometeorological modelling in urban areas - Modelización Micrometeorológica en Áreas Urbanas. 378 KB
MARTILLI, Alberto | SANTIAGO, Jose Luis | MARTÍN, Fernando
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Palabras Clave: Micrometeorology; Urban areas; CFD models; RANS; K-e turbulence model; Validation; Average properties; Urban parameterization; Array of cubes
Micrometeorología; Áreas urbanas; Modelos CFD; RANS; Modelo de turbulencia k-e; Validación; Propiedades promedio; Parametrización urbana; Matriz de cubos
Resumen: Micrometeorological studies in urban zones are more complex than in rural zones. Inside urban canopy, 3-D flow structures are created by the urban geometry (streets with different configurations of buildings). In this paper, the application of microscale models (CFD models) to urban micrometeorology is studied and a CFD model is applied to an array of cubes representing a portion of a city. The model results are validated against wind tunnel measurements made with the same geometry and are analysed to understand the flow properties in this case. Strong horizontal inhomogeneities of the mean and turbulence variables are found inside the canyons showing that the representativeness of measurement in one point is limited spatially. In addition, the CFD results are spatially averaged over thin slices encompassing a cube-canyon unit in the central zone of the array showing the special importance of average properties as the dispersive stress inside the urban canopy created by the cubes.
Los estudios de micrometeorología en zonas urbanas son más complejos que en zonas rurales. Dentro de la canopy urbana, se crean estructuras de flujo de aire tridimensionales debido a la propia geometría urbana (calles con diferentes configuraciones de edificios). En este artículo, se estudia la aplicación de modelos a microescala (modelos CFD) a la micrometeorología urbana, para ello se aplica un modelo CFD a una matriz de cubos que representa una porción de ciudad. Los resultados del modelo se validan frente a medidas en túnel de viento realizadas con la misma geometría, y una vez validados se analizan para comprender las propiedades del flujo en este caso. Se encontraron fuertes inhomogeneidades horizontales de las variables medias y turbulentas dentro de los cañones de la calle, mostrando que la representatividad de las medidas en un punto está limitada espacialmente. Además, los resultados del modelo CFD son promediados espacialmente sobre láminas delgadas horizontales que rodean una unidad cubo-cañón en la zona central de la matriz, mostrando la especial importancia de las propiedades espacialmente promediadas como el dispersive stress dentro de la canopy urbana creada por los cubos.
An Eddy-diffusivity/Mass-flux Boundary Layer Parameterization Based on the TKE Equation: a Dry Convection Case Study - Una Parametrización de Flujo de Masa/Difusividad Turbulenta en Capa Límite basada en la Ecuación de la Energía Cinética Turbulenta: Caso de Estudio de Convección Seca. 130 KB
SOARES, Pedro M. M. | MIRANDA, Pedro M. A. | TEIXEIRA, J. | SIEBESMA, A. P.
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Palabras Clave: Sub-grid mixing; Boundary layer; Turbulent kinetic energy; Turbulence and convection
Mezca submalla; Capa límite; Energía cinética turbulenta; Turbulencia y convección
Resumen: An eddy-diffusivity/mass-flux (EDMF) parameterization based on the turbulent kinetic energy equation (TKE) is proposed. The diffusive term is based on a prognostic TKE equation and the massflux term also depends on the prognostic TKE in two ways: in the initialization of a rising parcel, used for the estimation of updraft ensemble properties, and in the formulation of the mass-flux coefficient, which is proportional to the vertical velocity variance. The scheme is implemented in a onedimensional version of the MesoNH model and tested for a dry convective boundary layer case, with realistic results. In particular, the EDMF-TKE closure is able to reproduce realistically the countergradient fluxes and the top-entrainment. The proposed parameterization is appealing because it leads to an integrated and unified approach to convective boundary layer parameterization, blending together concepts associated with eddy-diffusivity, mass-flux and the turbulent kinetic energy.
Se propone una parametrización de flujo de masa/difusividad turbulenta (EDMF) basada en la ecuación de la energía cinética turbulenta (TKE). El término difusivo se basa en una ecuación de pronóstico de la TKE y el término de flujo de masa también depende de la TKE pronosticada de dos modos: en la inicialización de una parcela ascendente, usada para la estimación de las propiedades medias de la corriente ascendente, y en la formulación del coeficiente de flujo de masa, que es proporcional a la varianza de la velocidad vertical. El esquema es implementado en una versión unidimensional del modelo MesonNH y verificado con un caso de capa límite convectiva seca, con resultados realistas. En particular el cierre EDMF-TKE es capaz de reproducir de manera realista los flujos contra-gradiente y el entrainment en la cima de la capa límite. La parametrización propuesta es interesante porque lleva a una aproximación integrada y unificada de la parametrización de la capa límite convectiva, combinando conceptos asociados con la difusividad turbulenta, el flujo de masa y la energía cinética turbulenta.
