Radiation fog, gravity waves and their interactions with turbulence in the atmospheric boundary layer

• Autores: Carlos Román Cascón
• Directores de la Tesis: Carlos Yagüe Anguis (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2015
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 197
• Títulos paralelos:
  • Nieblas radiactivas, ondas de gravedad y sus interacciones con la turbulencia en la capa límite atmosférica
• Tribunal Calificador de la Tesis: Encarnación Serrano Mendoza (presid.), Gregorio Maqueda Burgos (secret.), Joan Cuxart Rodamilans (voc.), Arnold F. Moene (voc.), Samuel Viana (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
• Materias:
  • Ciencias de la tierra y del espacio
    • Meteorología
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense (pdf)
• Resumen
  • español

    Esta tesis aborda el estudio de dos fenómenos atmosféricos que aparecen normalmente en la capa límite estable (SBL): nieblas radiativas y ondas de gravedad (GWs). Estos procesos no están bien comprendidos y por lo tanto su representación en los modelos numéricos es uno de los desafíos a los que se enfrenta la modelización meteorológica. Así, el principal objetivo de esta tesis es ampliar el conocimiento sobre estos fenómenos, con un enfoque especial a sus interacciones con la turbulencia en la SBL. El trabajo comienza con experimentos de sensibilidad del modelo WRF (Weather Research and Forecasting) para la determinación de las opciones físicas más apropiadas para la predicción de nieblas. Posteriormente, se aborda la predicción de nieblas a través de dos enfoques diferentes: modelización numérica directa (WRF) y métodos estadísticos (M14). Estos métodos son evaluados y comparados en dos centros experimentales diferentes y también se presenta una climatología estadística con el objetivo de señalar las diferencias más importantes entre las nieblas radiativas en ambos sitios. Finalmente, se ofrecen nuevos métodos para la estimación de la altura del tope de la niebla. Esta variable es normalmente desconocida o sujeta a la disponibilidad de datos de difícil adquisición. La estimación que se ofrece en esta tesis se basa en medidas superficiales de turbulencia (velocidad de fricción y flujo de calor). Con respecto a las GWs, por un lado se presenta un análisis observacional único de GWs casi monocromáticas propagadas en un canal, siendo difícil tener la oportunidad de analizar un caso como éste. Por otro lado, se muestran los mecanismos físicos que gobiernan GWs de menor escala y flujos de drenaje, analizando las interacciones de estos fenómenos con la turbulencia en la SBL.

    La estrategia de investigación se basa en el análisis de datos observacionales de tres áreas experimentales: the Cabauw Experimental Site for Atmospheric Research (CESAR), el Centro de Investigación de la Baja Atmósfera (CIBA) y la campaña experimental Boundary-Layer Late Afternoon and Sunset Turbulence (BLLAST). Entre la metodología observacional, destaca la transformada wavelet, el análisis de diferencias de fase y métodos multi-resolución de descomposición de flujos (MRFD). La predicción de nieblas radiativas es evaluada con el modelo WRF.

    La predicción numérica de nieblas radiativas se ve mejorada mediante la selección apropiada de parametrizaciones físicas. El método estadístico M14 es una alternativa válida, sobre todo para la predicción inmediata de nieblas radiativas mediante observaciones, resultados que son especialmente útiles para modelizadores y predictores. La climatología señala diferencias entre las nieblas radiativas en CESAR y CIBA, relacionadas con las diferencias en humedad y localización geográfica. La altura del tope de la niebla puede ser estimada atendiendo a valores superficiales de medidas turbulentas, resultado que abre una nueva vía para la estimación de esta variable con un anemómetro sónico en superficie, lo cual podría ser aplicado operacionalmente.

    Atendiendo al análisis de dos casos de estudio de GWs, en uno de ellos se ha mostrado cómo el mecanismo de canalización controla la propagación horizontal y las características de las GWs, mientras que su formación se asoció a corrientes descendentes de la wake low de un MCS. El otro caso de estudio muestra cómo los flujos de drenaje de distintas escalas y las GWs gobiernan la turbulencia y evolución de la SBL durante la transición nocturna en el área de BLLAST. La descripción ofrecida en esta tesis puede servir para mejorar la representación de estos procesos en los modelos numéricos. Estas estructuras están separadas de la turbulencia mediante un gap espectral. Sin embargo, aún queda la duda del carácter difusivo o no de las estructuras asociadas a GWs, cuyas escalas son menores que las de las GWs pero mayores que las de los movimientos turbulentos.

  • English

    This thesis deals with the study of two atmospheric phenomena that normally appear in the stable boundary layer (SBL): radiation fog and gravity waves (GWs), processes that are still not well understood. Therefore, their representation in the numerical weather prediction (NWP) models is one of the current challenges for the meteorological modelling. Thus, the main objective of this thesis is to gain knowledge about these phenomena, with especial emphasis to their interactions with turbulence in the SBL. The work starts with sensitivity experiments of the WRF (Weather Research and Forecasting) mesoscale model, in order to determine the most appropriate physical options for the simulation of fog. Subsequently, radiationfog forecasting is addressed through two different approaches: numerical modelling (WRF) and statistical methods (M14, Menut et al. (2014)). These two methods are evaluated and compared at two contrasting experimental sites. Finally, new methods for the fog-top height estimation are presented. This variable is usually unknown or subjected to expensive or not-always accessible data. The estimation offered in this thesis is based on turbulent surface measurements (friction velocity and heat flux). Regarding GWs, on the one hand, a comprehensive observational analysis of near-monochromatic GWs propagated in a duct layer is presented, being difficult to have the chance of analysing a case like this in the real atmosphere. On the other hand, the physical mechanisms governing smaller-scale GWs and drainage flows are elucidated, analysing in detail the interactions of these phenomena with the turbulence in the SBL, which is one of the main current challenges in micrometeorological studies