Turbulent kinetic energy climatology for present and future climate conditions over the Iberian Peninsula as obtained from a TKE closure scheme in a regional climate model - Climatología de la Energía Cinética Turbulenta para Clima presente y Futuro sobre la Península Ibérica Obtenidos con un Esquema de Cierre con TKE en un Modelo Regional de Clima. 342 KB
SÁNCHEZ, Enrique | YAGÜE, Carlos | GAERTNER, Miguel Angel
163
Palabras Clave: Turbulent kinetic energy; Regional climate model; Climatic change.
Modelización climática regional; Turbulencia; Cambio climático
Resumen: Two 30-year periods, present (1961-1990) and future (2071-2100) climatic conditions under A2-SRES increased greenhouse gases conditions over mosf of Europe and Northern Africa have been simulated with PROMES regional climate model. This model uses a 1.5 order closure turbulent scheme, providing then turbulent kinetic energy (TKE) as a prognostic variable. The analysis of the obtained TKE at climatic scales provides additional information about climatic change processes than just the surface variables analysis, more commonly used for climate change studies. It also gives an original perspective for numerical modelling of turbulent planetary boundary... (Leer más) layer description, typically focused on much smaller time and spatial scales. The analysis is here focused over the Iberian Peninsula, as it shows some aspects of interest when dealing with climatic change studies over Europe: it is one of the regions that is expected to present a higher temperature increase, specially for summer season, and also can suffer an important hydrological stress.
Dos períodos de 30 años, clima presente (1961-1990) y condiciones climáticas futuras (2071-2100) para el escenario de emisiones de gases invernadero A2-SRES sobre la mayor parte de Europa y el Norte de África han sido simuladas con el modelo regional de clima PROMES. Este modelo emplea un esquema de cierre turbulento de orden 1.5, con la energía cinética turbulenta (TKE) como variable de pronóstico. El análisis de la TKE obtenida en escalas climáticas proporciona una información adicional sobre procesos de cambio climático frente al análisis de variables de superficie únicamente, más habitualmente usado en estudios de cambio climático. También ofrece una perspectiva original de la descripción de la modelización numérica de la capa límite planetaria turbulenta, típicamente concentrada en escalas espaciales y temporales más pequeñas. El análisis está enfocado sobre la Península Ibérica, pues muestra aspectos de interés específico en relación con los estudios de cambio climático en Europa: es una de las regiones en las que se prevé un mayor incremento de temperatura, especialmente en verano, y también sufre un importante estrés hídrico.
Thermodynamics of cumulus clouds - Termodinámica de Nubes Cúmulo. 270 KB
DE ROODE, Stephan R.
175
Palabras Clave: Cumulus clouds; Mixing diagrams; Lateral mixing; Buoyancy reversal
Nubes cúmulo; Diagramas de mezcla; Mezcla lateral; Inversión de flotabilidad
Resumen: Mixing diagrams are investigated to explore whether mixing of undiluted (adiabatic) cumulus cloud air with clear air from its environment can lead to buoyancy reversal, i.e. mixed parcels that are saturated and negatively buoyant with respect to the dry environment. It is demonstrated that buoyancy reversal will always occur at any mixing height. It is also shown that the virtual potential temperature difference between a mixed parcel and the environment is most negative at the top of the cloud. The role of the mean state structure on the buoyancy of mixed parcels is discussed. The analytic expression describing the form of the mixing diagram is shown to be identical to the cloud-top entrainment instability criterion originally derived for a stratocumulus cloud layer capped by an inversion.
Se investigan diagramas de mezcla para explorar si la mezcla de aire no diluida de las nubes cúmulo (adiabática) con aire no nuboso del entorno puede llevar a una inversión de la flotabilidad, es decir masas de aire mezcladas que son saturadas y con flotabilidad negativa con respecto al aire circundante seco. Se demuestra que la inversión de flotabilidad tiene lugar para cualquier altura en la que hay mezcla. También se demuestra que la diferenca de temperatura potencial virtual entre la masa de aire mezclada y el aire circundante tiene un valor negativo máximo en la cima de la nube. Se discute el papel de la estructura media en la flotabilidad de las masas de aire mezcladas. Se muestra que la expresión analítica que describe la forma de los diagramas de mezcla es idéntica al criterio de inestabilidad por entrainment en la cima de la nube, originalmente obtenido para una capa nubosa de estratocúmulos limitada por una inversión.
Comparison between two single-column models designed for short-term fog and low-clouds forecasting - Comparación entre dos Modelos Unidimensionales Diseñados para Predicción a Corto Plazo de Niebla y Nubes Bajas. 288 KB
TERRADELLAS, Enric | BERGOT, Thierry
189
Palabras Clave: Atmospheric boundary layer; Ceiling; Fog; Forecast; Single-column model; Visibility
Capa límite atmosférica; Techo de nubes; Niebla; Predicción; Modelo unidimensional de columna; Visibilidad
Resumen: There is a large impact of fog and low clouds in the field of airborne transportation. As a consequence, there is an increasing demand of precise forecasts in order to mitigate the negative effects of visibility reduction. Nevertheless, the production of these forecasts constitutes an unsolved issue yet. In several places, one-dimensional (single-column) models have been tested for local forecasts. They provide many insights into the complex physical mechanisms that are relevant in the fog or low clouds formation. Nevertheless, any influence related with surface or atmospheric horizontal unhomogeneity remains, in most cases, out of control. In 2005, an intercomparison experiment among different single-column models in the field of fog and low clouds forecast was carried out. Since the results were useful but inconclusive, it was agreed to undertake a massive and systematic comparison between H1D and COBEL-ISBA. During the intercomparison period, the models have been run for Paris-Charles de Gaulle International Airport. The most significant difference between the models is found in the nocturnal cooling rate, which is -on average- stronger in H1D. The reason could lie in the fact that H1D predicts less cloud coverage than COBEL-ISBA. The verification results show that the initialization is an important aspect for very short-term forecast and COBEL-ISBA seems to perform better for this point. They also demonstrate that the treatment of horizontal heterogeneities is important for longer forecast scopes, and H1D seems to perform better for this aspect.
El impacto de la niebla y las nubes bajas en el transporte aéreo es muy importante. Existe una demanda creciente de predicciones precisas que permitan mitigar los efectos negativos de la reducción de la visibilidad. Sin embargo, la realización de estas predicciones constituye todavía un reto sin resolver. En varios lugares se han ensayado modelos unidimentales (de columna vertical) para predicciones locales. Estos modelos proporcionan mucha información sobre los complejos mecanismos físicos que intervienen en la formación de la niebla y las nubes bajas. Sin embargo, las influencias relacionadas con la inhomogeneidad horizontal de la superficie o de la atmósfera quedan, en la mayoría de los casos, fuera de control. En 2005 se realizó un experimento consistente en comparar el comportamiento de distintos modelos unidimensales en la predicción de niebla y nubes bajas. Puesto que los resultados fueron útiles pero no concluyentes, se acordó llevar a cabo una comparación masiva y sistemática entre H1D y COBEL190. Durante el período de comparación, los modelos han realizado predicciones para el aeropuerto internacional de París-Charles de Gaulle. La diferencia más significativa entre sus resultados se encuentra en el ritmo de enfriamiento nocturno, que en promedio es mayor para H1D. La causa podría residir en que H1D predice una menor cobertura nubosa que COBEL-ISBA. Los resultados de la verificación muestran que la asimilación de datos es un aspecto muy importante para la predicción a muy corto plazo y COSBEL-ISBA parece comportarse mejor en este aspecto. También demuestran que el tratamiento de las inhomogeneidades horizontales es importante para plazos de predicción más largos y H1D parece comportarse mejor en este caso.
Buoyant Mixing Processes Generated in Turbulent Plume Arrays - Procesos de Mezcla Generados por un Conjunto de Penachos Turbulentos. 281 KB
LÓPEZ GONZÁLEZ-NIETO, Pilar | CANO, José L. | REDONDO, José Manuel
205
Palabras Clave: Atmospheric turbulence; Turbulent mixing; Unstable density distributions; Turbulent plumes
Turbulencia atmosférica; Mezcla turbulenta; Penachos turbulentos; Eficiencia de mezcla; Distribuciones inestables de densidad
Resumen: Turbulent mixing is a very important issue in the study of geophysical phenomena because most fluxes arising in geophysics fluids are turbulent. The diffusion of physical quantities in nature is due to turbulence. This is a key factor in the study of atmospheric phenomenae, specially at the planetary boundary layer. We study turbulent mixing due to convection using a laboratory experimental model with two miscible fluids of different density with an initial top heavy density distribution. Mixing is produced by the evolution of a two-dimensional array of forced turbulent plumes. Measurements include density data and flow visualization. The conclusions of this experimental model relate the mixing efficiency and the volume of the final mixed layer to the Atwood number, ranging from 0.010 to 0.134. We find that the number of plumes diminishes, the mixing efficiency reduces. We performed additional experiments releasing a fixed volume with negative buoyancy in a lighter fluid as a line of plumes (from one to nine) with a fixed Atwood number of 0.03, measuring the height of the final mixed layer as functions of the number of plumes and the available mixing volume.
La mezcla turbulenta es un tema importante en el estudio de los fenómenos geofísicos porque los flujos geofísicos presentan flujos que son turbulentos en su gran mayoría. En la naturaleza, la difusión de las magnitudes físicas se realiza, principalmente, por medio de la turbulencia que, por tanto, es un factor clave en el estudio de los fenómenos atmosféricos, especialmente en la capa límite planetaria. En este artículo se estudia la mezcla turbulenta generada por un proceso de convección. Se utiliza un modelo experimental con dos fluidos miscibles de diferente densidad que inicialmente tiene una distribución inestable de densidad. La mezcla se genera por la evolución de un conjunto bidimensional de penachos turbulentos forzados. Las medidas incluyen datos de densidad y digitalizaciones del flujo. Las conclusiones hacen referencia a la eficiencia de mezcla y al volumen de la carga mezclada final relacionados con el número de Atwood, cuyos valores varían en el intervalo (0.010, 0.0134). Se encuentra que si el número de penachos disminuye, la eficiencia de mezcla decrece. Un mejor análisis de esta conclusión se hace mediante la realización de nuevos experimentos caracterizados por utilizar un conjunto lineal de penachos (desde uno hasta nueve) con los que se pone en contacto un volumen fluido fijo y con flotabilidad negativa con un fluido más ligero, siendo el número de Atwood 0.03. El objetivo de estos nuevos experimentos es medir la altura de la capa mezclada final en función del número de panachos y del volumen fluido disponible para la mezcla.
Temporal error estimate for statistical downscaling regional meteorological models - Estimación de errores temporales en modelos meteorológicos regionales de dowscaling estadístico. 578 KB
DMITRIEV, Egor V. | NOGOTKOV, Ilva V. | ROGUTOV, Vladimir S. | KHOMENKO, Gueorgui | CHAVRO, Anatoly I.
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Palabras Clave: Statistical downscaling; Regional climate; Temporal error estimate; Inverse problems
Downscaling estadístico; Clima regional; Estimación de errores temporales; Problemas de inversión
Resumen: Statistical downscaling models, which are applied for retrieval of small-scale geophysical fields from largescale fields, allow obtaining a priori estimate of variance of the solution error and some other statistical characteristics of error. However, at given instants or even time periods the solution error of the considered problem can be much higher than its estimate that may be very important when using the results of downscaling. This paper is dedicated to testing the stochastic parameter known as "model reliability" as an indicator of temporal changes of the solution accuracy. For this purpose we considered several basic geophysical applications of downscaling. We show below that the probabilistic parameter "reliability of model" can be used for forecasting time points when the small-scale field is retrieved with high errors.
Los modelos de downscaling estadístico, que se aplican para la obtención de campos geofísicos de pequeña escala a partir de campos a gran escala, permiten obtener a priori estimaciones de varianza de los errores de las soluciones y algunas otras características estadísticas de los errores. Sin embargo, en determinados instantes o incluso periodos de tiempo los errores de las soluciones de los problemas considerados pueden ser mucho mayores de lo estimado, lo cual puede ser muy importante al usar los resultados del downscaling. Este trabajo se centra en comprobar el parámetro estocástico conocido como “fiabilidad del modelo” como un indicador de los cambios temporales de la precisión de la solución. Para este propósito, se han considerado varias aplicaciones geofísicas básicas del downscaling. Se muestra que el parámetro probabilista “fiabilidad del modelo” se puede usar para predecir puntos temporales donde el campo de pequeña escala se obtiene con grandes errores.
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